Естественные источники ионизирующего излучения



Ионизирующее излучение является одним из внешних факторов воздействия окружающей среды, который сопровождает развитие жизни на планете Земле, начиная с ее создания. Ответ на данное воздействие может характеризоваться различной направленностью. Актуальными остаются исследования мутагенного действия радиации на живые организмы.

Радиационный фон Земли определяется источниками ионизирующего излучения естественного и техногенного происхождения. Облучение человека за счет радиационного фона происходит внешним и внутренним путями и оценивается экспертами ООН в среднем около 3,6 мЗв/год. Жители развитых стран более 80 % этой дозы получают от естественных источников ионизирующего излучения. При этом естественный радиационный фон около 84 % своей активности получает благодаря радионуклидам земной локализации, но включает также и космическое излучение.

Стоит отметить, что характерной особенностью радиационного фона нашей планеты является его неоднородность. Интенсивность излучения в зависимости от географического расположения на участках Земли различна. Причем к факторам, определяющим величину облучения от естественных источников, можно отнести наличие неоднородной атмосферы, влияние магнитосферы, состав почвы, воды и т. д.

Ключевые слова:ионизирующее излучение, радиационный фон Земли, радионуклиды, доза

Введение

23 января 1896 г. известный физик В. К. Рентген, доложил об открытии им Х-лучей, и перед изумленной аудиторией произвел рентгеновский снимок кисти. Затем А. Беккерель в ноябре 1896 г. доложил о явлении радиоактивности, супруги Кюри выделили радий — первое «естественное радиоактивное вещество». Вместе с тем к изучению биологического действия ионизирующих излучений ученые были не подготовлены. В апреле 1902 г. А. Беккерель по просьбе П. Кюри подготовил препарат радия для демонстрации его свойств на конференции, положив при этом стеклянную трубочку с радием в карман жилета, проносил ее почти 6 часов. Спустя 10 дней на коже под карманом появилось покраснение, а еще через несколько дней образовалась язва, которая долго не заживала. [1] Вслед за этим появились тревожные сообщения о повреждениях, возникающих у врачей и физиков, экспериментирующих с новым видом излучения. Впоследствии человечество отметило память погибших энтузиастов радиологии, воздвигнув перед больницей имени Альберс-Шенберга в Гамбурге обелиск чести и славы рентгенологов, на котором высечены имена жертв науки — немецкого рентгенолога Альберс-Шернберга, русского ученого С. В. Гольдберга и многих других. [1] В связи с этим, 6 июня 1905 г., выступая с Нобелевской речью в Стокгольме, П. Кюри произнес воистину пророческие слова: «Можно себе представить, что в преступных руках радий способен быть очень опасным, и в связи с этим следует задаться вопросом: является ли познание тайн природы выгодным для человечества, достаточно ли человечество созрело, чтобы извлекать из него только пользу, или же это познание для него вредоносно?... Я лично принадлежу к людям, думающим, что человечество извлечет из новых открытий больше пользы, чем зла». [2]

С другой стороны, произнося громкие заявления о вреде и опасности ионизирующего излучения, часто забывают о том, что радиация присутствовала на Земле со времен ее формирования. По сути, радиация является одним из естественных факторов внешнего воздействия на эволюционный процесс жизни на планете. И вопрос о роли естественного радиационного фона для растительного и животного мира на сегодняшний день не решен. Высказываются мнения о выработавшейся адаптации в ходе эволюции к сравнительно невысоким дозам облучения, имеются данные о положительном действии радиации на жизнедеятельность организмов. Вместе с тем появляются все больше данных, указывающих на то, что природный фон является частично ответственным за спонтанное появление опухолей разного вида и появление мутации, обусловленных повреждением хромосом. [3]

Стоит отметить, что исследования естественных и техногенных радионуклидов позволяют дать оценку воздействию ионизирующего излучение на развитие и здоровье человечества. [4]

Радиационный фон Земли

Как известно, формирование биосферы и зарождение жизни на Земле происходило в условиях радиационного фона планеты. Иными словами, ионизирующая радиация является таким же естественным фактором биосферы, как и многие другие. Однако, за время формирования земной поверхности, появления живого на планете и особенно развития человечества этот фактор воздействия сам претерпевал изменения. В связи с этим, на сегодняшний день, радиационный фон Земли (РФЗ) — это ионизирующие излучения от природных источников, а также радионуклидов, рассеянных в биосфере в результате деятельности человека. [5]

РФЗ воздействует на все население земного шара, в настоящее время имеет относительно постоянный уровень и состоит из 2 компонентов:

1) естественный РФЗ;

2) техногенно измененный РФЗ.

