ПРИРОДНЫЙ РАДИАЦИОННЫЙ ФОН

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
ПРИРОДНЫЙ
РАДИАЦИОННЫЙ ФОН
Учебное пособие для вузов
Издательско-полиграфический центр
Воронежского государственного университета
2008
Утверждено научно-методическим советом физического факультета 12 ноября 2007 г., протокол №
Составители: М.Н. Левин, О.П. Негробов, В.Р. Гитлин, О.В. Селиванова,
О.А. Иванова
Рецензент д-р физ.-мат. наук, проф. В.А. Терехов
Учебное пособие подготовлено совместно на кафедре ядерной физики физического факультета и кафедре экологии и систематики беспозвоночных
животных биологического факультета Воронежского государственного
университета.
Учебное пособие подготовлено в обеспечение лекционного курса «Радиоэкология», читаемого для студентов 5 курса физического факультета по
специализациям «Физика ядра и элементарных частиц», «Ядерная физика»
и «Медицинская физика» а также для студентов 4 курса и магистров
6 курса биологического факультета в обеспечение лекционных поточных
курсов «Экология и рациональное природопользование» и «Экологические
проблемы наземных экосистем».
Для специальностей: 010701 – Физика;
020201 – Биология
2
Природный радиационный фон
Открытие Беккерелем излучения урана в 1896 году стало первым в
ряду открытий, показавших постоянное присутствие в окружающем мире
радиационного фона, непрерывно воздействующего на природу Земли.
Последующие три десятилетия исследований предоставили данные о содержании радионуклидов в земных породах, в атмосферном воздухе, в воде океанов, морей, озер, рек. Важным было обнаружение свойства субъектов органического мира – растений, животных и человека – накапливать в
себе радиоактивные вещества. Наличие в метеоритах радиоактивных элементов показало, что явление радиоактивности не ограничивается Землей,
но присуще и другим объектам Вселенной. Современная геофизика считает, что радиоактивный распад был причиной разогрева земных недр и дал
начало тектоническим и горообразовательным процессам на нашей планете, при этом на поверхности Земли в местах разломов коры образовывались области с аномально повышенным уровнем радиации. Установлено,
что первичный уровень радиоактивности на поверхности Земли был в 5 –
10 раз выше современного, затем он постепенно снижался за счет распада
короткоживущих радионуклидов [1].
Доза облучения от природных источников носит название природного,
или естественного, радиационного фона. Несмотря на малую величину естественного радиационного фона, интерес к нему велик и объясняется он
увеличением областей применения атомной энергии, радиоактивных изотопов и источников ионизирующего излучения. Расширение добычи минерального сырья связано с подъемом на поверхность Земли большой массы
горных пород, в том числе и с повышенным уровнем радиоактивности, что
сопровождается антропогенным загрязнением естественными радионуклидами больших территорий. Все указанное является причиной увеличения
круга людей (не только специалистов, но и населения), подвергающихся
3
воздействию возрастающих доз радиации, и интерес к радиационному фону связан, прежде всего, с решением вопроса: какие дозы облучения безопасны для человека и какие представляют реальную опасность? Разумеется, радиоактивные элементы на Земле возникли задолго до появления на
ней живых существ, и, следовательно, все живые существа, включая человека, с самого их зарождения непрерывно подвергались воздействию природного радиационного фона и на протяжении своего длительного развития сумели приспособиться к воздействию радиации в определенном диапазоне доз.
Внешнее и внутреннее облучение человека
Природный радиационный фон обусловлен источниками облучения,
находящимися как вне, так и внутри человека [28].
Источниками внешнего облучения человека являются радиоактивные
вещества, содержащиеся в почве, горных породах, воздухе, воде, строительных материалах, а также космические лучи. Внешнее облучение является следствием воздействия двух факторов, зависящих от места, а также
от условий проживания и вида деятельности человека.
К первому фактору можно отнести облучение от радиоактивных веществ земной коры с учетом местности проживания людей, а также от радиоактивных веществ, содержащихся в строительных материалах, из которых построены объекты жилищного, производственного и культурнобытового назначения. Сюда же относится и воздействие космического излучения, связанного с высотой местности над уровнем моря (сильная зависимость) и с географической широтой (более слабая зависимость). Облучение данного типа слабо меняется во времени, но зависит от местоположения.
Действие второго фактора определяется различными условиями жизни и видом деятельности людей, что приводит к большому диапазону доз
4
облучения. Ко второму фактору относится и облучение от вдыхаемого с
воздухом радона, которое зависит от геологических условий местности,
типа, этажности и вентиляции помещений, а также от характера труда
(внутри помещения или на открытом воздухе), условий на рабочем месте и
т. д. Радиоактивные вещества, находящиеся вне организма человека, являются источниками всех трех основных видов радиоактивных излучений:
альфа-, бета- и гамма-лучей. Малая проникающая способность альфа- и
бета-излучений приводит к тому, что их основная часть поглощается воздухом, органическими веществами на поверхности Земли, одеждой человека, внешними слоями строительных материалов и только незначительная
часть их попадает на тело человека, но и она поглощается поверхностным
слоем кожи. Поэтому при определении дозы в расчет принимается только
гамма-компонента, обладающая наибольшей проникающей способностью.
Известно, что за счет радиоактивных веществ, содержащихся в грунте и в
горных породах, человек получает в среднем дозу 1–2,4 мрад в неделю или
50–130 мрад в год. Меньшие значения доз получены над уровнем моря,
большие – над горными породами вулканического происхождения. Зимой
эта величина меньше, чем летом, так как слой снега в 30 см уже вдвое
снижает интенсивность γ-излучения [18].
Значительную часть жизни (более 80 % времени) люди проводят
внутри помещений. Соотношение между поглощенной в воздухе дозой
внутри и вне помещений зависит от типа здания, этажа и других факторов.
Наименее поглощают γ-излучение стены деревянных домов. Поглощение
наружного излучения наиболее сильное в домах из камня, бетона, кирпича,
и радиационный фон в таких помещениях определяется в основном излучениями радионуклидов, содержащихся в строительных материалах. Измерение радиационного фона внутри помещений показало, что в деревянных домах мощность дозы несколько меньше, а в кирпичных и бетонных
5
несколько больше, чем на открытом воздухе. Наибольшим фоном обладают помещения, построенные из материалов, содержащих гранит.
В атмосферном воздухе всегда присутствует небольшое количество
радиоактивных веществ γ-излучателей: радиоактивные аэрозоли, образующиеся при выветривании горных пород, и радиоактивные изотопы, образующиеся в воздухе при воздействии космических лучей. Доза радиации, создаваемая в воздухе всеми источниками, невелика и составляет в
среднем около 0,013 мрад в неделю.
За счет космических лучей для местности, расположенной в средних
широтах (широта 500), доза радиации составляет около 50 мрад в год на
уровне моря, значительно возрастая с высотой. На высоте 1 км над уровнем моря она возрастает до 90 мрад в год, а на высоте 5 км – 800 мрад
в год [5, 7].
Внутреннее облучение не зависит от вида деятельности человека, постоянно во времени и в пространстве и вызвано радиоактивными веществами, которые с воздухом, водой или пищей попадают внутрь человеческого организма, усваиваются им, входят в его состав и облучают его изнутри. Основную часть эффективной эквивалентной дозы внутреннего облучения дают источники земного происхождения и лишь небольшую
часть – космогенные радионуклиды.
К источникам внутреннего облучения относятся калий-40, содержащийся, в основном, в нервной и мышечной ткани, радий, откладывающийся в костной ткани, газообразные продукты распада радона, накапливающиеся в дыхательных путях, и радиоактивные изотопы углерода-14, рубидия-87, полония-210.
В табл. 1 [3] представлено содержание радиоактивных изотопов в теле человека (среднее значение для человека весом 75 кг).
6
Таблица 1
Содержание естественных радиоизотопов в теле человека
(среднее значение для тела человека массой в 75 кг)
Радиоактивный
изотоп
Места преимущественного
накопления
Радиоактивность,
кюри
Весь организм
Содержание
радиоактивного
изотопа (без
стабильного)
носителя, г
8 10-15
Тритий-3
Углерод-14
Жировая ткань
2 10-3
8,9 10-8
Калий-40
Нервная и мышечная ткань
8,3 10-2
6 10-7
Рубидий-87
Мышечная ткань
7 10-3
4,6 10-19
Торий-232
Костная ткань
7 10-5
7,9 10-12
Уран-235
Весь организм, почки
7 10-6
1,1 10-11
Уран-238
Костная ткань
7 10-4
2,4 10-10
Радий-226
Костная ткань
0,4–3,7 10-10
1,1 10-10
7,6 10-11
Особенно большую роль во внутреннем облучении организма играет
калий-40 [7]. Он активно поглощается организмом из окружающей среды,
усваивается им и участвует в обмене веществ вместе со стабильными изотопами калия, необходимыми для жизнедеятельности человеческого организма. Калий-40 из почвы через корневую систему поступает в растения и
затем с растительной пищей попадает в организм животных и человека.
Среди дикорастущих растений наиболее интенсивно идет процесс накопления калия у высших цветковых, несколько ниже он у голосемянных и
минимален у мхов и лишайников. Калий-40 является основным естественным бета-излучателем, содержащимся в теле любого представителя флоры
и фауны. В табл. 2 [7] показано содержание калия-40 в основных продуктах питания растительного и животного происхождения.
