полный текст. История открытия радиоактивности Предмет и задачи радиоэкологии

• Название: История открытия радиоактивности Предмет и задачи радиоэкологии
• Анкор: полный текст.docx
• Дата: 27.05.2017
• Размер: 11.76 Mb.
• Имя файла: полный текст.docx
• Тип: Документы; #8107
• страница: 3 из 14

Радиоактивные семейства (ряды) – это генетически связанные последовательным радиоактивным распадом цепочки (ряды) ядер естественного происхождения. В природных рядах наблюдается только α- и β- распад.

Семейство урана. В природе уран состоит из трех изотопов — уран-238 (Т_1/2=4,5 млрд лет), уран-235 (Т_1/2=0,7 млрд лет) и уран-234 (Т_1/2=248 тыс. лет). Основную массу составляет уран-238 (99,28 %). Однако, уран-234 является альфа-излучателем и имеет меньший период полураспада, поэтому он вносит почти такой же вклад в облучение окружающей среды, как и уран-238 (1, 29).

Основная часть природного урана находится в мелкодисперсном состоянии в горных породах и почвах, а также в океанах, морях, озерах и реках. Однако встречаются и урановые провинции, где на многие сотни километров вокруг отмечается повышенное содержание урана во всех компонентах биогеоценозов. Известны урановые провинции в США (плато Колорадо, урановые месторождения в штатах Вайоминг, Дакота, Невада, Вашингтон), на западе Аргентины, вдоль Бразильского горного щита и на юге Африки, а также во Франции, в Чехии и Словакии.

Например, эквивалентная доза, получаемая 12-тысячным населением курортного города Гуапари (Бразилия), в 800 превосходит средний уровень и достигает 250 мЗв/год.

В организме млекопитающих уран накапливается в основном в костной ткани, причем более интенсивно в молодых организмах. Население Западной Австралии, проживающее в районах с повышенной концентрацией урана, питающееся мясом овец и кенгуру, получает дозы, в 75 раз превосходящие средний уровень (7,3). Среди растений лучшими аккумуляторами являются мхи.

В процессе распада родоначальника семейства урана-238 образуется ряд продуктов, которые вносят значительный вклад в формирование естественного радиационного фона.

Радий-226 (Т_1/2=1620 лет) —испускает альфа-излучение и гамма-излучение. Он сопутствует урану в местах его накопления и встречается повсеместно. Активно накапливается в растениях и рыбе, откуда поступает в организм млекопитающих, накапливаясь в основном в костях скелета, а также мягких тканях (55).

Рассеянный в земных породах радий-226 непрерывно распадается с образованием инертного благородного газа — радона-222 (Т1/2=3,82 суток). Это коротко живущий альфа-излучатель, который при распаде дает ряд дочерних, тоже радиоактивных нуклидов, излучающих альфа-, бета- и гамма-лучи.

Наибольший вклад в радиоактивное облучение человека вносит именно радон. Он ответственен за 3/4 годовой дозы облучения, получаемой людьми от земных источников радиации и примерно за половину этой дозы от всех природных источников. 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. При альфа-распаде образуется целый ряд более опасных изотопов: полная цепочка распада выглядит так: Радий-226 (Т1/2=1600 лет) альфа-распад => Радон-222 (Т1/2=3,82 дня) альфа-распад => Полоний-218 (Т1/2=3,11 минуты) альфа-распад => Свинец-214 (Т1/2=26,8 минуты) бета-распад => Висмут-214 (Т1/2=19,9 минуты) бета-распад => Полоний-214 (Т1/2=163 микросекунды) альфа-распад => Свинец-210 (Т1/2=22,3 года) бета-распад => Висмут-210 (Т1/2=5,01 дня) бета-распад => Полоний-210 (Т1/2= 138 дней) альфа-распад => Свинец-206 (устойчивый). Короткоживущие продукты распада не представляют особой опасности, поэтому наибольшее значение в этой цепочке имеют наиболее долгоживущие свинец-210 и полоний-210. В растения эти изотопы поступают из почвы через корневую систему, а также через листья с дождевой влагой. Например, обнаружено, что 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 мхах (в 20—30 раз выше).