Естественный (природный) РФЗ представляет собой совокупность потоков ионизирующих излучений от естественных источников внеземного и земного происхождения. Большой Энциклопедический словарь определяет естественный РФЗ как излучение, создаваемое рассеянными в природе радионуклидами, содержащимися в земной коре, приземном воздухе, почве, воде, растениях, продуктах питания, в организме человека (84 %), а также космическое излучение (16 %). Стоит отметить, что естественная радиоактивность постепенно уменьшается в силу распада многих радиоактивных элементов Земли, (интенсивность космического излучения остается относительно постоянной), поэтому в те времена, когда начали протекать процессы, сопровождавшие появление жизни на Земле, радиоактивность была значительно выше. [3]

Федеральный закон «О радиационной безопасности населения» постулирует, что техногенно измененный РФЗ— это естественный радиационный фон, измененный в результате деятельности человека. Подобное преобразование РФЗсвязано, главным образом, с переработкой и перемещением горных пород, сжиганием каменного угля, нефти, газа и других горючих ископаемых, а также с испытаниями ядерного оружия и ядерной энергетикой.

Вклад составных частей радиационного фона вобщее облучение населения

Компоненты РФЗ участвуют в формировании эффективных доз облучения человека как за счет внешнего, так и за счет внутреннего облучения. В среднем, эффективная доза от различных источников РФЗ оценивается в 3,6 мЗв/год [6], из которой, по данным Научного комитета ООН по действию атомной радиации, 2,4 мЗв/год при характерном диапазоне доз 1,0–13 мЗв/год составляет эффективная эквивалентная доза от природных источников. [7] Средняя по России доза природного облучения несколько выше и составляет около 3,3 мЗв/год с колебанием доз по группам населения. Кроме того, имеются отдельные субъекты Российской Федерации, в которых средние дозы природного облучения населения близки к 10 мЗв/год, и населенные пункты со средними дозами природного облучения жителей более 10 мЗв/год. [7]

Проведенные многочисленные исследования показывают, что в промышленно развитых странах от естественных источников ионизирующего излучения население получает более 2/3 суммарной дозы облучения. По данным радиационно-гигиенической паспортизации и Единой государственной системы контроля и учета индивидуальных доз облучения граждан России (ЕСКИД), вклад природных источников ионизирующего излучения в суммарные дозы облучения населения в среднем по Российской Федерации составляет 83 %, достигая в некоторых субъектах 90 % и более. Основную долю в облучение населения вносят короткоживущие дочерние продукты изотопов радона в воздухе помещений (60–70 %) и внешнее облучение (20–30 %), а остальные пути поступления составляют до 10 % от суммарных доз. [8] Иногда заметным может быть вклад в облучение людей за счет повышенного содержания природных радионуклидов в питьевой воде, обычно характерного для подземных вод. (Поэтому инструментальные оценки доз природного облучения населения в большинстве случаев охватывают именно эти три источника облучения населения). [5, 7]

Естественные источники ионизирующего излучения

К источникам ионизирующих излучений внеземного происхождения относят первичное космическое излучение. Стоит отметить, что вокруг Земли данное излучение состоит из галактического космического излучения (генерированного в еще точно неизвестных, но удаленных от Земли объектах) и солнечных космических лучей. Средняя энергия космических частиц около 10^8–10¹⁰ эВ. Первичное космическое излучение включает, в основном, протоны (90 %) и альфа-частицы (ядра гелия 7 %), также встречаются ядра атомов лития, бериллия, бора, азота, кислорода (0,78 %) и ядер атомов, заряд которых более 10 (0,22 %). Поток электронов составляет около 1,5 % потока всех космических частиц; позитронов в 5 раз меньше; в небольшом количестве обнаружены также гамма-кванты. [6, 9]