7
Таблица 2
Содержание калия-40 в основных продуктах питания
Продукт
Содержание калия
Удельная активность
Бк/кг (10-9 Ки/кг)
Пшеница
0,5
150 (4,0)
Рожь
0,6
176 (4,8)
Горох
0,9
274 (7,4)
Крупа гречневая
0,13
41 (1,1)
Картофель
0,45
130 (3,5)
Морковь
0,29
84 (2,3)
Лук
0,15
44,4 (1,2)
Огурцы
0,34
100 (2,7)
Лимоны
0,17
41 (1,14)
Клюква
0,15
44,4 (1,2)
Говядина
0,37
84 (2,3)
Свинина
0,1
33,3 (0,9)
Рыба
0,26
77,7 (2,1)
Икра
0,42
127 (3,4)
Молоко коровье
0,14
44,4 (1,2)
Масло сливочное
0,014
37 (0,1)
Активность калия-40 в организме человека составляет примерно 2 104 Бк.
Содержание калия в теле человека зависит от пола и возраста. Оно максимально у молодых мужчин и у пожилых женщин. Распределение калия в
различных органах и тканях тела и обусловленные излучением калия-40
мощности поглощенной дозы для взрослого мужчины приведены
в табл. 3 [5].
8
Таблица 3
Средняя концентрация калия-40 в тканях взрослого мужчины и годовые
поглощенные дозы, обусловленные этими радионуклидами
Орган или ткань
Концентрация активности, Бк/кг
Гонады
Весовое содержание элемента,
г/кг
2,1
64
Годовая поглощенная доза,
мкГр
180
Легкие
2,1
64
180
Красный костный
мозг
Эндостальные клетки
Щитовидная железа
Другие ткани
4,4
130
270
140
1,1
2,0
33
81
100
170
Значительный вклад в радиоактивность человека вносит углерод-14 –
около 3 103 Бк или 18 % общей поглощенной дозы от радионуклидов, которые поступают в организм по пищевой цепочке.
К характерным особенностям внутреннего облучения относятся:
1) при внутреннем облучении основное действие оказывают альфа- и
бета-излучения, непосредственно действующие на жизненно важные внутренние органы и ткани человека;
2) большинство радиоактивных изотопов накапливается в определенных тканях, что приводит к неравномерному облучению отдельных частей
организма;
3) внутреннее облучение действует все время, пока радиоактивные вещества находятся внутри организма.
Различные органы и ткани человеческого организма обладают различной чувствительностью к облучению. Наиболее чувствительными являются гонады – половые железы и органы кроветворения. Поэтому, помимо общей дозы облучения, получаемой человеком, определяют эталонную (реперную) дозу, получаемую гонадами. В табл. 4 представлены мощности доз внешнего и внутреннего облучения от естественных источников
9
в районах с нормальным фоном радиоактивности. В таблице отдельно
представлена доза, полученная за счет альфа-частиц и нейтронов, обладающих большей биологической эффективностью, чем гамма-лучи и бетачастицы [6].
Таблица 4
Годичные дозы, получаемые организмом человека в результате
внешнего и внутреннего облучения от естественных источников [6]
Источники облучения
Гонады,
мрад/год
Клетки,
выстилающие
поверхность
кости,
Костный
мозг,
мрад/год
мрад/год
Внешнее облучение:
космические лучи
излучение Земли (и воздуха)
Внутреннее облучение:
калий-40
рубидий-87
углерод-14
радий-226
радий-223
полоний-210
радон-222
Итого
% альфа-частиц и нейтронов
28
50
28
50
28
50
20
0,3
0,7
–
–
0,3
0,3
15
0,3
1,6
0,6
0,7
2,1
0,3
15
0,3
1,6
0,03
0,03
0,3
0,3
100
1,3
99
4,4
96
1,4
Установлено, что вклад внутреннего облучения (1,34 мЗв/год) в мощность эффективной эквивалентной дозы примерно в 2 раза превышает вклад
внешнего облучения (0,65 мЗв/год). Среди радионуклидов, дающих наибольший вклад в мощность дозы внутреннего облучения, на первом месте
стоят короткоживущие продукты распада радона-222 (около 60 %). Далее
идут калий-40 (13 %), радон-220 (13 %), и свинец-210 → полоний-210 (8 %).
Мощности доз, обусловленные космическим излучением и внешним облучением радионуклидами, примерно равны.
10
Для населения умеренных широт годовая эффективная эквивалентная доза равна примерно 2,2 мЗв/год за счет повышенного облучения населения продуктами распада радона и торона (около 1,5 мЗв/год при среднем
значении по земному шару 1,3 мЗв/год). Следует отметить, что фон внутри
помещения не вполне соответствует естественному фону. Это измененный
человеком естественный фон, который им регулируется. Он может быть
существенно снижен радиационным контролем и выбором строительных
материалов, а также эффективным использованием вентиляционных систем. В «чистом» виде годовая эффективная доза естественного фона составляет 0,74 мЗв/год [5].
Источники естественного радиоактивного фона
За естественную принимают радиоактивность неантропогенного характера (не связанную с деятельностью человека), т. е. не связанную с радиоактивными веществами, возникшими вследствие испытаний атомного
оружия, катастроф на объектах ядерной энергетики, развития атомной
промышленности и т. д.
Естественные радиоактивные вещества содержатся в малых количествах во всех оболочках и ядре Земли. Особое значение для человека имеют радиоактивные элементы биосферы – земной оболочки, где обитают
растения, животные и человек. В биосфере радиоактивные элементы рассеяны и только изредка встречаются в сколь-нибудь значительных количествах. Их возникновение связывают с образованием Земли. В период,
предшествующий образованию нашей планеты, существовали условия,
благоприятствующие возникновению радиоактивных элементов в веществе
Земли. В этот период времени и возникла основная масса радиоактивных
изотопов, в том числе долгоживущие, которые сохранились до настоящего
времени, и короткоживущие, к настоящему времени полностью распавшиеся.
11
В зависимости от происхождения все естественные радиоактивные элементы Земли делятся на три группы [2, 13, 16].
К первой группе относятся элементы, объединенные в три радиоактивных семейства. Кроме долгоживущих родоначальников этих семейств –
урана, тория и актиноурана, сюда входят продукты их распада, в том числе
и относительно короткоживущие – радий, радон и др. Количество радиоактивных элементов этой группы постепенно уменьшается в соответствии с
законом радиоактивного распада. Наиболее распространенным элементом
этой группы является уран. Природный уран является смесью трех изотопов – урана-238 (99,2 %), урана-235 (0,71 %) и урана-234 (0,006 %). Уран-238
и уран-235 являются родоначальниками двух радиоактивных семейств.
Один из продуктов распада урана-238 – радий-226. Несмотря на
сравнительно малый период полураспада (Т1/2 = 1600 лет), содержание радия в земной коре стабильно из-за его возобновления при распаде урана.
Радон-222 имеет малый период полураспада (Т1/2 = 3,8 дня) – радиоактивный газ, образующийся при распаде радия.
Торий-232 – один из самых долгоживущих радиоактивных изотопов
(Т1/2 = 10 млрд лет), имеет большее распространение в природе, чем уран,
родоначальник радиоактивного семейства [10, 11].
Вторую группу радиоактивных элементов Земли составляют радиоактивные элементы, не входящие в состав радиоактивных семейств. Их
возникновение относят к периоду образования Земли. Количество данных
элементов на Земле постепенно снижается за счет радиоактивного распада.
К этой группе относится калий, являющийся одним из самых распространенных элементов (более 1,1 % всех атомов, образующих земную кору).
Калий необходим для нормального развития растений и является неотъемлемой составной частью живых организмов и человека. Количество радиоактивного изотопа калия (калий-40) в природной смеси составляет
0,0119 %, а 1 г природного калия имеет активность около 30 Бк. Несмотря
12
на меньшую активность, чем у радия и урана, роль калия в природе из-за
его распространенности весьма велика.
Из других элементов этой группы интересен рубидий-87, имеющий
свойство накапливаться в некоторых растениях (1 л виноградного сока содержит 1 мг рубидия). Однако активность рубидия намного меньше, чем
калия-40.
К третьей группе естественно-радиоактивных веществ относятся
радиоактивные изотопы, которые возникают в атмосфере под действием
космических лучей. К таким изотопам относятся радиоактивный углерод-14,
фосфор-32 и некоторые другие. Количество этих изотопов в природе относительно невелико, и их активность не имеет существенного значения.
Естественный радиоактивный фон в основном формируется радионуклидами, содержащимся в горных породах, составляющих земную кору.
К ним относятся: калий-40, рубидий-87 и члены двух радиоактивных семейств: урана-238 и тория-232.
Калий-40 (Т1/2 = 1,4 млрд лет) встречается в виде трех изотопов – калий-39, калий-40 и калий-41, из которых радиоактивен только калий-40. Соотношение изотопов в составе природного калия соответствует: калий-39 –
93,08 %, калий-41 – 6,91 %, калий-40 – 0,01 %, причем он усваивается
любым организмом без изменения изотопного состава [5, 7, 14].
