Естественный радиационный фон. Космическое излучение.

Все организмы с момента своего появления на Земле существовали, развивались и эволюционировали при постоянном воздействии радиации. Радиация - это такое же естественное природное явление, как ветер, приливы и отливы, дождь и т. п.

Естественный радиационный фон (ЕРФ) присутствовал на Земле на всех этапах ее формирования. Он был задолго до того, как появилась жизнь, а затем и биосфера. Радиоактивность и сопровождающие ее ионизирующие излучения явились фактором, оказавшим влияние на современное состояние биосферы, эволюцию Земли, жизнь на Земле и элементный состав Солнечной системы. Любой организм подвергается воздействию характерного для данной местности радиационного фона. До 1940-х гг. он был обусловлен двумя факторами: распадом радионуклидов естественного происхождения, находящихся как в среде обитания данного организма, так и в самом организме, и космическими лучами.

Источники естественной (природной) радиации — это космос и природные радионуклиды, содержащиеся в естественной форме и концентрации во всех объектах биосферы: почве, воде, воздухе, минералах, живых организмах и т. д. Любой из окружающих нас предметов и мы сами в абсолютном смысле слова радиоактивны.

Основную дозу облучения население земного шара получает от естественных источников радиации. Большинство из них таковы, что избежать облучения от них совершенно невозможно. На протяжении всей истории существования Земли разные виды излучения проникают к поверхности земли из космоса и поступают от радиоактивных веществ, находящихся в земной коре. Человек подвергается облучению двумя способами. Радиоактивные вещества могут находиться вне организма и облучать его снаружи (в этом случае говорят о внешнем облучении) или они могут оказаться в воздухе, которым дышит человек, в пище или воде и попасть внутрь организма (такой способ облучения называют внутренним).

Облучению от естественных источников радиации подвергается любой житель Земли. Это зависит, в частности, от того, где люди живут Уровень радиации в некоторых местах земного шара, особенно там, где залегают радиоактивные породы, оказывается значительно выше среднего, а в других местах - ниже. Земные источники радиации в сумме ответственны за большую часть облучения, которому подвергается человек за счет естественной радиации. В среднем они обеспечивают более 5/6 годовой эффективной эквивалентной дозы, получаемой населением, в основном вследствие внутреннего облучения. Остальную часть вносят космические лучи, главным образом, путем внешнего облучения.

Естественный радиационный фон формируется космическим излучением (16%) и излучением, создаваемым рассеянными в природе радионуклидами, содержащимися в земной коре, приземном воздухе, почве, воде, растениях, продуктах питания, в организмах животных и человека, (84%). Техногенный радиационный фон связан главным образом с переработкой и перемещением горных пород, сжиганием каменного угля, нефти, газа и других горючих ископаемых, а также с испытаниями ядерного оружия и ядерной энергетикой.

Естественный радиационный фон есть неотъемлемый фактор окружающей среды, оказывающий существенное воздействие на жизнедеятельность человека. Естественный радиационный фон колеблется в широких пределах в различных регионах Земли. Эквивалентная доза в организме человека в среднем 2 мЗв = 0,2 бэр. Эволюционное развитие показывает, что в условиях естественного фона обеспечиваются оптимальные условия для жизнедеятельности человека, животных, растений. Поэтому при оценке опасности, обусловленной ионизирующим излучением, крайне важно знать характер и уровни облучения от различных источников.

Поскольку радионуклиды, как и любые атомы, образуют в природе определенные соединения и в соответствие со своими химическими свойствами входят в состав определенных минералов, то распределение естественных радионуклидов в земной коре неравномерно. Космическое излучение, как говорилось выше, также зависит от ряда факторов и может отличаться в несколько раз. Таким образом, естественный радиационный фон в разных местах земного шара разный. С этим связана условность понятия «нормальный радиационный фон»: с высотой над уровнем моря фон увеличивается за счет космического излучения, в местах выхода на поверхность гранитов или богатых торием песков радиационный фон также выше и так далее. Поэтому можно говорить лишь о среднем естественном радиационном фоне для данной местности, территории, страны и т. д.

