природный радиационный фон радионуклиды в биосфере

Д. А. Маркелов, М. А. Григорьева, О. Е. Полынова, А. В. Маркелов, Н. Я. Минеева
ПРИРОДНЫЙ РАДИАЦИОННЫЙ ФОН
♦
РАДИОНУКЛИДЫ В БИОСФЕРЕ
МОСКВА  2011
RU
УДК 551.521.6: 577.4.621.03
ББК 20.18
М 27
Авторы:
Маркелов Д.А. –
Григорьева М.А. –
Полынова О.Е. –
Маркелов А.В. –
Минеева Н.Я.
–
доктор технических наук;
кандидат географических наук;
кандидат географических наук;
доктор географических наук;
доктор географических наук.
Маркелов Д. А. и др.
М 27 Природный радиационный фон / Д. А. Маркелов, М. А. Григорьева, О. Е. Полынова, А. В. Маркелов, Н. Я. Минеева; Радионуклиды
в биосфере . – М.: Интернет-издательство «Prondo.ru», 2011.  – 108 с.
В первой книге рассмотрены источники и особенности формирования радиационного
фона. Приведены справочные данные о фоновых нагрузках на экосистемы, рассмотрены вопросы влияния на здоровье человека, приведены пути снижения риска облучения населения от
радиационного фона. Во второй книге рассмотрены особенности поступления и распределения
радионуклидов в экосистемах и их компонентах. Книга содержит краткий литературный обзор
и справочные данные по проблеме. Собственные наблюдения авторов охватывают широкий
спектр ландшафтно-зональных условий, что позволило выявить особенности радиоэкологического состояния фоновых экосистем.
Для широкого круга специалистов в области географии, геоэкологии, радиоэкологии, охраны окружающей среды.
УДК 551.521.6: 577.4.621.03
ББК 20.18
© Маркелов Д. А., 2011
© Оформление, Интернет-издательство «Prondo.ru», 2011
Содержание
ПРИРОДНЫЙ РАДИАЦИОННЫЙ ФОН
Введение........................................................................... 5
1. Природный радиационный фон...................................... 6
2. Техногенно измененный радиационный фон.................... 8
3. Географические особенности формирования
радиационного фона....................................................... 10
4. Оценка фоновых радиационных нагрузок на население..... 15
5. Оценка здоровья населения
на радиоактивно загрязненных территориях...................... 20
5.1. Генетический риск..................................................... 20
5.2. Характер радиоактивного загрязнения местности
в Брянской области......................................................... 21
5.3. Оценка здоровья населения по тест-системам............ 22
5.3.2. Оценка болезней щитовидной железы..................... 23
6. Принципы нормирования
радиационной нагрузки на население............................... 25
7. Пути решения проблем снижения риска облучения
от естественного радиационного фона. ............................ 34
Литература...................................................................... 43
РАДИОНУКЛИДЫ В БИОСФЕРЕ
1. Экологическая роль радионуклидов. ............................ 49
2. Миграция радионуклидов ............................................ 53
3. Роль снежного покрова как накопителя поллютантов. .. 57
3
Д. А. Маркелов и др.
4. Роль растительности как фитофильтров........................ 60
5. Особенности распределения радионуклидов
по природным компонентам............................................. 64
6. Радиоэкологическая классификация
геохимических ландшафтов России. ................................ 75
7. Радиоэкологическое состояние тундры, лесотундры
в норильском регионе...................................................... 79
8. Радиоэкологическое состояние экосистем
в подзоне хвойно-широколиственных лесов...................... 84
9. Радиоэкологическое состояние экосистем
в подзоне широколиственных лесов.................................. 86
10. Радиоэкологическое состояние экосистем
в подзоне лесостепи........................................................ 87
11. Некоторые зональные и региональные особенности
радиоэкологического состояния на территории России..... 88
Литература...................................................................... 92
4
Д. А. Маркелов, М. А. Григорьева,
О. Е. Полынова, А. В. Маркелов, Н. Я. Минеева
ПРИРОДНЫЙ РАДИАЦИОННЫЙ ФОН
Д. А. Маркелов и др.
Введение
Развитие экосистем лимитируется целым рядом факторов и в том
числе радиационным фоном: космическим излучением, естественной
радиоактивностью и радиоактивным загрязнением. Первые две компоненты фона сопутствовали экосистемам на протяжении всех этапов
эволюции, а радиоактивное загрязнение – лишь на протяжении последних 50 лет.