На сегодняшний момент, в научном сообществе принят ряд гипотез, объясняющих происхождение космического излучения. По гипотезе Э. Ферми, заряженные частицы многократно ускоряются в межзвездном пространстве в блуждающих магнитных полях космической пыли. Широкое признание в астрономии получила гипотеза, разработанная И. С. Шкловским, согласно которой источником первичного космического излучения служат многочисленные туманности, рассеянные в галактике и возникшие в результате вспышек сверхновых звезд. Вклад в общий поток космических частиц, падающих на поверхность Земли, вносит и Солнце. При резком увеличении солнечной активности возможно увеличение интенсивности космического излучения на 4–100 %. [3]

В настоящий момент определено влияние магнитного поля планеты на первичное излучение, препятствующее вхождению в атмосферу низкоэнергетических частиц. В магнитосфере существуют, так называемые, ловушки, представляющие собой области пространства, характеризующиеся тем, что заряженные частицы не могут ни влетать в них извне, ни вылетать из них. Данный феномен обусловлен существованием радиационных поясов Земли, то есть внутренних областей магнитосферы, в которых магнитное поле планеты удерживает заряженные частицы (протоны, электроны, альфа-частицы), обладающие энергией от десятков кэВ до сотен МэВ. Выходу заряженных частиц из радиационного пояса мешает особая конфигурация силовых линий геомагнитного поля, создающего для заряженных частиц «магнитную ловушку». Захваченные в такую «ловушку» Земли частицы совершают сложное движение по спиральной траектории вдоль силовой линии магнитного поля из Северного полушария в Южное и обратно с одновременным более медленным перемещением (долготным дрейфом) вокруг Земли. Одно колебание вдоль силовой линии из Северного полушария в Южное протон с энергией = 100 МэВ совершает за 0,3 с. Время нахождения («жизни») такого протона в геомагнитной ловушке может достигать 100 лет, за это время он может совершить до 10¹⁰ колебаний. Таким образом, магнитные ловушки являются своеобразным «естественным резервуаром» для накопления заряженных частиц (в основном протонов и электронов). [10]

Первичное космическое излучение взаимодействует (а, точнее, поглощается) с атмосферой. В результате данного взаимодействия формируется вторичное космическое излучение, состоящее, по большей части, из пионов, протонов, нейтронов, мюонов, электронов, фотонов. По мере приближения к поверхности Земли интенсивность первичного космического излучения снижается; интенсивность вторичного космического излучения достигает максимума на высоте 20–30 км. На уровне моря интенсивность первичного излучения составляет 0,05 % от первичной величины. [3] Другими словами, интенсивность вторичного космического излучения зависит от толщины атмосферы. Космическое излучение на уровне моря примерно в 100 раз менее интенсивно, чем на границе атмосферы и состоит в основном из мюонов. Северный и Южный полюса получают больше ионизирующих излучений, чем экваториальные области, за счет магнитного поля Земли. Стоит отметить, что при воздействии космических лучей на атмосферу в ее верхних слоях происходят различные ядерные реакции, в результате чего образуются космогенные радионуклиды. Основное значение из них имеют: ³Н,¹⁴С, ³²Р, ³⁵S, ⁷Ве, ²²Nа и ²⁴Nа. [6] Таким образом, атмосфера является первичной средой, в которой происходит перенос радионуклидов. Радионуклиды, поступившие в атмосферу, образуют аэрозоли и под влиянием гравитационных сил, а также под воздействием ряда метеорологических факторов (дождей, тумана, снега) выпадают на поверхность земли. Но выпавшие на поверхность почвы и растительности радиоактивные частицы могут вновь перейти в воздух в результате процесса ресуспензии [11], то есть происходит своеобразный круговорот радионуклидов в окружающей среде. При этом, как показывают исследования зарубежных ученых, тяжелые металлы поглощаются из воздуха, воды поверхностью растений за счет электростатическою взаимодействия с молекулами полигалактуроновой кислоты клеточных стенок или ионного обмена с катионами макроэлементов, сорбированных на поверхности. Например, ⁹⁰Sr может накапливаться в поверхностных карбонатных инкрустациях, замещая ионы кальция. В зависимости от степени сродства к внеклеточным местам связывания радионуклиды, как и стабильные изотопы металлов, слабо или прочно связываются с поверхностью растений и в дальнейшем становятся соответственно обменными или необменными. [12]

В целом, человек, живущий на уровне моря, получает 0,315 мЗв/год за счет источников ионизирующего излучения внеземного происхождения, в том числе за счет внешнего облучения — 0,3 мЗв и за счет внутреннего облучения — 0,015 мЗв. [6]

Наряду с воздействием на организмы космического излучения имеет место радиация от естественных источников земного происхождения, которые могут быть представлены радионуклидами 2 групп:

1. Радионуклиды, входящие в радиоактивные ряды.
2. Радионуклиды, не входящие в радиоактивные ряды.