Поэтому в районах Крайнего Севера в нашей стране, а также в Скандинавских странах, США и Канаде отмечается повышенная концентрация ²¹⁰РЬ и ²¹⁰Ро в пищевых цепочках и организме человека. Повышенное поступление свинца-210 и полония-210 связано с пищевой цепочкой лишайник—олень—человек. Оленина является основным источником мяса для оленеводов и коренных жителей этих районов, а из-за длительного выпаса оленей на пастбищах с лишайниками, характеризующимися интенсивным накоплением свинца и полония, мясо оленей отличается высокой концентрацией этих радионуклидов. Главным путем перехода РЬ и Ро в лишайники, не имеющие корневой системы, является поступление из воздyxa. Вследствие большой сорбционной способности фитомассы лишайников, экспонированной к содержащимся в воздухе свинцу и полонию, и большой продолжительности жизни лишайников (свыше 300 лет), они характеризуются высокой концентрацией ²¹⁰РЬ и ²¹⁰Ро. Период полуочищения лишайников от этих изотопов, по расчетам, равен 7 годам, т. е. эти радионуклиды выводятся очень медленно (2,37).

Олень потребляет ежесуточно 3—4 кг лишайников, что приводит к поступлению в его организм около 10 нКи ²¹⁰РЬ и ²¹⁰Ро. Концентрация этих изотопов 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 ²¹⁰Ро на Крайнем Севере с пищевыми продуктами принимается равным 100 пКи/сут). В крови, плаценте и гонадах коренных жителей Крайнего Севера концентрация свинца и полония в 2—12 раз выше, чем у жителей Западной Европы (1,38).

Очень большое количество ²¹⁰РЬ и ²¹⁰Ро содержится в съедобных частях водных организмов: в мышцах рыб и моллюсках. Если роль этих пищевых продуктов в рационе значительна (как, например, в Японии), то общее поступление этих радионуклидов в организм человека существенно выше.

Радон выделяется из почвы практически по всей поверхности земли. Хотя радон в 7,5 раз тяжелее воздуха, он выталкивается на поверхность избыточным давлением из недр. Средние мировые значения объемной активности радона в наружном воздухе на высоте 1 м от поверхности земли составляют от 7 до 12 Бк/м³ фоновое значение). На территориях с насыщенными радоном грунтами эта величина может достигать 50 Бк/м³. При возведении здания участок поверхности земли изолируется цоколем или фундаментом здания от окружающего пространства. Поэтому радон, выделяющийся из залегающих под зданием грунтов, не может свободно рассредоточиваться в атмосфере, и проникает в здание, где его концентрация в воздухе помещений становится выше, чем в наружном воздухе(рис.15). 
Основную часть дозы 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 (78).

Рис 15. Пути проникновения радона в жилой дом (125).

Максимальная концентрация радона наблюдается в подвалах и на первых этажах зданий. При измерениях уровня радона в городах Республики Беларусь установлено, что в отдельных подвальных помещениях концентрация радона превышает санитарно-гигиеническую норму в 7 раз, в полуподвальных - в 2,5 раза и на первых этажах - в 1,5-2,5 раза. 
 Наиболее распространенные строительные материалы (дерево, кирпич и бетон) выделяют относительно немного радона. Гораздо большей удельной радиоактивностью обладает гранит. Использование в изготовлении строительных материалов отходов производства аллюминия (кирпич из красной глины), черной металлургии и побочных продуктов переработки фосфорных руд: кальцийсиликатный шлак (при производстве бетона) и фосфогипс (при изготовлении строительных блоков, сухой штукатурки, перегородок и цемента) приводит к увеличению концентрации радона в строениях (рис.16).



Рисунок 16. Соотношение доз облучения, связанных с радоном (126).

Выделения радона из поверхностных водных источников, а также из сжигаемых в котлах дизельного топлива или природного газа, обычно пренебрежимо малы. Однако радон хорошо растворяется в воде, поэтому высокое содержание радона может быть в воде, подаваемой в здания непосредственно из скважин глубокого заложения. Эксперты Международного агентства по исследованию рака [ICRP,1994] считают, что из воды в здания поступает до 20% радона. 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.