Среднее значение эффективной дозы, получаемое жителем нашей планеты от природных источников за год, составляет 2,4 мЗв.

Примерно 1/3 этой дозы формируется за счет внешнего излучения (примерно поровну от космоса и от радионуклидов) и 2/3 обусловлены внутренним облучением, то есть природными радионуклидами, находящимися внутри нашего организма. Средняя удельная активность человека составляет около 150 Бк/кг. Естественный радиационный фон (внешнее облучение) на уровне моря в среднем составляет около 0,09 мкЗв/ч. Это соответствует примерно 10 мкР/ч.

Космическое излучение - это поток ионизирующих частиц, который падает на Землю из космического пространства. В состав космического излучения входят:

Космическое излучение состоит из трех компонентов, различающихся происхождением:

1) излучение частиц, захваченных магнитным полем Земли;

2) галактическое космическое излучение;

3) корпускулярное излучение Солнца.

- излучение заряженных частиц, захваченных магнитным полем Земли - на расстоянии 1,2-8 земных радиусов расположены так называемые радиационные пояса, содержащие протоны с энергией 1-500 МэВ (в основном 50 МэВ), электроны с энергией около 0,1-0,4 МэВ и незначительное количество альфа-частиц.

Состав. Галактические космические лучи состоят в основном из протонов (79 %) и α-частиц (20 %), что отражает распространенность водорода и гелия во Вселенной. Из числа тяжелых ионов наибольшее значение имеют ионы железа вследствие относительно высокой интенсивности и большого атомного числа.

Происхождение. Источниками галактических космических лучей являются звездные вспышки, взрывы сверхновых, пульсарное ускорение, взрывы галактических ядер и т. п.

Время жизни. Время существования частиц в космическом излучении — порядка 200 млн лет. Удержание частиц происходит за счет магнитного поля межзвездного пространства.

Взаимодействие с атмосферой. Входя в атмосферу, космические лучи взаимодействуют с атомами азота, кислорода и аргона. Столкновения частиц с электронами происходят чаще, чем с ядрами, но при этом высокоэнергичные частицы теряют мало энергии. При столкновениях же с ядрами частицы практически всегда выбывают из потока, поэтому ослабление первичного излучения практически полностью обусловлено ядерными реакциями.

При столкновении протонов с ядрами из ядер выбиваются нейтроны и протоны, идут реакции расщепления ядер. Образующиеся вторичные частицы обладают значительной энергией и сами индуцируют такие же ядерные реакции, т. е. происходит формирование целого каскада реакций, образуется так называемый широкий атмосферный ливень. Одна первичная частица высокой энергии может породить ливень, включающий десять последовательных поколений реакций, в которых рождаются миллионы частиц.

Новые ядра и нуклоны, составляющие ядерно-активный компонент излучения, образуются в основном в верхних слоях атмосферы. В ее нижней части поток ядер и протонов значительно ослабляется за счет ядерных столкновений и далее — потерь на ионизацию. На уровне моря он формирует только единицы процентов мощности дозы.

Космогенные радионуклиды

В результате ядерных реакций, идущих под влиянием космических лучей в атмосфере и частично в литосфере, образуются радиоактивные ядра. Из них в создание дозы наибольший вклад вносят (β-излучатели: ³H (Т_1/2 = 12,35 лет), ¹⁴C (T_1/2 = 5730 лет), ²²Na (T_1/2 = 2,6 лет), — поступающие в организм человека вместе с пищей. Как следует из приведенных данных, наибольший вклад в облучение вносит углерод-14. Взрослый человек потребляет с пищей ~ 95 кг углерода в год.

- солнечное излучение, состоящее из электромагнитного излучения вплоть до рентгеновского диапазона, протонов и альфа-частиц;

Перечисленные виды излучения являются первичными, они почти полностью исчезают на высоте около 20 км вследствие взаимодействия с верхними слоями атмосферы. При этом образуется вторичное космическое излучение, которое достигает поверхности Земли и воздействует на биосферу (в том числе на человека). В состав вторичного излучения входят нейтроны, протоны, мезоны, электроны и фотоны.