Таблица 5
Концентрация калия-40 в окружающей среде [20]
Источник
Концентрация калия-40, Бк/кг
Морская вода
12–15
Почва
37–1100
Известняк
30–100
Гранит
925–1200
13
Базальт
290–400
Песчаники
300–1000
Апатиты
44–170
Фосфатиты
230
Фосфатно-калийные удобрения
590
Изверженные породы
814–925
Глинистые сланцы
85–850
Азотно-фосфорно-калийные удобрения
1200–5900
Рубидий-87 (Т1/2 = 48 млрд лет) является химическим аналогом калия,
встречается всегда вместе с ним. Рубидий имеет два изотопа – стабильный
рубидий-85 и радиоактивный рубидий-87, который распространен в окружающей среде в микроколичествах. Это радионуклид с «мягким» бетаизлучением (с энергией 0,275 МэВ).
В природе уран состоит из трех изотопов, сильно различающихся периодами полураспада – уран-238 (Т1/2 = 4,5 млрд лет), уран-235 (Т1/2 = =
0,7 млрд лет) и уран-234 (Т1/2 = 250 тыс. лет). Поэтому, несмотря на то, что
содержание урана-234 (альфа-излучатель) в природной смеси во много раз
меньше, чем урана-238, он имеет меньший период полураспада и вносит
почти такой же вклад в облучение окружающей среды, как и уран-238 [5, 7].
14
Радиоактивный распад урана-238
Вид излучения
Нуклид
Период полураспада
Уран-23
4,47 млрд лет
торий-234
24,1 суток
протоактиний-234
1,17 минут
уран-234
245 000 лет
торий-230
8000 лет
радий-226
1600 лет
радон-222
3,823 суток
полоний-218
3,05 минут
свинец-214
26,8 минут
висмут-214
19,7 минуты
полоний-214
0,000164 секунды
свинец-210
22,3 лет
висмут-210
5,01 суток
полоний-210
138,4 суток
свинец-206
стабильный
Обычно природный уран наблюдается в мелкодисперсном состоянии
в микроколичествах в горных породах и почвах, а также во всех водных
источниках. Однако встречаются и обширные (на многие сотни и тысячи
квадратных километров) районы с повышенным содержанием урана во
всех компонентах био- и геоценозов. Подобные урановые провинции имеются в США (плато Колорадо, урановые месторождения в штатах Вайоминг, Дакота, Невада, Вашингтон), на западе Аргентины, вдоль Бразиль-
15
ского горного щита и на юге Африки, а также во Франции, в Чехии и Словакии. По данным на 1990 год на территории бывшего СССР было сосредоточено 45 % мировых запасов урана [4].
Таблица 6
Страны, обладающие запасами природного урана
Страна
Эксплуатируемые
Страна
запасы, тыс. т
Эксплуатируемые
запасы, тыс. т
США
530 (180)*
Алжир
15
Австралия
290 (10) *
Испания
10
ЮАР
250 (140) *
Япония
10
Канада
220 (20) *
Португалия
10
Нигер
160
Пакистан
10
Намибия
120
Мексика
10
Бразилия
75
Сомали
10 (10) *
Франция
40
Австрия
2
Габон
40
Турция
2
Индия
30
Заир
1
Аргентина
25
Швеция
1 (300) *
Центрально-
20
Африканская Республика
* Потенциально рентабельные запасы в тыс. т.
Лучшими аккумуляторами урана среди растений являются мхи
(3 ·10-3 г/кг золы). В организме млекопитающих уран накапливается, в основном, в костной ткани, причем более интенсивно идет процесс накопления в молодых организмах. Население Западной Австралии, проживающее
в районах с повышенной концентрацией урана и питающееся мясом овец и
кенгуру, получает дозы, в 75 раз превосходящие средний уровень [4, 17].
Из продуктов распада урана-238 вклад в формирование естественного
радиоактивного фона вносят полоний-210, радий-226, радон-222 и свинец-210.
16
Радий-226 (Т1/2 = 1600 лет) испускает альфа-излучение (с энергией
4,76 МэВ) и гамма-излучение (с энергией 0,187 МэВ). Он сопутствует урану в местах его накопления и встречается повсеместно. Сначала он активно накапливается в растениях и рыбе, откуда поступает в организм человека, откладываясь в основном в костях скелета, а также мягких тканях.
Рассеянный в земных породах радий-226 непрерывно распадается с
образованием радона-222 (Т1/2 = 3,8 суток). Это инертный газ, коротко живущий альфа-излучатель, который при распаде дает ряд дочерних, радиоактивных нуклидов, испускающих альфа-, бета- и гамма-лучи.
Радон и продукты его распада формируют естественную радиоактивность низших слоев атмосферы. Радон не вступает в химические связи с
другими элементами, но сравнительно хорошо растворим в воде и способен мигрировать на значительные расстояния, что создает благоприятные
условия для рассеяния в биосфере долгоживущих продуктов его распада –
свинца-210 и полония-210 [1, 4, 5].
В растения полоний-210 (Т1/2 = 140 суток) и свинец-210 (Т1/2 = 22 года)
попадают из почвы через корневую систему, а также через листья с дождевой влагой. При этом содержание свинца-210 в траве больше соотносится с
количеством осадков, чем с его содержанием в почве. Свинец-210 наиболее сильно аккумулируется лишайниками (содержание в 50 раз выше, чем
в высших растениях) и мхами (в 20–30 раз выше).
В районах Крайнего Севера в нашей стране, а также в Скандинавских странах, США и Канаде отмечается повышенная концентрация свинца-210 и полония-210 в пищевых цепочках и организме человека, что связано с пищевой цепочкой лишайник–олень–человек. Оленина – основной
источник мяса для оленеводов и коренных жителей этих районов, а из-за
длительного выпаса оленей на пастбищах с лишайниками, характеризующимися интенсивным накоплением свинца-210 и полония-210, мясо оленей отличается высокой концентрацией этих радионуклидов. Лишайники
17
не имеют корневой системы, поэтому свинец и полоний поступают в лишайники из воздyxa. Большая сорбционная способность фитомассы лишайников к содержащимся в воздухе свинцу и полонию и большая продолжительность жизни лишайников (свыше 300 лет) определяют в них высокую концентрацию свинца и полония. Период полуочищения лишайников от свинца и полония по расчетам равен 7 годам, т. е. эти радионуклиды
выводятся очень медленно.
Олень потребляет ежесуточно 3–4 кг лишайников, что приводит к
поступлению в его организм около 10 нКи свинца и полония. Концентрация свинца и полония в скелете оленя колеблется соответственно в
пределах 1,5–5,8 и 2,0–5,0 нКи/кг сырой массы. Количество полония в оленине в зависимости от сезона может изменяться в четыре раза, достигая
минимума ранней осенью, когда, помимо лишайников, в рационе значительное место занимают другие корма.
Поступление свинца в рацион коренных жителей в районах Крайнего
Севера превышает переход этого радионуклида для регионов с «нормальным» пищевым поступлением не очень значительно, а для полония оно
больше в среднем в десять раз (среднее поступление полония на Крайнем
Севере с пищевыми продуктами принимается равным 100 пКи/сут).
В областях с повышенной интенсивностью биогеохимической миграции свинца и полония (например, на Крайнем Севере) отмечается усиленное
накопление этих радионуклидов в костной ткани и легких жителей этих регионов, что обусловливает более высокие дозы облучения этих тканей
(в 23 раза выше средних значений). В крови, плаценте и гонадах коренных
жителей Крайнего Севера концентрация свинца и полония в 2–12 раз выше,
чем у жителей Западной Европы [2, 4].
Большое количество полония содержится в съедобных частях водных организмов: в мышцах рыб и моллюсках. С увеличением количества
18
морепродуктов в рационе питания (как, например, в Японии) поступление
свинца и полония в организм человека существенно повышается [17].
Вторым естественным радионуклидом после урана по распространению в природе является торий-232 (Т1/2 = 10 млрд лет). Сам торий обладает альфа-активностью (с энергией 3,95–4,05 МэВ), однако в зонах его
распространения естественный радиоактивный фон повышается за счет
электронов, испускаемых дочерними продуктами распада. Торий встречается и в виде крупных месторождений, и в рассеянном состоянии во всех
породах и водах. Его повышенное содержание обнаружено в Бразилии
(штаты Эспириту-Санту и Рио-де-Жанейро), в Индии (штаты Керала и Тамилнад), в горных районах Франции, Нигерии, Ирана, Италии, Мадагаскара; в почвах 33 штатов США и зоны Малого Кавказа и Азербайджана.
В приземном слое атмосферы концентрация тория сильно колеблется в зависимости от ее запыленности.
Из горных пород и почв торий-232 и продукт его распада радий-228
(Т1/2 = 6,7 лет) путем выщелачивания поступают в воду. Из почвы торий в
небольшом количестве поступает в растения. Исследования, проведенные
в Белоруссии (3), показали, что наилучшими аккумуляторами тория-232,
содержащегося в поверхностном слое, являются черника, вереск и лишайники. Среди животных максимальное содержание тория зафиксировано в
наземных моллюсках. Среди пищевых растений наиболее активно накапливают торий помидоры, далее следуют огурцы, сахарная свекла, горох,
капуста и столовая свекла. В организме человека торий накапливается в
костной и мягких тканях.
В морской воде торий-232 присутствует в очень малой концентрации, однако морские организмы накапливают его в значительном количестве [17, 26].
19
Космические излучения
Космические лучи были открыты немецким физиком В. Гессом
(1912) при исследовании роста радиоактивного фона с высотою над поверхностью Земли (барометрический эффект).
