Естественные источники излучения

К числу естественных источников излучения относятся космическое излучение и природные радиоактивные вещества. В почве, воде, воздухе, строительных и других материалах всегда рассеяны природные радионуклиды. Совместно с космическим излучением они и создают природный радиоактивный фон, постоянно облучая все живые организмы на Земле. Космическое излучение состоит из первичного и вторичного ионизирующего излучения.

Первичное космическое излучение возникает вследствие извержения и испарения материи с поверхности звезд и туманностей космического пространства. Оно состоит в основном из ядер легких атомов: водорода-протонов (79 %), гелия – альфа-частиц (20 %), лития, бериллия, бора, углерода, азота, кислорода и других элементов, большинство из которых обладает очень высокой энергией – в интервале 3-15 ГэВ, а некоторые –10¹⁷-10¹⁸ эВ. Однако лишь немногие частицы достигают поверхности Земли, так как взаимодействуют с атомами воздуха, создавая потоки частиц вторичного космического излучения.

Вторичное космическое излучениеочень сложное и состоит из всех известных в настоящее время элементарных частиц и излучений. Основную массу их, достигающих уровня моря, составляют: мезоны (70 %), электроны и позитроны (26 %), первичные протоны (0,05 %), гамма-кванты, быстрые и сверхбыстрые нейтроны. Проведенные исследования показали, что на уровне моря за счет космических лучей образуется 2,74 пары ионов в 1 см³ воздуха за 1 с. Это соответствует мощности дозы 1,15•10^-11Гр/с. То облучение, которому подвергается человек, любой организм или растение, делится па внутреннее и внешнее. Внешнее почти всецело обусловлено у-излучеиием. Доза космических лучей в биологических тканях па 11 % больше, чем в воздухе, так как сверхбыстрые нейтроны, сталкиваясь с ядрами атомов С, N и О биологической ткани, вызывают их расщепление с образованием быстрых нейтронов, которые создают в тканях дополнительную ионизацию. Таким образом, установлено, что доза внутреннего облучения ткани за сутки составляет 1,1 мкГр, за год – 0,4 мГр.

Внешнее облучение, обусловленное космическим излучением, является в пространственном и временном аспектах на поверхности Земли (на уровне моря) сравнительно стабильным, но степень его воздействия существенно зависит от высоты над уровнем моря и географической широты местности. Временные вариации потока космических лучей на поверхности Земли существенно ниже и им ют обычно небольшие отклонения относительно фоновой величины, однако иногда поток космических лучей может внезапно возрастать в результате вспышек па Солнце.

Все население земного шара подвергается облучению от естественных источников при относительно постоянной интенсивности излучения во времени, которое, однако, может заметно различаться от места к месту. Из-за большой вариабельности доз от естественных источников излучения индивидуальные дозы в некоторых случаях могут в несколько раз превосходить среднее значение. Годовая средняя эффективная доза от различных источников излучения составляет:

- космическое излучение – 390 мкЗв;

- внешнее γ-излучение окружающей среды – 460 мкЗв;

- радионуклиды, находящиеся в организме – 230 мкЗв;

- радон и продукты его распада – 1300 мкЗв;

- всего (приблизительно) – 2400 мкЗв.

В настоящее время глобальным источником радиоактивного загрязнения природной среды па территории России продолжает оставаться медленный процесс выведения из стратосферы продуктов испытаний ядериого оружия, проводившихся в атмосфере на полигонах планеты в предыдущие годы. Другими источниками радиоактивного загрязнения природной среды являются аварии па предприятиях ядерно- го топливного цикла (АЭС, военное производство). Загрязнение от этих источников может также быть очень значительным.

Природные радиоактивные вещества распределяют на три группы:

– в первую группу входят U и Th с продуктами их распада, а также ⁴⁰К и ⁸⁷Rb;

– ко второй группе относятся малораспространенные изотопы и изотопы с большим периодом полураспада: ⁴⁸Са, ^9f)Zr, ¹¹³In, ¹²⁴Sn, ¹³⁰Те, ¹³⁸La, ¹⁵⁰Nb, ¹⁵²Sm, ¹⁷⁶Lu, ¹⁸⁰W, ¹⁸⁷Re, ²⁰⁹Bi;

– к третьей группе принадлежат радиоактивные изотопы ¹⁴С, ³Н, ⁷Ве, ¹⁰Ве, образующиеся непрерывно под действием космического излучения.