Радон может поступать в жилые помещения и с природным газом. При его переработке и хранении большая часть радона улетучивается, но концентрация радона в помещении может заметно возрасти, если кухонные плиты, в которых сжигается газ, не снабжены вытяжкой. Поэтому необходимо часто проветривать помещения, особенно кухни и ванные комнаты (Рис.17).



Рисунок 17. Накопления радона в различных помещениях (127).

Следует отметить, что в некоторых курортных городах, известных своими радиоактивными источниками, таких, как Цхалтубо, Хмельник, Пятигорск, Белокуриха в СССР, Баден-Баден, Висбаден в ФРГ, Брамбах в Германии, Масутами-Спрингс в Японии и других, уровень радона значительно выше средних значений, но именно это привлекает миллионы туристов ежегодно (100,5).

Семейство Тория. Вторым после урана широко распространенным естественным радионуклидом является торий-232 (Т1/2=14 млрд лет). Сам торий является альфа-излучателем, однако в зонах его распространения естественный радиоактивный фон повышается за счет электронов, испускаемых дочерними продуктами распада.

Из дочерних продуктов распада наиболее долгоживущими является радий-228 (Т1/2=6,7 лет) и торий-228 (Т1/2=1,9 года). Остальные продукты распада (актиний-228, радий-224, радон-220, полоний-216, свинец-212, висмут-212, тулий-208) короткоживущие, их период полураспада составляет от нескольких часов до нескольких секунд. 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 (4).

Из горных пород и почв торий-232 и продукт его распада радий-228 путем выщелачивания поступают в воду. Из почвы торий в небольшом количестве поступает в растения. Исследования, проведенные в Белоруссии, 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 (58).

В морской воде торий-232 присутствует в очень малой концентрации, однако, морские организмы накапливают его в значительном количестве. Например, коэффициенты накопления (отношения концентрации в организме к концентрации в воде) для разных типов планктона колеблются от 560 до 1400. Торий при распаде выделяет инертный радиоактивный газ торон-222, который в настоящее время называется радон-222 и его поведение в среде аналогично описанному выше.

Семейство актиния (урана-актиния) начинается с урана-235 (Т_1/2=0,7 млрд лет) и заканчивается стабильным свинцом-207. Среди продуктов распада, большинство из которых являются короткоживущими, встречаются два долгоживущих изотопа: протактиний-231 (Т_1/2=32760 лет) и актиний-227 (Т_1/2=21.772 года). Первый является α-излучателем, второй - β-излучателем. Содержание в земной коре крайне невелико, поэтому представители данного семейства не оказывают заметного слияния на биосферу.

Все три радиоактивных семейства связаны между собой (рис.18).

Рисунок 18. Сотношение различных естественных источников облучения (128).

3. 
   ПРИРОДНЫЙ РАДИАЦИОННЫЙ ФОН И ЭВОЛЮЦИЯ (по Кузьмину, 1991)(55)
   

Согласно гипотезе А.И.Опарина и др., возникновению жизни на Земле предшествовал длительный период абиогенного синтеза простых и высокополимерных веществ, на основе которых 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 результате геологических процессов в большом количестве. Но для синтеза веществ, предшествующих образованию жизни, необходимы мощные источники энергии, т.к. сами по себе углеводороды достаточно инертны. Согласно традиционным представлениям, таким источником явился коротковолновый ультрафиолет. Но существует гипотеза о том, что ведущую роль в нарушении инертности углеводородов сыграла ионизирующая радиация. Предполагается, что 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. Таким образом, образовывались свободные радикалы, обладающие свободными валентностями и имеющие высокую реактивность, давая богатый материал для последующего синтеза аминокислот, полипептидов, нуклеотидов. Не меньшую роль играла ионизирующая радиация естественного радиационного фона и в дальнейшей эволюции живых организмов. Как известно, мутации, изменения структуры ДНК и связанное с этим изменение свойств организма дают исходный материал для последующего естественного отбора – основного фактора эволюции жизни. Мутагенное действие ионизирующего излучения было открыто у нас в стране в 1925 году советскими учеными Г.А.Надсоном и Г.С.Филипповым.

Естественно, встал вопрос: какой вклад ионизирующая радиация окружающей нас среды вносит в естественно наблюдаемый темп спонтанного мутагенеза?

Исходя из данных различных лабораторных экспериментов, естественный фон радиации может вызывать до 25% общего числа спонтанных мутаций.