Космическое излучение включает излучение частиц, захваченных
магнитным полем Земли, галактическое космическое излучение и излучение Солнца [19].
Частицы, захваченные магнитным полем Земли, состоят в основном
из протонов и электронов. Захваченные частицы создают два радиационных пояса по обе стороны сферы радиусом, равным 2,8 радиуса Земли.
Верхний пояс имеет большую интенсивность и энергию излучения, чем
нижний. Энергия частиц: у электронов – до единиц МэВ, у протонов – до
нескольких сот МэВ. Различие в энергиях частиц определяется силой Лоренца, удерживающей частицы в радиационных поясах Земли, зависящей
от скорости частиц. При одинаковых скоростях более массивные протоны
имеют большую энергию. Захваченные частицы доз на поверхности Земли
не создают.
Галактическое космическое излучение в основном состоит из попадающих на Землю из Космоса протонов (79 %) и альфа-частиц (20 %) и небольшого количества ядер углерода, азота, кислорода и более тяжелых
ядер, наибольшее значение из которых имеют ионы железа с относительно
высокими интенсивностью и атомным числом. Источниками галактического космического излучения являются процессы, проходящие в дальнем
Космосе: звездные вспышки, взрывы сверхновых звезд и галактических
ядер, пульсарное ускорение и т. д. Диапазон энергий частиц галактического излучения составляет от 102 до 105 МэВ.
Входя в атмосферу, излучение взаимодействует с атомами азота, кислорода, аргона. Взаимодействие с электронами атомов происходит чаще,
чем с ядрами, но при этом высокоэнергетичные частицы теряют мало
20
энергии. При столкновении с ядрами частицы выбывают из потока первичного излучения, поэтому ослабление первичного потока обусловлено
ядерными реакциями.
Вторичные частицы сами обладают высокими энергиями и вызывают такие же ядерные реакции, т. е. формируется каскад реакций с образованием широких атмосферных ливней, являющихся вторичным космическим излучением, которое проникает в нижние слои атмосферы. Одна
первичная частица с высокой энергией (более 100 ТэВ) может вызвать ливень, включающий до десяти поколений реакций, сопровождающихся рождением миллионов новых частиц.
Таким образом, на высоте 25–30 км и выше (в стратосфере) преобладает первичное космическое излучение, а ниже в тропосфере (высота
10–15 км) – в основном вторичное.
Образование новых ядер и нуклонов происходит чаще всего в верхних слоях атмосферы. В нижних слоях поток ядер и протонов сильно ослабляется за счет ядерных взаимодействий и последующей ионизации. В
общей дозе на уровне моря этот поток весьма мал (единицы %).
Преобладание в ливневых потоках
-мезонов (около 80 %, осталь-
ное – К-мезоны) сопровождается быстрым распадом нейтральных пионов на
два гамма-кванта с последующим образованием электрон-позитронных пар,
комптоновских электронов и далее с рождением новых гамма-квантов.
При достижении вторичными электронами критической энергии (77 МэВ) и
преобладании ионизационных потерь процесс каскадных распадов прекращается. Заряженные пионы могут участвовать в столкновениях с ядрами, в
противном случае они распадаются с испусканием заряженных -мезонов.
-мезоны имеют большое время жизни, как лептоны, не участвуют в сильных взаимодействиях, рождаются с большими энергиями (0,2–20 ГэВ), обладают малыми сечениями взаимодействия с ядрами и малыми радиацион-
21
ными и ионизационными потерями. Поэтому основная часть образовавшихся -мезонов достигает поверхности Земли и составляет на уровне моря основную часть космического излучения.
Мощность вторичного космического излучения у поверхности Земли
изменяется в зависимости от высоты над уровнем моря: чем выше расположена территория, тем меньше слой экранирующей атмосферы и, соответственно, выше мощность вторичного космического излучения. Это явление называется барометрическим эффектом. По данным Э.Дж. Холла,
население Земли, проживающее на уровне моря, получает от космического
излучения эффективную эквивалентную дозу порядка 300 мкЗв в год, живущие на высоте выше 2000 м – в несколько раз больше. Еще более интенсивному, хотя и непродолжительному облучению подвергаются экипажи и
пассажиры самолетов [2].
Изменение мощности вторичного космического излучения происходит
и при удалении от экватора, т. к. уменьшается толщина тропосферы и ее экранирующее действие. Кроме того, траектория заряженных частиц космического излучения больше искривляется геомагнитным полем Земли в области
экватора, поэтому здесь к поверхности могут проникать только высокоэнергетичные частицы, а в полярных областях – и частицы сравнительно невысокой энергии. Это явление носит название широтного эффекта. Излучение
Солнца по своему составу аналогично галактическому излучению. Частицы
малых энергий генерируются на Солнце постоянно. В периоды вспышек генерируются мощные потоки более энергетичных (1–100 МэВ) частиц. В периоды солнечной активности интенсивность солнечного излучения превышает интенсивность галактического излучения. В этот период возросшее
магнитное поле Солнца отклоняет низкоэнергетическую компоненту галактического потока. В основном энергия солнечных частиц мала для прохождения через магнитное поле Земли, поэтому их вклад в излучение в ат-
22
мосфере меньше галактического даже в периоды солнечной активности
[12, 15, 16].
Космогенные радионуклиды
Другой составляющей естественного радиоактивного фона являются
возникающие в атмосфере и частично в литосфере в результате ядерных
реакций под действием космического излучения космогенные радионуклиды, которых известно около 20. Однако из них наибольший вклад в облучение вносят бета-активные изотопы: тритий (Т1/2 = 12 лет), который превращается, в основном, в тритированную воду и с осадками выпадает на
земную поверхность, участвуя в круговороте воды; углерод-14 (Т1/2 = 5730
лет) – вместе с обычным углекислым газом вовлекается в биотический
круговорот через фотосинтез; бериллий-7 (Т1/2 = 53 суток) – с дождевой водой поступает в растения и далее с зелеными овощами – в организм животных и человека; натрий-22 (Т1/2 = 2,6 лет) присутствует в биосфере в
значительно меньшем объеме.
Таблица 7
Годовые поступления космогенных радионуклидов человеку
и создаваемые ими дозы [15]
Тритий
Поступление,
Бк/год
250
Годовая эффективная доза,
мкЗв
0,004
Бериллий-7
50
0,002
Углерод-14
20000
12
Натрий-22
50
0,15
Нуклид
В межпланетном космическом пространстве находится большое количество метеоритов, имеющих размеры от мелких пылинок до больших
глыб каменного и железо-никелевого состава, содержащих, помимо прочего, и различные радиоактивные вещества. На Землю ежедневно выпадает в
23
среднем 13 · 103–18 · 103 т радиоактивного метеоритного вещества, что
также вносит свой вклад в природный радиационный фон (12, 15).
Облучение населения от естественных радиационных
источников
Основную дозу облучения от источников естественной радиации человек получает за счет земных источников (более 80 % годовой эффективной эквивалентной дозы). Причем большая ее часть приходится на внутреннее облучение. Внешнее облучение происходит в основном за счет
космического излучения. У живущих на высоте свыше 2 тыс. метров над
уровнем моря эта доза в несколько раз выше, чем у жителей низменных
участков. Еще большему облучению подвергаются экипажи и пассажиры
самолетов: мощность эффективной дозы на высоте 8 тыс. метров составляет 2 мкЗв/час, что в 62 раза больше, чем на уровне моря [1, 20].
Таблица 8
Дозы, образуемые космическим излучением, в различных районах мира [15]
Место
Ла Пас, Боливия
Мехико
Тегеран
Уровень моря
Среднемировая доза
Высота
над уровнем моря,
м
Ионизирующее
облучение,
мкЗв
Нейтроны,
мкЗв
Суммарная,
мкЗв
1120
530
330
240
300
600
190
70
20
55
1720
720
400
260
355
3900
2240
1180
0
Уровень ионизирующего излучения, обусловленный земными источниками, неодинаков для разных районов земного шара. Например, примерно 95 % населения Франции, Германии, Италии, Японии и США живет
в местах с повышенным радиационным фоном. Мощность дозы облучения
населения в этих странах составляет 0,3–0,6 мЗв/год.
24
Таблица 9
Годовые дозы фонового внешнего облучения для населения
отдельных городов России и городов стран ближнего зарубежья [6]
Город
Годовая доза,
мрад
45
Севастополь
60–80
Баку, Владивосток, Ереван,
Кишинев, Сочи, Якутск
Киев, Москва, Новосибирск,
Таллин, Тбилиси, Вильнюс
80–100
Ашхабад, Иркутск, Львов,
Минск, Рига
100–120
Душанбе, Санкт-Петербург,
Ташкент
120–140
Существуют области, где уровень естественной радиации значительно превышает средние значения. Например, эквивалентная доза, получаемая двенадцатитысячным населением курортного города Гуапари (Бразилия), достигает 175 мЗв/год, вблизи города Посус-ди-Калдас эта доза в
800 раз превосходит средний уровень и достигает 250 мЗв/год. На югозападе Индии (штаты Керала и Мадрас) расположена коса шириной в несколько сотен метров и длиной около 200 км, покрытая монацитовыми
песками с большим содержанием тория. Население этой территории составляет около 100 тыс. человек и получает эффективную эквивалентную
дозу в 50 раз больше средней годовой дозы внешнего облучения от земных
источников. В Иране близ города Рамсер, где много ручьев с большим содержанием радия, уровни радиации достигают 400 мЗв/год. Известны места с аномально высоким уровнем ионизирующего излучения во Франции,
Нигерии, России, на Мадагаскаре [1, 20].
