Естественные источники излучения

Избежать облучения ионизирующим излучением невозможно. Жизнь на Земле возникла и продолжает развиваться в условиях постоянного облучения. Радиационный фон Земли складывается из трех компонентов : 1. космическое излучение; 2. излучение от рассеянных в земной коре, воздухе и других объектах внешней среды природных радионуклидов; 3. излучение от искусственных (техногенных) радионуклидов. Облучение по критерию месторасположения источников излучения делится на внешнее и внутреннее. Внешнее облучение обусловлено источниками, расположенными вне тела человека. Источниками внешнего облучения являются космическое излучение и наземные источники. Источником внутреннего облучения являются радионуклиды, находящиеся в организме человека.

6.1. Космическое излучение Космическое излучение складывается из частиц, захваченных магнитным полем Земли, галактического космического излучения и корпускулярного излучения Солнца. В его состав входят в основном электроны, протоны и альфа-частицы. Это так называемое первичное космическое излучение, взаимодействуя с атмосферой Земли, порождает вторичное излучение. В результате на уровне моря излучение состоит почти полностью из мюонов (подавляющая часть) и нейтронов. Поглощенная мощность дозы космического излучения в воздухе на уровне моря равна 32 нГр/час и формируется в основном мюонами. Для нейтронов на уровне моря мощность поглощенной дозы составляет 0.8 нГр/час и мощность эквивалентной дозы составляет 2.4 нЗв/час. За счет космического излучения большинство населения получает дозу, равную около 0.35 мЗв в год. Космическому внешнему облучению подвергается вся поверхность Земли. Однако облучение это неравномерно. Интенсивность космического излучения зависит от солнечной активности, географического положения объекта и возрастает с высотой над уровнем моря. Наиболее интенсивно оно на Северном и Южном полюсах, менее интенсивно в экваториальных областях. Причина этого - магнитное поле Земли, отклоняющее заряженные частицы космического излучения. Наибольший эффект действия космического внешнего облучения связан с зависимостью космического излучения от высоты (рис.4). Солнечные вспышки представляют большую радиационную опасность во время космических полетов. Космические лучи, идущие от Солнца, в основном состоят из протонов широкого энергетического спектра (энергия протонов до 100 МзВ), Заряженные частицы от Солнца способны достигать Земли через 15-20 мин после того, как вспышка на его поверхности становится видимой. Длительность вспышки может достигать нескольких часов. Рис.4. Величина солнечного излучения во время максимальной и минимальной активности солнечного цикла в зависимости от высоты местности над уровнем моря и географической широты. Величина дозы радиоактивного облучения, получаемая человеком, зависит от географического местоположения, образа жизни и характера труда. Например на высоте 8 км мощность эффективной дозы составляет 2 мкЗв/час, что приводит к дополнительному облучению при авиаперевозках. При трансконтинентальном перелете на обычном турбовинтовом самолете, летящем со скоростью ниже скорости звука (Тполета ≈ 7.5 часа), индивидуальная доза, получаемая пассажиром (50 мкЗв), на 20 % больше, чем доза, полученная пассажиром сверхзвукового самолета (Тполета ≈ 2.5 часа) (40 мкЗв), хотя последний подвергается более интенсивному облучению из-за большей высоты полета. Коллективная эффективная доза от глобальных авиаперевозок достигает 104 чел-Зв, что составляет на душу населения в мире в среднем около 1 мкЗв за год, а в Северной Америке около 10 мкЗв.

6.2. Космогенные радионуклиды В результате ядерных реакций, идущих в атмосфере (а частично и в литосфере) под влиянием космических лучей, образуются радиоактивные ядра - космогенные радионуклиды. Например n + 14N 3H + 12C , n + 14N p + 14C В создание дозы наибольший вклад вносят 3H, 7Be, 14C и 22Na которые поступают вместе с пищей в организм человека (табл.16) Таблица 16. Среднее годовое поступление космогенных радионуклидов в организм человека. Радионуклид Поступление,Бк/год Годовая эффективная доза, мкЗв 3H 0.004 7Ве 0.002 14C 22Na 0.15 Взрослый человек потребляет с пищей 95 кг углерода в год при средней активности на единицу массы углерода 230 Бк/кг. Суммарный вклад космогенных радионуклидов в индивидуальную дозу составляет около 15 мкЗв/год.