Если мы примем 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 современные виды, что также повышало роль этого фактора в развитии жизненных форм.

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.

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 пишет, 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, Н.И.Вавилов дает географическую картину первичных областей видообразования и подчеркивает, что эти области приурочены преимущественно к горным и предгорным районам. Если сравнить карту месторождений урана с картой, на которую нанесены центры происхождения культурных растений, то можно наблюдать ряд совпадений, которые, по-видимому, не случайны. Особенно оно впечатляет в Центральной и Южной Америке. Вавилов выявляет центр видообразования в Центральной Америке — горный южномексиканский, и мы видим, что как раз в этом районе расположены крупные урановые провинции Лайв-Ок, Карнс, Буэна-Виста, Британской Колумбии и Сьерра-Пена-Бланка.

В Южной Америке Н. И. Вавилов отмечает три центра видо-образования, приуроченные к Андийскому хребту, по которому расположены урановые провинции Сантадер в Колумбии, Сьерра-Пампа в Аргентине, в Чили, Альтиплано в Боливии. С урановыми провинциями совпадают и центры видообразования в Иране, Афганистане, Пенджабе, южных отрогах Гималаев, северо-западной Индии. Конечно, не следует думать, что повышенная радиоактивность была единственной причиной бурного видообразования в перечисленных районах, но все, что мы знаем о влиянии ионизирующей радиации на мутагенез, полиплоидию, иммунную несовместимость при гибридизации, делает весьма вероятной гипотезу о значительном вкладе ПРФ в видообразование и эволюцию на нашей планете.

К интересным выводам о роли ионизирующих излучений в эволюции приходит С. Г. Неручев после детального исследования накопления урана в осадочных породах в различные палеонтологические эпохи. На основании этих исследований и широкого анализа данных палеонтологии Неручев утверждает, 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. Наиболее мощными радиоактивными эпохами были поздний девон—ранний карбон; поздняя юра—ранний мел; поздний карбон; поздний мел; поздняя пермь; средний—поздний эоцен.


Рис. 19. Сопоставление крупных урановых месторождений (1) (129) с выявленными Н.И.Вавиловым очагами видообразования (2) (127).

Как же отражалось повышение концентрации урана в водах Океана на живых организмах? Анализ литературы и собственные исследования позволили нам утверждать, 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.

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 — позднепермский, 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. Благодаря этому осадочные породы, образующиеся после вспышки уранонакопления в водах Океана, характеризутся одновременно увеличивающимся содержанием урана и органического вещества, что и было прослежено С. Г. Неручевым.

Таким образом, неравномерность развития органического мира, отмечавшаяся в работах наших крупных ученых — В. И. Вернадского, Л. С. Берга, В. В. Меннера и др., находит рациональное объяснение в свете неравномерных эпох повышения радиоактивности на нашей планете.

Следует отметить еще одно важное обстоятельство, связанное с меняющимся радиоактивным фоном Земли и образованием новых форм жизни. В настоящее время радиобиологи проследили тесную связь между радиоустойчивостью организма и его способностью выживать в неблагоприятных условиях среды. С другой стороны, показано, что длительное нахождение организмов в среде с повышенной радиоактивностью ведет к появлению радиоустойчивых форм. Отсюда неизбежен вывод, что в эпохи повышенной радиоактивности должно было идти не только массовое вымирание радиочувствительных форм, но и образование новых радиоустойчивых, причем последние могли завоевать новые ареалы жизнеобитания с менее благоприятными условиями, будучи более резистентными к этим условиям.

Из приведенных материалов ясно, что ЕРФ, 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 (55).

4. 
   Миграция радионуклидов в различных компонентах биосферы
   

Использование ядерной энергии сопровождается появлением в биосфере искусственных радионуклидов и их включением в биогеохимические процессы миграции, а в некоторых случаях также изменением темпов миграции естественных радионуклидов вследствие деятельности человека, связанной с перемещением их из глубоких зон земной коры (например, добыча урана).