25
Таблица 10
Дозы радиации, получаемой населением на открытом воздухе
в различных странах и районах Земли
Страна
Индия
Япония
США
Австрия
Польша
Италия
Швейцария
Германия
Индия (шт. Керала, 70 тыс. населения)
Бразилия (г. Гуарапари, город, 13 тыс. населения)
Бразилия (г. Гуарапари, пляж, 30 тыс.
ежегодно)
Доза радиации, ·10-8
Зв/час
3,8
4,2
4,6
5,0
5,8
7,8
8,0
9,0
140
170
2000
Примерно 2/3 эффективной эквивалентной дозы внутреннего облучения, получаемой человеком от естественных источников радиации, обусловливают радиоактивные вещества, попадающие в организм с пищей,
водой и воздухом. Небольшая часть этой дозы приходится на космогенные радионуклиды (углерод-14 и тритий), основная ее часть – на источники земного происхождения (калий-40).
Газообразные радионуклиды
Газообразные радионуклиды – инертные газы радон и тарон, выделяются при распаде широко распространенных нуклидов – радия и тория.
Долгое время им не придавали особого значения, но позже было установлено, что благодаря постоянному присутствию радона и его продуктов
распада в окружающем нас воздухе они достаточно сильно облучают при
дыхании поверхности легочных трахей и альвеол, а также поверхность кожи с многочисленными рецепторами. Оказалось, что их вклад в среднюю
26
эффективную дозу превышает вклад любого другого компонента естественного радиоактивного фона.
Почти половину годовой индивидуальной эффективной дозы облучения
от земных радиационных источников человек получает от радона. В природе
радон встречается в двух основных формах: радон-222, член радиоактивного
ряда урана-238, и радона-220, член радиоактивного ряда тория-232.
Радон – тяжелый, альфа-радиоактивный газ (в 7,5 раз тяжелее воздуха)
с периодом полураспада 3,8 суток. Концентрация радона в различных точках
Земли неодинаковая и зависит от геологических особенностей.
21,921,9%
%
42,5 %
42,5%
Излучения радона
и торона
Гамма-лучи
земного
происхождения
16,1
%
16,1%
Космическое
Космическое
излучение
излучение
19,5%
19,5 %
Внутренние
Внутреннее
излучатели
излучатели
Рис. 1. Относительный вклад различных составляющих естественного
радиоактивного фона в облучение населения
Основную часть этой дозы облучения от радона человек получает с
вдыхаемым воздухом, особенно в непроветриваемых или плохо проветриваемых помещениях. В зонах с умеренным климатом концентрация радона
в закрытых помещениях в среднем примерно в 8 раз выше, чем в наружном воздухе. В табл. 11 представлена зависимость концентрации радона от
качества жилых помещений.
27
Таблица 11
Концентрация радона в различных помещениях [20]
Тип помещения и условия вентиляции
Хорошо вентилируемые служебные помещения
с воздушным кондиционированием
Квартиры в кирпичных домах с воздушным кондиционированием
Квартиры деревянных домов
Кирпичные дома:
нижние этажи
верхние этажи
Каменные дома
Дома из шлаковых панелей
Подвальные этажи с плохой вентиляцией
Концентрация радона, пКи/л
0,06–0,35
0,01–0,19
0,03–1,7
1,5–2,9
0,7–1,0
2,3–5,8
4,0–8,0
3,6–7,8
Наиболее распространенные строительные материалы (дерево, кирпич и бетон) выделяют относительно мало радона. Гораздо большей удельной радиоактивностью обладает гранит. Использование в строительных
материалах отходов производства алюминия (кирпич из красной глины),
черной металлургии и таких побочных продуктов переработки фосфорных
руд, как кальций-силикатный шлак (при производстве бетона) и фосфогипс
(при изготовлении строительных блоков, сухой штукатурки, перегородок и
цемента), приводит к существенному увеличению концентрации радона в
строениях. К значительному повышению концентрации радона внутри помещений могут привести меры по экономии энергии, сопровождающиеся
снижением скорости вентилирования помещений. В 1970-х гг. в Швеции и
Финляндии обнаружены строения, внутри которых концентрация радона в
5 тыс. раз превышала среднюю его концентрацию в наружном воздухе. Так
называемая «Шведская проблема» объясняется тщательной герметизацией
помещений, относительно высоким выходом радона из земли при малоэтажности зданий и использовании глинозема в качестве добавки к строительным материалам [6]. В табл. 11 приведены удельные активности
и 232Th в различных строительных материалах, Бк · кг–1.
28
226
Ra
Таблица 12
Удельные активности Ra и Th в различных строительных
материалах, Бк · кг–1 [20]
226
232
226
Вид строительного материала
Ra
232
Th
Газобетон на основе квасцовых
глинистных сланцев
320–2620
24–115
Фосфогипс
24–555
3–22
Летучая зола
110–610
74–320
Цемент
9–168
4–81
Легкий заполнитель
36–195
37–182
Наполнитель бетона
(гравий, щебень, галька)
Кирпич
4–167
4–463
33–152
21–178
Шлаковый заполнитель
84–151
32–182
Газобетон на основе песка
7–130
4–155
Черепица
63–91
32–64
Бетон
11–80
9–105
Известковый кирпич
6–25
4–29
13–15
5–15
Штукатурка из природного гипса
1–13
1–12
Дерево
0,3–0,5
0,2–1,2
Изоляционный материал (каменный или
стеклянный войлок)
Вода является одним из источников обогащения радоном жилых помещений. Концентрация его в воде из глубоких колодцев или артезианских
скважин может достигать 100 млн Бк/м3. При кипячении воды радон в значительной степени улетучивается, поэтому основную опасность представляет попадание паров воды с высоким содержанием радона в легкие с вдыхаемым воздухом. Так, например, при приеме душа из водопроводной воды, содержащей 4,4 кБк · м–3 радона, его концентрация в воздухе ванного
помещения с 19 Бк · м–3 (до приема душа) возрастает после 3 мин до 1890,
29
а после 8 мин приема душа – до 3500 Бк · м–3 радона и 2400 Бк · м–3 дочерних продуктов распада.
Радон присутствует в значительных количествах в природном газе. В
процессе переработки и хранения газа перед отправкой потребителю концентрация в нем радона существенно снижается. Однако при сжигании газа концентрация радона в помещении может сильно возрасти при отсутствии нормальной вытяжки. Особенно недопустим обогрев помещений путем открытого сжигания газа в газовых плитах. Понятна необходимость
частого проветривания помещений, особенно кухни и ванной комнаты.
Присутствие вытяжки, имеющей прямой контакт с наружным воздухом,
обеспечивает пользование газом, не влияющее на концентрацию радона в
помещении [2, 20].
Радиоактивность воды естественных водоемов
и минерально-топливного сырья
Естественная радиоактивность морской воды в значительной мере
обусловлена долгоживущим радионуклидом калием-40 с периодом полураспада 1,3 млрд лет, а также (в меньшей степени) такими радионуклидами, как тритий, бериллий-7, углерод-14 и рубидий-87, постоянно образующимися в атмосфере под действием первичного космического излучения и выпадающими на поверхность Земли, в т. ч. в гидросферу. В небольшом количестве в морской воде присутствуют изотопы урана и некоторых других радиоактивных элементов. Естественная радиоактивность
пресной воды в целом несколько ниже, чем морской, за счет меньшего содержания в ней калия-40. Концентрация естественных радионуклидов в
озерах и реках сильно зависит от состава минеральных пород и почв на
площади водосбора. Отмечено более высокое содержание радона в грунтовых водах по сравнению с поверхностными (вода артезианских колодцев и
питьевая вода городских водопроводов, использующих грунтовые воды).
30
С высоким содержанием радона отмечена вода артезианских колодцев в
Финляндии и США. В городе Ханкок (штат Мэн, США) в питьевой воде
средняя концентрация радона составляла до 1400 Бк/м3, в Хельсинки и
Вантаа (Финляндия) концентрация радона – около 1200 Бк/м3. Для сравнения: в Зальцбурге (Австрия) – 1,5 Бк/м3 . Наибольшая удельная радиоактивность питьевой воды отмечена на уровне 100 млн Бк/м3, наименьшая – 0.
По оценкам ООН около 1 % жителей Земли потребляют воду с удельной активностью более 1 млн Бк/м3 и не менее 10 % – с концентрацией радона
более 100 000 Бк/м3. При кипячении воды радон улетучивается, поэтому
кипячение воды не только улучшает ее гигиенические показатели, но и
снижает внутреннее облучение организма.
Каменный уголь, используемый для отопления и получения электроэнергии, является одним из источников естественной радиации. В основном, уголь содержит меньше радионуклидов, чем в среднем земная кора
(1 кг угля содержит до 50 Бк урана, около 300 Бк тория, 70 Бк калия-40 и
других радиоактивных элементов), но при его сжигании большая часть его
минеральных компонентов спекается в шлак или золу, куда главным образом и попадают радиоактивные вещества. Основная часть золы и шлак остаются на дне топки. Более легкая зольная пыль выносится тягой в трубу
электростанции и загрязняет близлежащие территории. Количество этой
пыли зависит от качества очистных устройств. Выбросы летучей золы могут загрязнять почву в радиусе нескольких десятков километров от ТЭС.