Радиоактивный ряд — это последовательность радионуклидов, образующихся в результате альфа- или бета-распада предыдущего элемента. Наиболее долгоживущие изотопы называются начальными для каждого из радиоактивных рядов. На Земле, в настоящее время, представлены четыре радиоактивных ряда и, соответственно, 4 их родоначальника:

‒ ториевый ряд: наиболее долгоживущий изотоп — тории-232, T_1/2 = 1–4х10¹⁰ лет;

‒ 2 урановых ряда:

а)наиболее долгоживущий изотоп — уран-238, T_1/2 = 4.5х10⁷ лет;

б)наиболее долгоживущий изотоп — уран-235, T_1/2 = 7х10⁸ лет

‒ нептуниевый ряд: наиболее долгоживущий изотоп — нептуний-237, T_1/2 = 2.2х 10⁶ лет. [6]

Исследователи после сравнения периодов полураспада родоначальников радиоактивных рядов со временем существования Земли показали, что, в настоящий момент, торий-232 почти весь сохранился, уран-238 распался лишь частично, а уран-235 распался большей частью (т. е. сегодня в земной коре ²³⁸U больше, чем ²³⁵U приблизительно в 140 раз), изотоп нептуний-237 распался практически весь. [6] В процессе превращения этих элементов в качестве промежуточных продуктов распада образуются радиоактивные изотопы радия, радона, полония, висмута, свинца, которые формируют значительную дозу облучения человека. Вместе с тем уровни земной радиации неодинаковы для разных мест земного шара и зависят от концентрации радионуклидов в том или ином участке земной коры. Повышенным содержанием радионуклидов характеризуются породы вулканического происхождения (гранит, базальт), гораздо меньше радиоактивных элементов в осадочных породах (известняк, песчаник). Наиболее высокие уровни земной радиации наблюдаются в Бразилии (на пляжах морского курорта Гуарапари до 175 мЗв/год), на юго-западе (районы Керала и Мадраса) Индии, на некоторых островах Новой Зеландии, дельты рек Нила и Конго в Африке (на их территории есть богатые торием пески (монацитовые пески)). Известны и другие места с высоким уровнем радиации, например: во Франции, в Нигерии, на Мадагаскаре. Повышенным содержанием радионуклидов уранового ряда отличается территория Скандинавских стран и Англии. [3, 6]