В публикации МКРЗ (Международной комиссии по радиационной защите) № 26 (1978) написано: «… региональные изменения
уровня естественного радиационного фона вызывают соответствующие различия в уровне наносимого вреда точно так же, как, например,
региональные различия в метеорологических условиях или вулканической активности обусловливают различие в риске вреда в разных
местностях. По этой причине нет оснований утверждать, что различия
в естественном радиационном фоне влияют на приемлемые уровни
облучения, связанного с деятельностью человека в большей степени,
чем различия в других природных факторах опасности окружающей
среды» (с. 38). То есть тем самым естественный радиационный фон
признается неотъемлемой частью биосферы, и его роль сопоставима
с другими природными факторами. Рассмотрим особенности формирования радиационного фона, его природные и антропогенные составляющие (Минеева и др., 1988, Степанов, 1988, Сивинцев, 1988 и
др.). Природными и антропогенными составляющими в формировании радиационной нагрузки могут быть как источники поступления
радионуклидов в биосферу, так и факторы распределения последних
в пространстве.
6
Природный радиационный фон
1. Природный радиационный фон
Космическое излучение складывается из первичной и вторичной
составляющих. Первичное излучение обусловлено заряженными
частицами высоких энергий, поступающими из космоса, и состоит
из трех видов излучения: первичного галактического космического, первичного солнечного космического и первичного заряженных
частиц, образующих радиационные пояса. Галактическое излучение
состоит из протонов высоких энергий и ионов гелия (4He). Солнечное космическое излучение обусловлено вспышками на Солнце и
в верхних слоях атмосферы может увеличивать поглощенную дозу
на два порядка, но на поверхности Земли не играет существенной
роли в дозе внешнего излучения. Радиационные пояса образуются
в результате захвата частиц магнитным полем Земли. Первичное
космическое излучение почти полностью исчезает на высоте 20 км.
Частицы высоких энергий первичного космического излучения
взаимодействуют с ядрами атомов воздуха и образуют нейтроны,
протоны, мезоны. Образуемые частицы вторичного космического
излучения способны вызвать ряд ядерных взаимодействий с азотом
и кислородом и индуцировать образование космогенных радионуклидов.
Мощность дозы космического излучения определяется интенсивностью ионизации в воздухе и плотностью потока нейтронов и зависит
от солнечной активности, географического расположения (геомагнитной широты) и высоты над уровнем моря.
Для средних широт на уровне моря среднегодовая доза космического излучения составляет 2,8·10-4 Гр/г (28 мрад/г), на 60 % территории СССР эта величина равна 28–30 мрад/г с максимальными величинами в горных системах.
Естественная радиоактивность определяется содержанием естественных радионуклидов в почвах: кларк урана – 0,5–3,5·10-4%, тория –
1–14·10-1%, калия-40 – 0,3–30 %. Естественные продукты деления вносят
незначительный вклад, например, общее количество 90Sr оценивается в
5·1016 Бк, средней удельной активностью 2·10-6 Бк/кг, а содержание 137Cs
равно 0,8·1012 Бк в однометровом слое Земли или от 3,7 до 370·10-6 Бк/кг. За
7
Д. А. Маркелов и др.
год суммарное количество естественных продуктов деления эквивалентно
количеству продуктов деления от взрыва одной атомной бомбы небольшой
мощности (Моисеев, 1985). Естественная радиоактивность атмосферы
определяется содержанием радона  – 6·10-17%, гидросферы – содержанием урана (10-7–10-6%), радия (10-14–10-13%). В биосфере Земли содержатся
более 60 естественных радионуклидов первичного и космогенного происхождения. Первичные радионуклиды включают 32 элемента – продукты
распада уранового и ториевого рядов и 11 долгоживущих изотопов с периодом полураспада от 107 до 1015 лет (40K, 87Rb и др.).
Космогенные нуклиды: 3H, 14C, 7Be, 22Na и другие – образуются в
атмосфере и поступают в биосферу с осадками. 3H и 14C – основные
космогенные источники внутреннего облучения, а 7Be, 22Na, 24Na – космогенные источники внешнего облучения.
8
Природный радиационный фон
2. Техногенно измененный
радиационный фон
Радиоактивное загрязнение биосферы связано с антропогенным
воздействием, основные источники которого: производство и испытание ядерного оружия, ядерная энергетика, сжигание угля, применение
изотопов в научных целях (табл. 1).
Таблица 1. Годовое поступление радионуклидов
в атмосферу земного шара, Бк (Яворовски, 1982)
Антропогенные источники
Производство
Ядерная
и испытание
Сжигание угля
энергетика
ядерного оружия
1980 г.
1981 г.
1945–1981 гг.