На приготовление пищи и отопление частных жилых домов расходуется всего около 10 % производимого в мире угля, но из-за отсутствия золоулавливания, низкой эффективности сгорания и малой высоты труб
большое количество зольной пыли летит в воздух и в пересчете на единицу
топлива вклад этого источника в суммарный выброс естественных радионуклидов в окружающую среду сопоставим с вкладом выбросов ТЭС.
31
Антропогенное загрязнение естественными радионуклидами может
возникнуть при извлечении и переработке многих полезных ископаемых
[21, 22]. Например, добыча фосфатов для производства удобрений ведется
во многих местах земного шара, но большинство фосфатных месторождений содержит уран. В процессе добычи и переработки руды выделяется
радон, да и сами удобрения радиоактивны. Радиоактивное загрязнение
пищевых культур изотопами, проникающими из почвы, бывает обычно незначительным, но возрастает при внесении удобрений в землю в жидком
виде. Систематическое применение удобрений приводит к увеличению
концентрации естественных радионуклидов в водоемах (воде, донных отложениях, водных организмах) на всей территории водосбора [21, 22].
Природный радиационный фон и эволюция [1]
Согласно общепринятой гипотезе
видного советского ученого
А.И. Опарина, возникновению жизни на Земле предшествовал длительный
период абиогенного синтеза простых и высокополимерных веществ, на основе которого произошел переход от неживого к живому. Речь идет о веществах, в основе которых лежит углерод. Только углерод благодаря своим уникальным свойствам способен образовывать линейные и пространственные каркасы углеродных цепей, а также прочные ковалентные связи с
водородом, азотом и кислородом. Углеводороды, ставшие источником углерода, могли образовываться в большом количестве в результате геологических процессов. Но для синтеза веществ, предшествующих образованию
жизни, необходимы мощные источники энергии, т. к. сами по себе углеводороды достаточно инертны. Долгое время согласно традиционным представлениям таким источником считалось коротковолновое ультрафиолетовое излучение. Однако в настоящее время все большее количество сторонников приобретает гипотеза о том, что ведущую роль в нарушении инертности углеводородов сыграла ионизирующая радиация. Установлено, что
32
эволюция шла не по всему земному шару одновременно, а была приурочена к разломам земной коры, где возникали источники ионизирующих излучений значительной мощности. Ионизирующее излучение обладает самой большой энергией, значительно превышающей энергию любой химической связи. Это способствовало образованию свободных радикалов, обладающих свободными валентностями и имеющих высокую реактивность,
что давало богатый материал для последующего синтеза аминокислот, полипептидов, нуклеотидов. Большую роль играла ионизирующая радиация
и в дальнейшей эволюции живых организмов. Как известно, мутации, изменения структуры ДНК и связанное с этим изменение свойств организма
дают большой исходный материал для последующего естественного отбора – основного фактора эволюции жизни. Мутагенное действие ионизирующего излучения было открыто в 1925 г. отечественными учеными
Г.А. Надсоном и Г.С. Филипповым и сразу же поставило на повестку дня
науки вопрос о влиянии ионизирующей радиации окружающей среды на
скорость спонтанного мутагенеза.
Расчеты Н.П. Дубинина (1961) показали, что у такого радиочувствительного организма, как организм человека, с продолжительностью репродуктивного периода примерно в 30 лет естественный фон радиации может
вызывать до 25 % общего числа спонтанных мутаций.
Если принять во внимание, что в первый миллиард лет развития простейших форм жизни радиоактивный фон был выше современного, а временами (на протяжении десятка тысячелетий) из-за вспышек сверхновых
звезд повышался в сотни, а может быть, и в тысячи раз, то нам будет ясно,
что вклад радиации как постоянно действующего мутагенного фактора в
начальный период эволюции трудно переоценить. Весьма вероятно, что
первичные формы жизни, еще эволюционно не выработавшие современных систем защиты и восстановления генетических структур от мутагенного действия радиации, были значительно радиочувствительней, чем со33
временные виды, что также повышало роль этого фактора в развитии жизненных форм. Легко возникающие под влиянием радиации в окружающей
среде различные перекиси (перекись водорода, органические перекиси,
эпоксиды, гидроперекиси) и хиноны являлись теми первыми химическими
мутагенами, вклад которых в эволюцию также был связан с наличием
ядерной радиации [8].
Чтобы получить правильное представление о роли ионизирующей
радиации в эволюции жизни на нашей планете, нельзя забывать, что радиационная обстановка претерпевала значительные изменения и во времени (2,5 млрд лет) и в пространстве нашей планеты. По-видимому, с этим
были тесно связаны вспышки повышенной мутабильности, ведущие к усиленному новому видообразованию и вымиранию видов, не выдерживающих высоких уровней радиации [29].
Палеонтология в развитии жизни на Земле отмечает несколько периодов вспышек и вымирания. Ярким примером является палеозойская эра,
характеризующаяся невиданным расцветом гигантских земноводных, рептилий и ящеров, длившаяся двести миллионов лет и закончившаяся массовым вымиранием и исчезновением с лица Земли характерных для нее форм
животных. Существует гипотеза, высказанная в 1957 г. И.С. Шкловским и
В.И. Красовским, что в конце палеозоя на расстоянии 5–10 парсеков от
Солнца вспыхнула сверхновая звезда. Это вызвало в конце мелового периода стойкое увеличение космической радиации, что за несколько десятков тысяч лет привело к вымиранию таких радиочувствительных форм
рептилий, как динозавры и др. В течение всего этого времени шел отбор по
радиоустойчивости. Известно, что мелкие рептилии, дожившие до наших
дней, характеризуются большой радиустойчивостью (Д50/50 для рептилий
сегодняшнего дня 5–20 крад, при радиочувствительности позднее возникших млекопитающих 0,2–0,7 крад). Около 200 млн лет потребовалось для
начала новой эры палеогена, когда вновь от сравнительно простых форм
34
начала свое развитие уже современные фауна и флора (около 10 млн лет
тому назад) [19].
На основании своих обширных ботанико-географических исследований Николай Иванович Вавилов пришел к выводам, что видообразование как
диких, так и культурных растений приурочено к определенным регионам
Земли, что в прошлом оно происходило не равномерно в пространстве, а было локализовано в определенных мировых центрах. В своей работе «Ученые о
происхождении культурных растений после Дарвина» Н.И. Вавилов писал,
что, рассматривая вопрос об эволюции видов с географической точки зрения,
Дарвин без колебания пришел к признанию связи возникновения видов с определенной единой областью. Систематизируя огромный материал своих
экспедиций, Вавилов дал географическую картину первичных областей видообразования и подчеркнул, что эти области приурочены преимущественно
к горным и предгорным районам. На рис. 2 даны центры формообразования
главнейших растительных культур, выявленные Вавиловым, нанесенные на
карту крупных урановых месторождений [К.М. Лаверов и др., 1983]
с повышенным уровнем природной радиации. Полученные совпадения, повидимому, не случайны. Особенно ярко проявляются они в Центральной и
Южной Америке. Вавилов выявил центр видообразования в Центральной
Америке – горный южномексиканский, и видно, что он совпадает с расположеными в этом районе крупными урановыми провинциями Лайв-Ок, Карнс,
Буэна-Виста, Британская Колумбия и Сьерра-Пена-Бланка.
В Южной Америке Вавилов отметил три центра видообразования,
приуроченные к Андийскому хребту, по которому расположены урановые
провинции Сантадер в Колумбии, Сьерра-Пампа в Аргентине и Чили, Альтиплано в Боливии. С урановыми провинциями совпадают и центры видообразования в Иране, Афганистане, Пенджабе, южных отрогах Гималаев,
северо-западной Индии. Повышенная радиоактивность была не единственной причиной бурного видообразования в перечисленных районах Зем35
ли, однако, зная о влиянии ионизирующей радиации на мутагенез, полиплоидию, иммунную несовместимость при гибридизации, значительный
вклад природного радиоактивного фона в видообразование и эволюцию на
нашей планете является очевидным.
На основании тщательных исследований процессов накопления урана
в осадочных породах и широкого анализа данных палеонтологии отечественный биолог С.Г. Неручев установил, что в течение миллиардов лет эволюции жизни в среде обитания в связи с изменениями тектономагматической активности, развитием рифтовых систем, изменениями
климата возникали эпохи повышенного содержания урана на поверхности
Земли и в водах Океана. Отличались наиболее сильным радиоактивным
фоном эпохи: поздний девон – ранний карбон; поздняя юра – ранний мел;
поздний карбон; поздний мел; поздняя пермь; средний – поздний эоцен.
Как влиял рост концентрации урана в водах Океана на живые организмы?
Современные исследования показывают, что небольшие дозы радиации оказывают стимулирующее действие на размножение и развитие
многих простейших организмов. Поэтому начало эпохи уранонакопления
знаменовалось усиленным размножением фито- и зоопланктона, увеличением биомассы Океана [27].
Одновременно с размножением живые организмы поглощают, концентрируют в себе урановые соли из окружающей среды, что ведет к их
еще большему облучению, сопровождающемуся усиленным мутагенезом.