Наиболее распространенным радиоактивным изотопом земной коры является ⁸⁷Rb, содержание которого значительно выше содержания U, Th, и особенно ⁴⁰К. Однако радиоактивность ⁴⁰К в земной коре превышает радиоактивность суммы всех других естественных радиоактивных элементов. Основной вклад во внешнее облучение вносят ⁴⁰К, ¹⁴С и ³Н, которые активно вовлекаются в биогенную и физикохимическую миграцию элементов и поступают во все объекты биосферы. Изотоп ⁴⁰К широко рассеян в почвах и прочно удерживается глинами в результате сорбционных процессов. Глинистые почвы почти всегда богаче радиоактивными элементами, чем песчаные и известковые. U, Th и Ra содержатся преимущественно в гранитах. В разных районах земного шара доза гамма-излучения различных горных пород изменяется от 0,26 до 11,5 мГр/год. В районах месторождений радиоактивных руд доза природного фона составляет 0,12-0,7 Гр/год, что в 100-500 раз выше среднемирового уровня. Радиоактивность воды обусловлена содержанием растворимых комплексных соединений U, Th и Ra, поступающих с почвенными растворами, а также газообразными продуктами их радиоактивных превращений – радона и торона. Концентрация радиоактивных элементов в реках меньше, чем в озерах, морях и океанах. Содержание их в пресноводных источниках определяется типом горных пород, рельефом, климатическими факторами и т. д. Обогащены радиоактивными элементами и минеральные воды. Так, например, в минеральных водах Кавказа уровень радия составляет 277,5 Бк/л (7,5 • 10~⁹Ки/л), радона – 962 Бк/л (2, 6 • 10^-8 Ки/л). Количество ⁴⁰К в водах рек и озер равно в среднем 0,274 Бк/л (7,4 • КС¹² Ки/л) и 0,481 Бк/л (1,3- 10^-11 Ки/л) соответственно.

Радиоактивность атмосферного воздуха определяется присутствием в нем радиоактивных изотопов (Rn, ¹⁴С, ^,3Н) или аэрозолей (⁴⁰К, уран, радий и др.). Суммарная радиоактивность воздуха зависит от особенностей местообитания, времени года, погодных условий, состояния магнитного поля Земли и изменяется в широких пределах от 7,4 • 10^-4 до 16, 3 • 10^_3 Бк/л (2 • 10^—14 – 4,4 • 10^-13 Ки/л).

Из естественных радиоактивных веществ, содержащихся в растениях, наибольшая удельная активность приходится на долю ⁴⁰К. Она составляет 44,4-370 Бк/кг (1,2 • 10~⁹ – 1 • КС⁸ Ки/кг). Самые высокие его концентрации отмечаются в бобовых – горохе, бобах, фасоли, сое. Содержание в растениях урана, радия, тория и ¹⁴С ничтожно мало. В тканях животных содержание ⁴⁰К меньше, чем в растениях. Уран, торий и ¹⁴С встречаются в биологических объектах в очень незначительных концентрациях по сравнению с ⁴⁰К. Среднегодовая доза облучения человека составляет около 1,3 мГр на скелет и считается безопасной.

Вместе с тем на Земле известны такие области, в которых дозы излучения в несколько раз превосходят средние значения. К ним относятся районы рудных месторождений урана и тория, где радиоактивный фон повышается в сотни, тысячи раз (штат Керала, Индия; некоторые районы Ирана). Повышенное содержание естественных радионуклидов может быть связано также с выходом на поверхность подземных высокорадиоактивных руд либо с высокой концентрацией этих радионуклидов в почвообразующих породах. Как отмечают Д. А. Криволуцкий, Ф. А. Тихомиров, А. Д. Покаржевский и др. (1988), в таких случаях наиболее высокие дозовые нагрузки получают микроорганизмы и животные, обитающие в почве, и корневые системы растений в основном за счет a-излучения инкорпорированных радионуклидов. Такие участки служат удобными стационарными полигонами для комплексных радиоэкологических исследований.