Накопление в природной среде искусственных радионуклидов может иметь ряд последствий. Во-первых, радионуклиды являются источниками излучения, которое может приводить к различным радиационным эффектам в природной среде. Во-вторых, в результате радиоэкологических процессов переноса может произойти аккумуляция радионуклидов в некоторых звеньях их миграции и живые организмы, характеризующиеся повышенным накоплением радиоактивных веществ, могут подвергнуться относительно высокому облучению. В-третьих, возможно попадание радиоактивных веществ в пищевой рацион человека и далее в его организм как одно из конечных звеньев круговорота в биосфере радионуклидов (3).

Поступившие во внешнюю среду в результате деятельности человека естественные и искусственные радионуклиды включаются в биогеохимические циклы круговорота, основные особенности которых определяются, прежде всего, свойствами самой среды.
5.1 Атмосфера

Атмосфера является источником радионуклидов для наземных и водных экосистем. Радионуклиды атмосферы формируют внешнее облучение живых организмов, а после поступления из воздуха в наземные биогеоценозы и водную среду эти радионуклиды включаются в процессы круговорота в биосфере.

Радиоактивность приземной атмосферы формируется в основном радионуклидами естественного происхождения, но в последние десятилетия значительное влияние стали оказывать выпадающие радиоактивные осадки, сформированные продуктами ядерных взрывов и газо-аэрозольными выбросами АЭС и других объектов ядерной энергетики (29).

Испытания ядерного оружия в атмосфере являются источниками дополнительного облучения населения земного шара.

По данным ООН с 1945 г. до 1980 г. произведено 423 взрыва суммарной мощностью 545,4 Мт. Сведения о количестве испытаний ядерного оружия в атмосфере пятью странами – участниками «ядерного клуба» приведены ниже в таблице №4. В 1963 г. США, СССР и Великобритания подписали договор о прекращении экспериментальных ядерных взрывов в атмосфере, космическом пространстве и под водой. Франция отказалась присоединиться к этому договору и продолжала испытания ядерного оружия в атмосфере до 1974 г., а КНР–вплоть до 1980 г.

Ядерное оружие испытывали на полигонах: в Маралинге (Австралия), Семипалатинске (СССР), шт. Невада близ Лас-Вегаса (США), на атолле Муруроа во французской Полинезии и в китайской провинции Синцзянь (130).

Таблица 1.

Количество экспериментальных ядерных взрывов, произведенных в атмосфере странами, владеющими ядерным оружием (130).

Страна	Период времени, годы	Количество взрывов	Суммарная мощность, Мт
США	1945-1962	193	138,2
СССР	1949-1962	142	357,5
Великобритания	1952-1962	21	16,7
Франция	1960-1974	45	11,9
КНР	1964-1980	22	20,7

 

При этих взрывах образовалось большое количество радионуклидов как в результате процессов деления ядра, так и при реакциях синтеза легких ядер. Принято считать, что выход продуктов деления пропорционален мощности взрыва за счет реакции деления, а выход нуклидов – за счет продуктов активации таких, например, ядер, как Н³ и С¹⁴ – пропорционален мощности взрыва за счет реакции синтеза.

При взрывах мощностью 100-200 кт вблизи или на поверхности земли радионуклиды разносятся на высоте тропосферы. После вхождения в атмосферу радиоактивные продукты взрывов быстро перемещаются вниз до высоты около 4 км в результате турбулентного перемешивания и конвективного переноса. Поэтому из тропосферы радиоактивные осадки выпадают на земную поверхность самое большее за несколько месяцев. Как правило, период полуочищения 20-40 дней. При этом самые крупные частицы (более 10 мкм, до нескольких мм) содержатся в составе сухих выпадений, а остальные – преимущественно с дождем или снегом.

При взрывах мощностью 1-50 мт высота выброса радиоактивного облака достигает тропосферы.

При более мощных взрывах радиоактивные продукты выбрасываются в стратосферу, где перемешивание вертикальных слоев воздуха слабое, а осаждение медленное. Радиоактивные аэрозоли микроскопических размеров (4*10-5 см) в составе радиоактивного облака остаются в стратосфере от нескольких месяцев до нескольких лет, а ветры переносят это облако над всей Землей (стратосферный перенос). До 2/3 общего количества осадков – стратосферные осадки, с которыми на земную поверхность поступают искусственные радионуклиды ядерных взрывов.