Интенсивность космического излучения зависит от ряда факторов:

• изменений потока галактического излучения,

• активности солнца,

• географической широты,

• высоты над уровнем моря.

В зависимости от высоты интенсивность космического излучения резко возрастает.

Радионуклиды земной коры.

В земной коре рассеяны долгоживущие (с периодом полураспада в миллиарды лет) изотопы, которые не успели распасться за время существования нашей планеты. Они образовались, наверное, одновременно с образованием планет Солнечной системы (относительно короткоживущие изотопы распались полностью). Эти изотопы называются естественными радиоактивными веществами, это значит такими, которые образовались и постоянно вновь образовываются без участия человека. Распадаясь, они образуют промежуточные, также радиоактивные, изотопы.

Внешними источниками излучений являются более 60 естественных радионуклидов, находящихся в биосфере Земли. Естественные радиоактивные элементы содержатся в относительно небольшом количестве во всех оболочках и ядре Земли. Особое значение для человека имеют радиоактивные элементы биосферы, т.е. той части оболочки Земли (лито-, гидро-и атмосфере), где находятся микроорганизмы, растения, животные и человек.

В течение миллиардов лет шел постоянный процесс радиоактивного распада нестабильных ядер атомов. В результате этого общая радиоактивность вещества Земли, горных пород постепенно снижалась. Относительно короткоживущие изотопы распались полностью. Сохранились главным образом элементы с полураспадом, измеряемым миллиардами лет, а также относительно короткоживущие вторичные продукты радиоактивного распада, образующиеся последовательные цепочки преобразований, так называемые семейства радиоактивных элементов. В земной коре естественные радионуклиды могут быть более или менее равномерно рассеяны или сконцентрированы в виде месторождений.

Природные (естественные) радионуклиды можно разделить на три группы:

- радионуклиды, принадлежащие радиоактивным семействам (рядам),

- другие (не принадлежащие радиоактивным семействам) радионуклиды, вошедшие в состав земной коры при формировании планеты,

- радионуклиды, образовавшиеся под действием космического излучения.

В процессе формирования Земли в состав ее коры наряду со стабильными нуклидами вошли и радионуклиды. Большая часть этих радионуклидов относится к так называемым радиоактивным семействам (рядам). Каждый ряд представляет собой цепочку последовательных радиоактивных превращений, когда ядро, образующееся при распаде материнского ядра, тоже, в свою очередь, распадается, вновь порождая неустойчивое ядро и т. д. Началом такой цепочки является радионуклид, который не образуется из другого радионуклида, а содержится в земной коре и биосфере с момента их рождения. Этот радионуклид называют родоначальником и его именем называют все семейство (ряд). Всего в природе существует три родоначальника - уран-235, уран-238 и торий-232, и, соответственно, три радиоактивных ряда - два урановых и ториевый. Заканчиваются все ряды стабильными изотопами свинца.

Самый большой период полураспада у тория (14 млрд. лет), поэтому он со времени аккреции Земли сохранился почти полностью. Уран-238 распался в значительной степени, распалась подавляющая часть урана-235, а изотоп нептуния-232 распался весь. По этой причине в земной коре много тория (почти в 20 раз больше урана), а урана-235 в 140 раз меньше, чем урана-238. Поскольку родоначальник четвертого семейства (нептуний) со времени аккреции Земли весь распался, то в горных породах его почти нет. В ничтожных количествах нептуний обнаружен в урановых рудах. Но происхождение его вторичное и обязано бомбардировке ядер урана-238 нейтронами космических лучей. Сейчас нептуний получают с помощью искусственных ядерных реакций. Для эколога он не представляет интереса.