Радионуклид
Естественные
источники
Rn
3
H
210
Pb
14
C
226
Ra
238
U
235
U
3,33·1019
7,4·1016
1,8·1017
1,4·1015
2,4·1014
7,0·1012
4,8·1012
4,07·1014
9,99·1018
1,99·1011
6,29·1015
1,32·109
–
–
14,8·1015
5,5·1016
7,4·1012
1,2·1014
5,1·1010
–
–
8,51·1014
–
2,4·1013
–
2,4·1012
1,2·1013
5,9·1011
–
–
2,59·1016
3,7·1012
6,29·1010
3,48·108
–
–
222
Cs
Pu
137
239
По радиоэкологической значимости наибольший вклад в радиационную нагрузку вносят элементы: 3H, 14C, 137Cs, 238U, 226Ra, 222Rn, 210Pb,
239
Pu (Яворовски, 1982).
По расчетам З. Яворовски (1982) естественное поступление большинства радионуклидов на несколько порядков выше, чем из антропогенных источников. На первом месте стоит 222Rn. Поступление в
биосферу 3H, 14C, 137Cs, 238U, 239Pu обусловлено антропогенными источниками, среди которых основной вклад осуществляют производство и
9
Д. А. Маркелов и др.
испытание ядерного оружия (3H, 137Cs, 239Pu) и сжигание угля (210Pb,
238U). Ядерная энергетика выделяется как источник поступления 210Pb,
3
H, 222Rn, 14C.
По данным Ф. Рамада (1981) в период ядерных испытаний
1954–1962 гг. в атмосферу поступило 333 ПБк 90Sr и 518 ПБк 137Cs.
При равномерном их распределении на 1 км2 поверхности Земли
поступило бы 888 МБк 90Sr, 1443 МБк 137Cs, однако осадки распределялись неравномерно и максимум их приурочен к 40-50° с. ш.,
причем в Западной Европе в некоторых местах их количество достигает 74 ГБк/км2.
Основные резервуары радионуклидов в результате техногенеза –
атмосфера и гидросфера. Отмечено, что количество инжектированных
в стратосферу радионуклидов является функцией географического
места выброса радионуклидов. Различия в скоростях меридиональных
и широтных перемещений воздушных масс обусловили широтный характер в распределении глобальных радиоактивных выпадений. В результате сочетания антропогенной и природной составляющей геосистемы северного полушария загрязнены радионуклидами больше, чем
таковые южного. В северном полушарии максимум глобальных выпадений приходится на пояс между 20–60° с. ш. Причем максимальные
запасы 137Cs сосредоточены между 50° и 60° с. ш. Кроме глобальных
факторов на распределение радиоактивных выпадений влияют географические особенности территории: высота над у. м., характер подстилающей поверхности и т. д.
Например, в горах Армении, Туркмении уровни выпадений 137Cs,
90
Sr выше, чем на прилегающей равнине (Глобальные… 1980, Сапырлыев, 1988), истощение радиоактивного облака над лесом происходит
в несколько раз быстрее, чем над открытым пространством (Алексахин, Нарышкин, 1977). Источники и пути формирования естественного (природного) радиационного фона рассмотрены Н. Я. Минеевой
(1991).
10
Природный радиационный фон
3. Географические особенности
формирования радиационного фона
Радиационная обстановка после моратория 1963 г. сложилась к 1965 г.;
зона максимальной аккумуляции 137Cs и 90Sr за счет глобальных выпадений
сформировалась в Северном полушарии между 20°и 60° с. ш.
С 1971 по 1982 гг. запасы этих радионуклидов стабилизировались,
так как очищение почвы компенсировалось свежими выпадениями в
результате взрывов, проводимых КНР. В Азиатско-Тихоокеанском
регионе с 1963 по 1980 гг. было проведено 63 испытания ядерных
устройств: 19 в Северном полушарии Китаем в районе озера Лоб-Нор,
44 в Южном полушарии Францией (Тихий океан, атолл Муруроа).
50–60 % 137Cs, выпавшего в Северном полушарии в 1968 г., обусловлено ядерными испытаниями, проведенными в Китае в 1967 г. (Моисеев,
1987).
Характеристика радионуклидов, поступивших в биосферу в результате ядерных испытаний, и их общий запас к 1985 г. приведены в
табл. 2. В докладе Научного комитета ООН по действию атомной радиации (НКДАР) выделены 21 радионуклид, которые должны внести
существенный вклад в формирование ожидаемой поглощенной дозы к
2000 г., при этом 9 первых радионуклидов, названных в табл. 2, являются ведущими в формировании дозовой нагрузки, их вклад более 1 %
(Ionizing…, 1982).