По подсчетам Научного комитета ООН по действию атомной радиации средняя эффективная доза внешнего облучения, которую человек получает за год от земных источников естественной радиации, составляет 0,35 мЗв, в том числе за счет радионуклидов уранового ряда 0,09 мЗв и 0,14 мЗв за счет радионуклидов торцевого ряда. Продукты распада урана и тория по пищевым цепочкам, а также с воздухом и водой поступают в организм человека, обуславливая внутреннее облучение. При этом за счет семейства урана эффективная доза составляет 0,95 мЗв/год, за счет семейства тория — 0,19 мЗвгод. [6] При пероральном поступлении радиоактивных элементов важно учитывать их растворимость и, соответственно, коэффициент всасывания. Наибольшее значение в формировании дозы внутреннего облучения имеют радий-226; радон-220; полоннй-210; свинец-210. Радий-226 (²²⁶Ra претерпевает альфа-распад с образованием ²²²Rn, T_1/2–1620 лет) широко распространен в природе, и может поступать в организм через желудочно-кишечный тракт (коэффициент всасывания в желудочно-кишечном тракте 0,2), органы дыхания, неповрежденную кожу. Его источником для человека в основном служат зерновые культуры и хлеб, куриные яйца; среднее поступление с жидкостями и пищей — 23х10^–12 г/сут; радий, независимо от химической формы соединения при поступлении, депонируется в костной ткани, из которой выводится с Т_σ, равным 17,13 лет (Т_σ — время, в течение которого из организма выводится половина введенного вещества). Радон (²²²Rn претерпевает альфа-распад с образованием ²¹⁸Ро, T_1/2–3,8 суток) вносит основной вклад в естественную радиоактивность атмосферного воздуха и уровни облучения человека за счет естественных источников радиации. В организм радон и короткоживущие продукты его распада поступают в основном через органы дыхания, но могут поступать через желудочно-кишечный тракт (например, при питье радоновой воды) и через кожу (например, при приеме радоновых ванн). Выведение радона из организма независимо от способа его поступления осуществляется главным образом через легкие. Полоний-210 (²¹⁰Ро подвергается альфа-распаду с образованием стабильного ²⁰⁶Pb, Т_1/2–138,38 сут.) коэффициент всасывания из желудочно-кишечного тракта составляет 0,2. В среднем за сутки в организм человека с пищей поступает 0,037–0,37 Бк ²¹⁰Ро (т.н. нормальное поступление). В регионах, где человек потребляет пищу морского происхождения, а также питается мясом северных оленей наблюдается повышенное поступление полония-210 в организм около 2,2–11,1 Бк/сут.; например: в диете японцев содержание ²¹⁰РЬ в 11–18 раз превышает среднестатистические цифры. Курение увеличивает поступление ²¹⁰Ро в организм человека: в легких курильщика, выкуривающего 10–60 сигарет в сутки, создаются концентрации 1,66 мБк/г, что в 2–3 (вплоть до 7–9) раза выше, чем у некурящих, и соответствует дозам 0,027–0,04 мГр/год. Из организма человека ²¹⁰Ро выводится с T_σ, равным приблизительно 80 сут. Свинец-210 [ядро ²¹⁰РЬ подвергается бета-превращению (электронный распад) с образованием ²¹⁰Bi], распадается с Т_1/2–22,3 г.; коэффициент всасывания в желудочно-кишечном тракте — 0,2 (для всех соединений); элемент остеотропен связан с обменом кальция и фосфора; из организма (в том числе и из костной ткани) выводится с T_σ, равным 12–10000 сут.

К группе радионуклидов, не входящих врадиоактивные ряды, принято, в основном, относить калий-40, кальций-48, рубидий-87, индий-113, селен-124, технеций-130, вольфрам-180, висмут-209 (долгоживущие радионуклиды, период полураспада от 10 до 101 лет). Из них наибольший вклад в формирование эффективной дозы вносят К-40 и Rb-87.

Калий-40 (ядро ⁴⁰К претерпевает бета-распад, период полураспада 1,32*10⁹ лет) К-40 является бета- и гамма-источником облучения биоты, занимает 2 место в качестве источника излучений, обусловливающих природный радиоактивный фон. В природе ⁴⁰К всегда сопутствует стабильному ³⁹К-39 (доля ⁴⁰К — около 0,01 %), формируя годовую эффективную дозу за счет внешнего облучения 0,12 мЗв и 0,18 мЗв за счет внутреннего облучения. Калий-40 часто обусловливает активность поверхностного слоя почвы, равную 1–2 Ки/км². Активность растительного покрова Земли по ⁴⁰К равна (0,5–1)х 10–⁸ Ки/кг сырого веса. Активность пищевых продуктов по ⁴⁰К составляет 10–⁹ Ки/кг сырых продуктов. Наибольшая активность его регистрируется в клюкве, орехах, фасоли, картофеле. Из почвы он поступает в растения, а затем, с пищей и водой — в организм животных и человека. Калий-40 практически полностью всасывается из желудочно-кишечного тракта и равномерно распределяется в органах и тканях. Т_σ калия составляет 58 суток. Суточная потребность человека в калии составляет около 3 г, т. е. в организм может поступать и значительное количество ⁴⁰К. Например, средняя активность его в красном костном мозге человека оценивается в 121 Бк/кг (содержание калия в красном костном мозге 4 г/кг), в скелетных мышцах — 90 Бк/кг (содержание калия — 3 г/кг), в организме в целом — 60 Бк/кг. [1, 3, 6]