Как проследил С.Г. Неручев, эпохи уранонакопления характеризуются усиленным видообразованием. В связи с этим он пишет: «Представления Ж. Кювье о наличии в истории Земли кратковременных революционных эпох значительного изменения органического мира в принципе оказываются правильными. Ж. Кювье был прав не только относительно революционных переворотов, приводивших к значительной смене фауны и
флоры, но и совершенно правильно указал три из них – поздне-пермский,
36
позднеюрский и позднеэоценовый, т. е. как раз периоды бурного уранонакопления».
Дальнейшая концентрация урана в живых организмах приводила к
повышению их облучения, что неминуемо должно было привести к массовому вымиранию этих организмов, богатых ураном. Установлено, что осадочные породы, образующиеся после вспышки уранонакопления в водах
Океана, характеризуются одновременно увеличивающимся содержанием
урана и органического вещества [23].
Неравномерность развития органического мира, на которую обращали внимание в своих работах отечественные ученые – В.И. Вернадский,
Л.С. Берг, В.В. Меннер и др., в настоящее время связывается с неравномерными периодами роста радиоактивного фона на Земле. Меняющийся
радиоактивный фон нашей планеты влиял на возникновение новых форм
жизни, на интенсификацию процессов видообразования фауны и флоры.
Современная радиобиология констатирует факт тесной связи между радиоустойчивостью организма и его способностью выживать в неблагоприятных условиях среды, отмечая при этом, что длительное нахождение организмов в среде с повышенной радиоактивностью ведет к
появлению новых радиоустойчивых форм [24, 25].
В эпохи повышенной радиоактивности массовое вымирание радиочувствительных форм сопровождается образованием новых радиоустойчивых форм, причем последние могли завоевать новые ареалы жизнеобитания с менее благоприятными условиями, будучи более резистентными к
этим условиям.
Природный радиоактивный фон, претерпевая резкие изменения как во
времени, так и в пространстве, за миллиарды лет существования нашей
планеты внес весомый вклад как в абиотическую, так и биотическую эволюции ее биосферы [1, 29].
37
38
Рис. 2. Сопоставление крупных урановых месторождений (1) с выявленными Н.И. Вавиловым очагами видообразования (2)
ЛИТЕРАТУРА
Основная литература
1. Кузин А.М. Природный радиоактивный фон и его значение для биосферы Земли / А.М. Кузин. – М. : Наука. – 1991. – 115 с.
2. Радиация: дозы, эффекты, риск / пер. с англ. Ю.А. Банникова. – М. :
Мир, 1988. – 80 с.
3. Резвая Г.Л. Радиация вокруг нас / Г.Л. Резвая. – Минск : Наш город,
1998. – 128 с.
4. Ядерная энциклопедия. – М. : Б.и., 1996. – 594 с.
5. Зеленков А.Г. Некоторые вопросы радиационной экологии / А.Г. Зеленков. – М. : МИФИ, 1990. – 80 с.
6. Барабой В.А. Ядерные излучения и жизнь / В.А. Барабой,
Б.Р. Кири-
чинский. – М. : Наука, 1972. – 232 с.
7. Савенко В.С. Радиоэкология : учеб. пособие для студ. вузов / В.С. Савенко. – Минск : Дизайн ПРО, 1997. – 208 с.
8. Радиационная биология. Радиоэкология / РАН. – М. : Наука, 1963. – 164 c.
9. Радиобиология / под ред. А.Д. Белова. – М. : Колос, 1999. – 135 с.
10. Бак З. Основы радиобиологии: пер. с англ. / З. Бак, П. Александер. –
М. : Изд-во иностранной литературы, 1963. – 256 c.
11. Алексахин Р.М. Тяжелые естественные радионуклиды в биосфере /
Р.М. Алексахин [и др.]. – М. : Наука, 1990. – 134 c.
12. Кудряшов Ю.Б. Основы радиационной биофизики : учебник /
Ю.Б. Кудряшов, Б.С. Беренфельд. – М. : Изд-во МГУ, 1982. – 230 с.
Дополнительная литература
13. Трансурановые элементы в окружающей среде / под ред. У.С. Хенсона. – М. : Энергоатомиздат, 1985. – 112 с.
14. Тюрюканова Э.Б. Ландшафтно-химические аспекты поведения радиоэлементов в биосфере. Современные проблемы радиобиологии : в 2 т. /
39
Э.Б. Тюрюканова ; под ред. В.М. Клечковского, Г.Г. Поликарпова,
Р.М. Алексахина. – М. : Атомиздат, 1971. – Т. 1 : Радиоэкология. – 348 с.
15. Василенко О.И. Радиационная экология / О.И. Василенко. – М. : Медицина, 2004. – 216 с.
16. Перцов Л.А. Ионизирующее излучение биосферы / Л.А. Перцов. – М. :
Атомиздат, 1973. – 140 с.
17. Поликарпов Г.Г. Радиоэкология морских организмов / Г.Г. Поликарпов. – М. : Атомиздат, 1964. – 254 с.
18. Нахутин А.И. Радиация у вас дома и на улице / А.И. Нахутин. – М. :
Машиностроение, 1996. – 126 с.
19. Мирошниченко Л.И. Динамика радиационных условий в космосе /
Л.И. Мирошниченко, В.М. Петров. – М. : Энергоиздат, 1985. – 188 с.
20. Кузин А.М. Проблемы современной радиобиологии / А.М. Кузин. – М. :
Знание, 1987. – 64 с.
21. Куликов Н.В. Радиоэкология пресноводных растений и животных. Современные проблемы радиобиологии : в 2 т. / Н.В. Куликов. – М. : Атомиздат, 1971. – Т. 2. – 196 с.
22. Куликов Н.В. Континентальная радиоэкология / Н.В. Куликов,
И.В. Молчанова. – М., 1975. – 208 с.
23. Криволуцкий Д.А. Действие ионизирующей радиации на биогеоценоз /
Д.А. Криволуцкий [и др.]. – М. : Наука, 1988. – 172 с.
24. Коггл Дж. Биологические эффекты радиации: пер. с англ. / Дж. Коггл. –
М., 1986. – 306 с .
25. Ильенко А.И. Экология животных в радиационном биогеоценозе /
А.И. Ильенко, Т.П. Крапивко. – М. : Наука, 1989. – 204 с.
26. Ионизирующее излучение: источники и биологические эффекты. Доклад НКДАР ООН Генеральной Ассамблее за 1982 г. / пер. с англ. – НьюЙорк, 1982. – 38 с.
40
27. Действие ионизирующей радиации на биогеоценоз / отв. ред. М.С. Гиляров, Р.М. Алексахин. – М. : Наука, 1988. – 152 с.
28. Барабой В.А. Ионизирующая радиация в нашей жизни / В.А. Барабой. –
М. : Наука, 1991. – 216 с.
29. Черненко Л.П. Естественный радиационный фон – фундаментальное условие существования живого вещества на планете / Л.П. Черненко. Препринт
Объединенного института ядерных исследований. – Дубна, 2000. – 12 с.
41
ПРИЛОЖЕНИЯ
1. Десятичные приставки к названиям единиц
Г – гига (109)
М – мега (106)
к – кило (103)
д – деци (10–1)
с – санти (10–2)
м – милли (10–3)
мк – микро (10–6)
н – нано (10–9)
п – пико (10–12)
ф – фемто (10–15)
а – атто (10–18)
Некоторые внесистемные единицы
1 атм = 101,3 кПа
1 мм рт. ст. = 133,3 Па
1 бар = 100 кПа
1 год = 3,11·107 с
1 кал = 4,18 Дж
1 эВ = 1,6·10–19 Дж =1,6·10–12 эрг
6·10–24 г = 931,4 МэВ
2. Плотности веществ
Твердые
вещества
ρ, г / см3
Твердые
вещества
ρ , г / см3
1,74
2,7
Магний
Молибден
Барий
3,75
Натрий
0,97
Бериллий
1,85
Никель
8,9
Ванадий
5,87
Олово
7,4
Вольфрам
19,1
Платина
21,5
Графит
1,6
Пробка
0,20
Железо (сталь)
Золото
7,8
Свинец
11,3
19,3
Серебро
10,5
Калий
0,86
Титан
4,5
Кадмий
8,65
Уран
19,0
Кобальт, медь
8,9
Фарфор
2,3
Цезий
1,87
Алмаз
3,5
Алюминий
Лед
0,916
42
10,2
Бензол
0,88
Газы (при нормальных
условиях)
Азот
Вода
1,00
Аммиак
0,77
Глицерин
1,26
Водород
0,09
Касторовое масло
Керосин
0,90
Воздух
1,293
0,80
Кислород
1,43
Ртуть
13,6
Метан
0,72
Спирт
0,79
Углекислый газ
1,98
Тяжелая вода
1,1
Хлор
3,21
Эфир
0,72
ρ , г / см3
Жидкости
ρ , г / см3
1,25
Энергия,
МэВ
3. Коэффициенты ослабления и поглощения γ-излучения
μ/ρ
τ/ρ
μ/ρ
τ/ρ
μ/ρ
τ/ρ
μ/ρ
τ/ρ
0,1
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,5
2,0
3,0
4,0
6,0
8,0
10,0
0,169
0,122
0,0927
0,0779
0,0683
0,0614
0,0500
0,0431
0,0360
0,0310
0,0264
0,0241
0,229
0,0371
0,0275
0,0287
0,0286
0,0278
0,0269
0,0246
0,0227
0,0201
0,0188
0,0174
0,0169
0,0167
5,46
0,942
0,220
0,119
0,0866
0,0703
0,0550
0,0463
0,0410
0,0421
0,0436
0,0458
0,0489
2,16
0,586
0,136
0,0684
0,0477
0,0384
0,0280
0,0248
0,0238
0,0253
0,0287
0,0310
0,328
0,171
0,137
0,106
0,0896
0,0786
0,0706
0,0590
0,0493
0,0390
0,0339
0,0275
0,0240
0,0219
0,0253
0,0299
0,0328
0,0329
0,0321
0,0310
0,0283
0,0260
0,0227
0,0204
0,0178
0,0163
0,0154
0,155
0,123
0,0953
0,0804
0,0706
0,0635
0,0515
0,0445
0,0360
0,0307
0,0250
0,0220
0,202
0,0233
0,0269
0,0295
0,0295
0,0288
0,0276
0,0254
0,0236
0,0211
0,0193
0,0173
0,0163
0,0156
Алюминий
Свинец
Вода
Воздух
Здесь: μ/ρ и τ/ρ – массовые коэффициенты ослабления (для узкого пучка) и
поглощения, см2/г.