Учитывая прогнозные оценки кумулятивного накопления продуктов деления за счет роста ядерной энергетики и роль природных
факторов в распределении глобальных выпадений, а особенно, в миграционной подвижности радионуклидов, можно предполагать, что
геосистемы, развивающиеся между 50° и 60° с. ш. окажутся в зоне повышенной радиационной нагрузки.
В проанализированных сегодня прогнозных сценариях глобального радиоактивного заражения в результате ядерной войны экосистемы
именно этих широт 30–70° с. ш. получат наибольшую радиационную
нагрузку (21–41,7 рад) (Питток и др., 1988, Харуэлл и др., 1988).
11
№ 200
83
54
47
27
25
Zr
Nb
Sr
Ru
I
Pu
90
106
Ce
H
95
3
4
5
6
7
8
9
10
12
9
Ru
Pu
241
Pu
Fe
13
14
90
23
61,1 ч
312,7 сут
10,72 лет
5,2·1018
1,1·1017
3,3·1014
152 года
50,5 сут
32,5 сут
87,7 лет
5,5·10
1·1020
Am
4
0,1
89
Sr
3
0,08
141
Ce
1
0,03
238
Pu
1
0,03
136
Cs 0,06 0,002
54
Mn 0,04
10-3
85
Kr 0,005 10-4
16
17
18
19
20
21
22
2,7 года
6570 лет
14,4 лет
39,35 сут
13 сут
15
2·1018
0,2
5,2·1015
1,7·1017
7,2·10
20
55
Y
8,06 сут
284,5 сут
12,34 лет
368 сут
28,6 лет
35 сут
65 сут
30 лет
730 лет
T1/2
1,18·1016 2,41·104лет
7·1020
3·10
2,4·1020
19
1,2·1019
6,04·1017
1,1·10
20
9,6·10
241
0,4
0,2
0,4
0,7
0,7
0,9
1,4
1,2
2,2
3,2
5,3
14,0
17
2,2·1017
Запас Бк
15
17
17
9
103
12
240
Ba
11
33
140
239
131
3
144
120
540
95
137
Cs
2
1
Ну- Вклад в дозу
клид мкЗв
%
14
C
2600 69,0
3
не выводится
40
1,8·104
2·103
10,4
65
7,3·104
138
3,5·10
12
10,4
1,8·105
760
450
70
10–12
все тело
внутреннее
внутреннее
внутреннее
внутреннее
внешнее
внешнее
кость
кость
легкие
кость
все тело,
гемоглобин
все тело
все тело
все тело
щитовидная
внутреннее
железа
(молоко)
внутреннее
кость
внутреннее
кость
внешнее
внешнее
внутреннее
внешнее
внуреннее
внешнее
внешнее
все тело
внешнее
внутреннее
все тело,
кость
все тело,
кость
кость
жировая
ткань
внутреннее
0,56
4,2
270
0,23
0,01
1,4
1,13
0,51
1,1
0,59
0,054
0,913
–
0,250
0,583
–
0,062
0,282
0,180
0,082
0,005
0,010
0,196
0,046
0,115
0,195
0,049
Вид КритичеЭффективная
Средняя
T полувыведения облучения ский орган энергия МЭВ/расп энергия
1,836
0,844
0,514
0,514
0,192
0,537
(0,030)
0,497
(0,61)
0,364
(0,72)
0,756
(0,724)
0,99
(0,765)
–
0,511
(1,05,
1,12)
0,133
–
0,662
–
МЭВ
Д. А. Маркелов и др.
Таблица 2. Характеристика радионуклидов,
поступивших в биосферу в результате ядерных испытаний
(Ionizing radiation…,1982, Моисеев, Иванов,1984, Моисеев,1985,
Глобальные выпадения,1980, Минеева,1991)
Природный радиационный фон
Как показали результаты аэро-гамма съемки (Болтнева и др., 1976),
радиационная нагрузка на геосистемы в зональном спектре ландшафтов на территории СССР увеличивается от тундры (доза 52 мрад/г)
до пустыни (доза 94 мрад/г), причем в тундровых и таежных системах максимален вклад космического излучения, а в южных зонах естественной радиоактивности. То есть каждый биом функционирует в
своем диапазоне годовой дозы внешнего обучения.
Величина нормального фона для Земли в среднем равна 4,85 мкР/ч
(Моисеев, Иванов, 1984).
Анализ распределения радиационного фона на территории СССР
показал, что дозовое поле от естественной радиоактивности определяется ландшафтно-зональным спектром генетических типов почв: дозы
увеличиваются с севера на юг от тундровых и подзолистых почв (3,5 и
2,9 мкР/ч) до сероземов (8,6 мкР/ч).