Рубидий-87 (⁸⁷Rb-87, T_1/2 4,8х10¹⁰ г, ядро претерпевает бета-превращение) входит в состав продуктов деления урана (до 6 %). При пероральном поступлении практически полностью всасывается из желудочно-кишечного тракта и равномерно распределяется в органах и тканях. Т_σ из мягких тканей человека составляет 44 (от 32 до 57) суток. Наибольшая средняя удельная активность ⁸⁷Rb наблюдается в тканях щитовидной железы (53 Бк/кг), в организме в целом составляет она 8,5 Бк/кг. [3,6]

Некоторые авторы выделяют еще третью группу естественных источников ионизирующего излучения земного происхождения — радиоактивные изотопы, непрерывно возникающие на Земле в результате ядерных реакций под воздействием космических лучей. Наиболее важными из них являются углерод-14, тритий, берилий-7, берилий-10. [3]

Заключение

Таким образом, в процессе исторического, эволюционного развития человека в условиях окружающей его среды на планете Земля оказывается постоянное воздействие ионизирующего излучения на его организм. Такое облучение за счет радиационного фона оценивается экспертами ООН в среднем в 3,6 мЗв/год. Причем жители развитых стран более 80 % этой дозы получают от естественных источников ионизирующего излучения, имеющего земную (84 %) и внеземную (16 %) компоненты и воздействующего как через внешнее, так и внутреннее облучения.

Вопрос о роли естественного радиационного фона для растительного и животного мира на сегодняшний день не решен. Высказываются мнения о выработавшейся адаптации в ходе эволюции к сравнительно невысоким дозам облучения, имеются данные о положительном действии радиации на жизнедеятельность организмов. Вместе с тем появляются все больше данных, указывающих на то, что природный фон является частично ответственным за спонтанное появление опухолей разного вида и появление мутации, обусловленных повреждением хромосом. [3]

Другими словами, человечество на протяжении всего существования подвергалось воздействию ионизирующего излучения, но жизнедеятельность человека на Земле также оказывала свое влияние на радиационный фон планеты, что привело к увеличению суммарной эффективной дозы облучения (так называемый техногенно измененный радиационный фон). Поэтому на современном этапе развития, человек должен для сохранения своей жизни и здоровья ограничить в процессе динамического взаимодействия радиационного фона и человечества их взаимно-вредные влияния друг на друга.

Литература:

1. Линденбратен Л. Д., Лясс Ф. М. Медицинская радиология. — М.: Медицина. 1986. 368 с.
2. Булдаков Л. А., Калистратова В. С. Радиоактивное излучение и здоровье. — М.: Информ-Атом. 2003. 165 с.
3. Бадрутдинов О. Р., Тюменев Р. С. Радиационная экология. — Казань. 2014.
4. Сапожников Ю. А., Алиев Р. А., Калмыков С. Н. Радиоактивность окружающей среды: теория и практика. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. 2015. 289 с.
5. Гребенюк А. И., Носов А. В. Введение в радиационную экологию. — СПб. 2002. 32 с.
6. Стожаров И. П., Кормановская Т. А., Световидов А. В.. и соавт., Радиационная медицина. — Мн.: МГМИ. 2000. 154 с.
7. Стамат И. П., Кормановская Т. А., Световидов А. В. и соавт. Уровни облучения детей за счет природных источников излучения в детских образовательных учреждениях на территории отдельных субъектов федерации // Радиационная гигиена. 2011. –Т. 4. № 1. С. 42- 48.
8. Горский Г. А., Стамат И. П. К оценке эффективности предупредительного надзора за обеспечением радиационной безопасности населения при облучении природными источниками ионизирующего излучения // Радиационная гигиена. 2008. Т. 1. № 3. С. 40–43.
9. Искра А. А., Бахуров В. Г. Естественные радионуклиды в биосфере. — М.: Энергоиздат. 1981. 124 с.
10. Вернов С. В., Вакулов С. Н., Горчаков Е. В., Логачев Ю. И. Радиационные пояса Земли и космические лучи. — М. 1970 г. 128 с.
11. Конопля Е. Ф., Гришевич С. В., Король Р. А. и соавт. Трансурановые элементы на территории Белоруссии // Радиационная биология и радиоэкология. 2009. Т. 49. № 4. С. 795–801.
12. Зотина Т. А. Распределение техногенных радионуклидов в биомассе макрофитов реки Енисей // Радиационная биология и радиоэкология. 2009. Т. 49. № 6. С. 729–737.