43
1. Единицы радиоактивности и дозы
Единица активности радионуклида – 1 Бк (беккерель), соответствует одному распаду в секунду, 1 Бк = 1 расп./с.
Внесистемная единица = 1 Ки (кюри), 1 Ки – 3,700 – 1010 Бк.
Экспозиционная доза фотонного излучения – 1 Кл/кг (кулон на килограмм), соответствует образованию полного заряда 1 Кл ионов одного
знака в 1 кг воздуха, 1 Кл/кг эквивалентен поглощенной энергии 34 Дж на
1 кг воздуха.
Внесистемная единица – 1 P (рентген), соответствует образованию в
1 см3 воздуха при нормальных условиях 1 СГСЭ заряда каждого знака, т. е.
2,08 · 109 пар ионов, 1 Р эквивалентен поглощенной энергии 0,113 эрг в
1 см3 воздуха при нормальных условиях.
Мощность экспозиционной дозы измеряют в Кл/(кг · с) и Р/с.
Поглощенная доза – 1 Гр (грэй), соответствует энергии 1 Дж, переданной излучением 1 кг вещества, 1 Гр = 1 Дж/кг.
Внесистемная единица – 1 рад (рад), соответствует поглощенной
энергии 100 эрг на 1 г вещества.
Мощность поглощенной дозы измеряют в Гр/с и рад/с.
Эквивалентная доза – 1 Зв (зиверт), соответствует поглощенной
тканью дозе излучения, биологически эквивалентной дозе 1 Гр фотонного
излучения.
Внесистемная единица — 1 бэр (бэр), соответствует поглощенной
биологической тканью дозе, биологически эквивалентной дозе 1 рад фотонного излучения.
Мощность эквивалентной дозы измеряют в Зв/с и бэр/с.
Соотношение между эквивалентной и поглощенной дозами:
D экв = K ⋅ D ,
где К – коэффициент качества излучения.
44
5. Соотношение между единицами радиоактивности и дозы
Величина
Активность А
Название и обозначение
единицы
Внесистемные
Единицы СИ
единицы
Беккерель (Бк),
Кюри (Ки)
1 Бк = 1 расп./с
Связь между единицами
1 Ки = 3,7 · 1010Бк
Экспозиционная доза Dэкс
Кулон на килограмм (Кл/кг)
Рентген (Р)
1 Р =258 мкКл/кг
Поглощенная
доза D
Грей (Гр),
1 Гр = 1 Дж/кг
Рад (рад)
⎧100 эрг / г
1 рад = ⎨
⎩1 / 100 Гр
Эквивалентная доза Dэкв
Зиверт (Зв),
1 Зв = 1 Гр/ К
Бэр (бэр)
⎧1 рад / К
1 бэр = ⎨
⎩1 / 100 Зв
Мощность
экспозиционной дозы
Ампер на килограмм (А/кг)
Рентген в секунду
(Р/с)
1 Р/с = 2,58 10-4А/кг
Мощность поГрей в секунду
глощенной
(Гр/с)
дозы
Рад в секунду
(рад/с)
1 рад/с = 1/100 Гр/с
Мощность эквивалентной
дозы
Зиверт в секунду (Зв/с)
Бэр в секунду
(бэр/с)
1 бэр/c = 1,100 Зв/с
Интегральная
доза
Грэй ·кг (Гр · кг)
Рад · грамм
(рад · г)
1 рад · г = 10-5 Гр · кг
Здесь К – коэффициент качества излучения.
45
6. Основные физические константы
Скорость света в вакууме
c = 2,998 ⋅ 108 м / с
Стандартное ускорение свободного падения
g
9,807 м / с 2
N A = 6,022 ⋅ 1023 моль−1
Постоянная Авогадро
V0
Стандартный объем моля газа
R
Молярная газовая постоянная
22,41 л / мол ь
8,341 Дж/ K мо л ь
−19
⎧
Кл
⎪ 1,602 ⋅ 10
e=⎨
⎪ 4,803 ⋅ 10−10 СГСЭ
⎩
Элементарный заряд электрона
⎧ 0,911 ⋅ 10 −30 кг
⎪
me = ⎨
⎪⎩ 0,511 МэВ
Масса электрона
⎧ 1,76 ⋅ 1011 Кл / кг
⎪
e / me = ⎨
⎪ 5,27 ⋅ 1017 СГСЭ / г
⎩
Удельный заряд электрона
m p = 1,672 ⋅ 10 −27 кг
Масса протона
⎧ 1,76 ⋅ 1011 Кл / кг
⎪
e / me = ⎨
⎪ 5,27 ⋅ 1017 СГСЭ / г
⎩
Удельный заряд протона
h = 6,626 ⋅ 10 −34 Дж ⋅ с
−34
h ⎪⎧ 1,0546 ⋅ 10 Дж ⋅ с
==
=⎨
2π ⎪⎩ 0,659 ⋅ 10−15 эВ ⋅ с
Постоянная Планка
46
R = 2,07 ⋅ 1016 c −1
Постоянная Ридберга
R ' = R / 2π c = 1,097 ⋅ 105 см −1
r1 = 0,529 ⋅ 10 −10 м
Первый боровский радиус
Энергия связи электрона в атоме водорода
E = 13,56 эВ
Комптоновская длина волны электрона
λC = 2,426 ⋅ 10−12 м
C = λC / 2π = 3,86 ⋅ 10−13 м
re = 2,82 ⋅ 10−15 м
Классический радиус электрона
−23
⎧
Дж / Тл
⎪ 0,9274 ⋅ 10
μБ = ⎨
⎪ 0,9274 ⋅ 10−20 эрг / Гс
⎩
Магнетон Бора
⎧⎪5,051 ⋅ 10 −27 Дж / Тл
μЯ = ⎨
⎪⎩5,051 ⋅ 10 −24 эрг / Гс
Ядерный магнетон
μ е =1,00116 μ Б
μ p = 2,7928 μ Я
Магнитный момент электрона
протона
нейтрона
дейтрона
μ n = − 1,913 μ Я
μ d = 0,8574 μ Я
g е = 2,0022
g P = 5,5855
g n = − 3,8263
g d = 0,8574
Гиромагнитный множитель
электрона
протона
нейтрона
дейтрона
⎧ 1,660 ⋅ 10−27 кг
⎪
1 а.е.м. = ⎨
⎪⎩ 931,5 МэВ
Атомная единица массы
ε 0 = 0,885 ⋅ 10−11 Ф / м
1/ 4πε 0 = 9 ⋅ 109 м / Ф
Электрическая постоянная
μ0 = 1,257 ⋅ 10−6 Гн / м
Магнитная постоянная
μ 0 / 4π = 10 −7 Гн / м
47
48
49
50
СОДЕРЖАНИЕ
Природный радиационный фон……………………………...……....3
Внешнее и внутреннее облучение человека………………………...4
Источники естественного радиоактивного фона…………………..11
Космические излучения……………………………………………..20
Космогенные радионуклиды………………………………………..23
Облучение населения от естественных
радиационных источников…………………………………………24
Газообразные радионуклиды……………………………………….26
Радиоактивность воды естественных водоемов и
минерально-топливного сырья……………………………………..30
Природный радиационный фон и эволюция………………………32
Литература……………………………………………………......….39
Приложения…………………………………………………….....…42
51
Учебное издание
ПРИРОДНЫЙ
РАДИАЦИОННЫЙ ФОН
Учебное пособие для вузов
Составители:
Левин Марк Николаевич,
Негробов Олег Павлович,
Гитлин Валерий Рафаилович,
Селиванова Ольга Владимировна,
Иванова Оксана Александровна
Подписано в печать
Формат 60×84/16. Усл. печ. л. 3,0.
Тираж 50 экз. Заказ 900.
Издательско-полиграфический центр
Воронежского государственного университета.
394000, г. Воронеж, пл. им. Ленина, 10. Тел. 208-298, 598-026 (факс)
http://www.ppc.vsu.ru; e-mail: pp_center@ppc.vsu.ru
Отпечатано в типографии Издательско-полиграфического центра
Воронежского государственного университета.
394000, г. Воронеж, ул. Пушкинская, 3. Тел. 204-133.
52