Запас 137Cs локализован, преимущественно, в лесной, степной зонах, причем плотность 137Cs и дозовая нагрузка увеличивается в восточных регионах страны: в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке.
Оценка техногенного радиационного пресса на фоновые биомы, рассчитанная по двум долгоживущим продуктам распада – 90Sr и
137
Cs (Минеева, 1991), показала, что если на всем земном шаре техногенный пресс за счет 90Sr равен 8, то есть почти на порядок выше его
естественного содержания, то в фоновых биомах СССР техногенный
пресс, определяемый 90Sr, равен 0,0088–0,016, максимум приходится
на лесную и степную зоны (табл. 3). Техногенный пресс за счет 137Cs на
земном шаре огромен – его величина в настоящее время соответствует
1,6 миллиона. В фоновых биомах СССР глобальное техногенное накопление 137Cs в тысячу и более раз превышает его естественное содержание. Техногенный пресс максимален в хвойных и смешанных лесах,
который почти вдвое выше нагрузки в пустыне, тундре и лесотундре.
Таблица 3. Показатели радиоактивного загрязнения
фоновых биомов (к 1981–1984 гг.)
ТП (Техногенный пресс)1)
ТП 90Sr
ТП 137Cs
Биом
Тундра и лесотундра
1
2
9,5·10-3
3
1,1·103
Хвойные леса (тайга)
1,6·10-2
1,9·103
13
Д. А. Маркелов и др.
(Продолжение таблицы)
1
2
3
Смешанные леса
1,6·10-2
1,8·103
Лесостепь
Степь
1,4·10-2
1,3·10-2
1,6·103
1,5·103
Полупустыня
1,0·10-2
1,2·103
Пустыня
8,8·10
1,0·103
На земном шаре к 1981 г.
8,0
-3
1,6·106
Дополнительный вклад в увеличение техногенного радиационного пресса внесли крупные аварийные выбросы: на Южном Урале
в 1957 г. и на Чернобыльской АЭС в 1986 г. (табл. 4). Как видно из
табл. 4, уровни выбросов долгоживущих радионуклидов (90Sr, 137Cs)
одного порядка с общими глобальным накоплением к моменту аварии.
Аварийный выброс Чернобыльской АЭС весной 1986 года внес
дополнительный вклад в формирование глобальных радиоактивных выпадений на Европейской территории (ЕТС). Результаты
аэро-гамма съемки 1986 года и последующих годов выявили изменения в распределении 137Cs, который был инжектирован в атмосферу аварийным выбросом ЧАЭС в количестве 1 МКи (Махонько и
др., 1990). В 1988 году на территории ЕТС сформировался обширный регион с плотностью 137Cs больше 1 Ки/км2, изолиния которой
проходит: на юге – севернее Киева – Ровно, на западе – восточнее
Пинска, на северо-западе, севере – южнее Барановичей – Могилева – Рославля – Тулы, на юго-востоке – севернее Орла – Брянска – Чернигова. Другие три пятна повышенной плотности (до
400 мКи/км2) приурочены к: 1) районам Прибалтики, 2) полосе Гомель – Тула – Пенза – Ульяновск – Свердловск, 3) восточному побережью Черного моря – западной Грузии (до 500 мКи/км2). Вклад
137
Cs аварийного происхождения на Урале (Свердловск) составил
20–50 % глобального фона, а на азиатской территории – 10 %.
14
Природный радиационный фон
Таблица 4. Сравнительные оценки радиоактивного загрязнения
в результате аварий.
Радионуклид
Аварийный вклад (Бк)
Глобальное накопление Южный Урал 1957 г. 1)
к 1984–1989 гг. (Бк)
ЧАЭС 1986 г. 2)
след
воздух
I
Cs
7·1020
137
Cs
9,6·1017
2,66·1014
2,66·1013
Zr
Ru
106
Ru
140
Ba
1,1·1020
1,84·1017
1,84·1016
1,2·1019
7,2·1020
Ce
89
Sr
90
Sr
3·1019
1·1020
60,4·1016
4,88·1017
4,88·1016
3,99·1016
3,99·1015
7,4·1016
7,4·1016
7,4·10
7,4·10
5,16·1016
1,85·1018
131
134
95
103
144
Ce
141
суммарный выброс
1)
– Никипелов и др., 1989
2)
– Информация об аварии…, 1986
3)
– Махонько и др., 1990
17
15
16
3,7·1017
1,85·1017
2,41·1017
(3,7·1016) 3)
5,92·1016
5,37·1016
5,37·1016
1,04·1017