6.3. Внешнее облучение от радионуклидов земного происхождения В настоящее время на Земле сохранилось 23 долгоживущих радиоактивных элемента с периодами полураспада от 107 лет и выше. Физические характеристики некоторых из них представлены в таблице 17. Таблица 17. Радиоактивные изотопы, изначально присутствующие на Земле. Радионуклид Весовое содержание в земной коре Период полураспада, лет: Тип распада: Уран-238 3·10-6 4.5·109 α-распад Торий-232 8·10-6 1.4·1010 α-распад, γ-распад Калий-40 3·10-16 1.3·109 (β- распад, γ-распад Ванадий-50 4.5·10-7 5·1014 γ-распад Рубидий-87 8.4·10-5 4.7·1010 β-распад Индий-115 1·10-7 6·1014 β-распад Лантан-138 1.6·10-8 1.1·1011 β-распад, γ-распад Самарий-147 1.2·10-6 1.2·1011 α-распад Лютеций-176 3·10-8 2.1·1010 β-распад, γ-распад В трех радиоактивных семействах: урана (238U), тория (232Th) и актиния (235Ас) в процессах радиоактивного распада постоянно образуется 40 радиоактивных изотопов. Средняя эффективная эквивалентная доза внешнего облучения, которую человек получает за год от земных источников, составляет около 0.35 мЗв, т.е. чуть больше средней индивидуальной дозы, обусловленной облучением из-за космического фона на уровне моря. Однако уровень земной радиации неодинаков в различных районах. Так, например, в 200 километрах к северу от Сан-Пауло (Бразилия) есть небольшая возвышенность, где уровень радиации в 800 раз превосходит средний и достигает 260 мЗв в год. На юго-западе Индии 70 000 человек живут на узкой прибрежной полосе, вдоль которой тянутся пески, богатые торием. Эта группа лиц получает в среднем 3.8 мЗв в год на человека. Как показали исследования, во Франции, ФРГ, Италии, Японии и США около 95% населения живут в местах с дозой облучения от 0.3 до 0.6 мЗв в год. Около 3% получает в среднем 1 мЗв в год и около 1.5% более 1.4 мЗв в год. Если человек находится в помещении, доза внешнего облучения изменяется за счет двух противоположно действующих факторов: 1) Экранирование внешнего излучения зданием. 2) Облучение за счет естественных радионуклидов, находящихся в материалах, из которого построено здание. В зависимости от концентрации изотопов 40К, 226Ra и 232Th в различных строительных материалах мощность дозы в домах изменяется от 4·10-8 до 12·10-8 Гр/ч. В среднем в кирпичных, каменных и бетонных зданиях мощность дозы в 2-3 раза выше, чем в деревянных. В табл. 18 приведены данные о фоновом облучении в некоторых городах. Таблица 18. Среднегодовые дозы внешнего фонового облучения в некоторых городах Город Среднегодовая доза, мкГр Алма-ата 1600 ± 100 Астрахань 800 ± 60 Вильнюс 1000 ± 60 Ереван 750 ± 60 Кишинев 600 ± 20 Москва 900 ± 50 Новосибирск 800 ± 30 Рига 1100 ± 110 Санкт-Петербург 1200 ± 80 Таллин 900 ± 50 Якутск 700 ± 60

Ионизирующие излучения, происхождение которых связано с естественными радионуклидами создают естественный (природный) радиационный фон. Все живые существа, населяющие нашу планету в том числе и человек, развиваются в условиях постоянного воздействия различных естественных источников ионизирующих излучений. Естественный радиационный фон есть неотъемлемый фактор окружающей среды, такой же, как температура, кислород, азот, атмосферное давление.

Очевидно, естественный радиационный фон играет существенную роль в жизнедеятельности человека, как и все вещества окружающей среды, с которыми организм находится в состоянии непрерывного обмена. Есть основания полагать, что в отсутствии естественного радиационного фона по-другому протекали бы процессы в живом организме, да и эволюционное развитие жизни на Земле могло бы пойти по иному пути.

Роль естественного радиационного фона в жизни организмов, населяющих Землю, ещё до конца не выяснена. Но поскольку эволюционное развитие шло по восходящей линии, несомненно, что в условиях естественного фона обеспечиваются оптимальные условия для жизнедеятельности растений, животных и человека.

Важными особенностями естественного фона являются два следующих обстоятельства:

· он действует на всё население Земли,

· уровень его воздействия сохраняется приблизительно постоянным.

К естественным источникам ионизирующего излучения относятся: космическое излучение и естественные радиоактивные вещества, распределенные на поверхности и в недрах Земли, в атмосфере, воде, растениях и организме всех живых существ, населяющих нашу планету.

Космическое излучение.

Различают первичное и вторичное космическое излучение.

Первичное космическое излучение представляет собой поток частиц высокой энергии, попадающих в земную атмосферу из межзвездного пространства. Оно состоит в основном из протонов (90%) и a-частиц (около 10%). В меньших количествах (около 1%) присутствуют нейтроны, фотоны, электроны и ядра легких элементов: лития, бериллия, бора, углерода, азота, кислорода, фтора.

Большая часть первичного космического излучения возникает в пределах нашей Галактики при звездных взрывах и образовании сверхновых звезд. Это так называемое галактическое космическое излучение.Кроме того при солнечных вспышках возникаетсолнечное космическое излучение.

Вторичное космическое излучение имеет сложный состав и состоит практически из всех известных в настоящее время элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов, фотонов и др.). Оно образуется в результате взаимодействия частиц первичного космического излучения с ядрами нуклидов, входящих в состав воздуха. При этом возникает вторичное излучение и образуются новые радиоактивные ядра.

Максимальная интенсивность вторичного космического излучения наблюдается на высоте 20-25 км. С уменьшением высоты его интенсивность падает и достигает минимума на уровне моря. Наибольшему облучению от космического излучения подвергаются экипажи и пассажиры самолетов (до 40 мкЗв/час), хотя само облучение кратковременно.

Другой группой естественных радионуклидов, присутствующих в окружающей среде, являются радионуклиды земного происхождения. Источником их поступления является земная кора. В свою очередь, естественные радионуклиды земного происхождения подразделяются на радионуклиды, относящиеся к радиоактивным семействами, и радионуклиды из средней части периодической системы элементов.