Около 0,0003% (по разным данным 0,00025-0,0004%) Массы земной коры - это уран. То есть в одном кубометре самого обычного грунта содержится в среднем 5 граммов урана. Есть места, где это количество в тысячи раз больше — это месторождения урана. В кубометре морской воды содержится около 1,5 мг урана. Этот природный химический элемент представлен двумя изотопами -238U и 235U, каждый из которых является родоначальником своего радиоактивного ряда. Подавляющая часть природного урана (99,3%) - это уран-238. Этот радионуклид весьма устойчив, вероятность его распада (а именно — альфа-распада) очень мала. Эта вероятность характеризуется периодом полураспада, равным 4,5 миллиарда лет. То есть со времен формирования нашей планеты его количество уменьшилось вдвое. Из этого, в свою очередь, следует, что радиационный фон на нашей планете раньше был выше. Цепочки радиоактивных превращений, порождающей природные радионуклиды уранового ряда:

Радиоактивный ряд включает как долгоживущие радионуклиды (то есть радионуклиды с большим периодом полураспада), так и короткоживущие, но в природе существуют все радионуклиды ряда, даже те, которые быстро распадаются. Это связано с тем, что с течением времени установилось равновесие (так называемое «вековое равновесие») — скорость распада каждого радионуклида равна скорости его образования.

Существуют природные радионуклиды, которые вошли состав земной коры в процессе формирования планеты и которые не принадлежат урановым или ториевому рядам. В первую очередь - это калий-40. Содержание ⁴⁰К в земной коре около 0,00027% (масс), период полураспада 1,3 миллиарда лет. Дочерний нуклид - каль-ций-40 - является стабильным. Калий-40 в значительном количестве входит в состав растений и живых организмов, вносит существенный вклад в общую дозу внутреннего облучения человека.

Природный калий содержит три изотопа: калий-39, калий-40 и калий-41, из которых только калий-40 радиоактивен. Количественное соотношение этих трех изотопов в природе выглядит так: 93,08 %, 0,012 % и 6,91 %.

Калий-40 распадается двумя путями. Около 88% его атомов испытывают бета-излучение и превращаются в атомы кальция-40. Остальные 12% атомов, испытывая К-захват, превращаются в атомы аргона-40. На этом свойстве калия-40 основан калий-аргоновый метод определения абсолютного возраста горных пород и минералов.

Третью группу природных радионуклидов составляют космогенные радионуклиды. Эти радионуклиды образуются под действием космического излучения из стабильных нуклидов в результате ядерных реакций. К ним относятся тритий, бериллий-7, углерод-14, натрий-22. Например, ядерные реакции образования трития и углерода-14 из азота под действием космических нейтронов:

Особое место среди природных радиоизотопов занимает углерод. Природный углерод состоит из двух стабильных изотопов, среди которых преобладает углерод-12 (98,89 %). Остальная часть почти целиком приходится на изотоп углерод-13 (1,11 %).

Помимо стабильных изотопов углерода известны еще пять радиоактивных. Четыре из них (углерод-10, углерод-11, углерод-15 и углерод-16) характеризуются весьма малыми периодами полураспада (секунды и доли секунды). Пятый радиоизотоп, углерод-14, имеет период полураспада 5730 лет.

В природе концентрация углерода-14 крайне мала. Например, в современных растениях один атом этого изотопа приходится на 10⁹ атомов углерода-12 и углерода-13. Однако с появлением атомного оружия и ядерной техники углерод-14 получается искусственно при взаимодействии медленных нейтронов с азотом атмосферы, поэтому количество его постоянно растет.

Существует некоторая условность относительно точки зрения того, какой фон считать «нормальным». Так, при «среднепланетарной» годовой эффективной дозе на одного человека 2,4 мЗв во многих странах эта величина составляет 7-9 мЗв/год. То есть испокон веков миллионы людей живут в условиях природных дозовых нагрузок, которые в несколько раз выше, чем среднестатистические. Медицинские исследования и демографическая статистика показывают, что это никак не сказывается на их жизни, не оказывают никакого негативного влияния на их здоровье и здоровье их потомства.

Говоря об условности понятия «нормальный» природный фон, можно указать также ряд мест на планете, где уровень природной радиации превышает среднестатистический не только в разы, но и в десятки раз (таблица), этому воздействию подвержены десятки и сотни тысяч жителей. И это тоже норма, это тоже никак не сказывается на их здоровье. Более того, многие районы с повышенным радиационным фоном в течение столетий являются местами массового туризма (морские побережья) и признанными курортами (Кавказские Минеральные Воды, Карловы Вары и др.).