Сезонные изменения в переносе масс воздуха из стратосферы в тропосферу (обмен стратосфера – тропосфера) определяют и сезонные изменения в выпадениях радионуклидов на земную поверхность. Направленное вниз движение увеличивается над антициклоническими и уменьшается над циклоническими образованиями (из-за образования соответственно нисходящих и восходящих потоков). Отсюда существенная зависимость плотности радиоактивных выпадений от метеопараметров. Кроме того, скорость очистки тропосферы от радиоактивных аэрозолей и, соответственно, плотность радиоактивных выпадений, зависят от размеров аэрозолей и их физико-химических свойств (в том числе формы химических соединений), растворимости, электрического заряда, характера радиоактивного распада, наличия других аэрозольных частиц в атмосфере (пыли, солей, жидкостей) и характера подстилающей земной поверхности.

Выпадения бывают с осадками и без них (сухие). В умеренных широтах с осадками выпадают в 9 раз больше радиоактивных продуктов. В засушливых зонах преобладающими становятся сухие выпадения.

Для выпадения на земную поверхность характерны сезонные колебания: весенний максимум в марте – мае (в северном полушарии) и сентябре – ноябре (в южном полушарии). Это связанно с весенней перестройкой высоты тропосферы. Возможны максимумы, связанные с изменением метеорологических параметров и с близостью источников радиоактивности.

Снег вымывает аэрозоли в несколько раз эффективнее, чем дождь той же интенсивности, а эффективность вымывания мелкокапельными осадками больше, чем крупнокапельными. Количество удаленных радиоактивных примесей прямо пропорционально количеству удаляющих их осадков. В умеренных широтах с атмосферными осадками (влажные выпадения) удаляется около 60—70 % общей суммы радиоактивных выпадений. Причем, скорость выпадения радиоактивных осадков в северном полушарии больше, чем в южном.

Радиоактивные выпадения делятся на три вида в зависимости от времени, прошедшего с момента взрыва до оседания частиц на земную поверхность.

1. Ближние, или локальные выпадения представлены относительно крупными (более 100 мкм) частицами, оседающими на землю преимущественно под действием силы тяжести. Локальные выпадения начинаются сразу после взрыва и продолжаются в течение последующих 1—2 суток, охватывая по мере переноса радиоактивного облака ветром все более обширную территорию. В результате локальных выпадений на земной поверхности образуется радиоактивный след шириной несколько десятков и протяженностью в несколько сот километров. Крупные частицы, оседающие под действием силы тяжести, попадают непосредственно на земную поверхность, в том числе на растительность и животных, обусловливая их поверхностное загрязнение.

2. Промежуточные, или тропосферные выпадения представлены мелкими частицами (несколько микрометров и менее). Эти частицы формируются в тропосфере, ниже тропопаузы (переходный слой между тропосферой и стратосферой), на высоте 11—16 км. Период полувыведения этих частиц из тропосферы составляет 20—30 суток.

3. Глобальные, или стратосферные выпадения состоят из частиц от нескольких сотых до десятых долей микрометра, забрасываемых в стратосферу на высоту 10—30 км. Оттуда они переносятся в тропосферу струйными течениями и циклональными вихрями либо с воздушными массами через разрывы в тропопаузе (58). При перемешивании воздушных потоков в стратосфере радионуклиды переносятся из одного полушария в другое. Время пребывания частиц в стратосфере достигает почти двух лет.

Глобальные выпадения характеризуются практически полной усвояемостью биологическими системами.

Радиоактивные вещества, образующиеся при испытательных ядерных взрывах, создают радиационное воздействие – внутреннее облучение (от вдыхания радиоактивных веществ, содержащихся в приземных слоях атмосферы, и употребления в пищу продуктов питания и питьевой воды, загрязненных радионуклидами) и внешнее облучение (от радиоактивных веществ, присутствующих в приземном слое воздуха или выпавших на поверхность земли).

Бóльшая часть дозы облучения населения земного шара от радионуклидов Zr⁹⁵, Ru¹⁰⁶, Се¹⁴⁴, I¹³¹, образовавшихся в результате всех проведенных по 1980 г. испытаний, уже сформирована. Значительная часть дозы Sr⁹⁰, Cs¹³⁷ сформирована к 2000 г (130).

Кроме долгоживущих радионуклидов в атмосферу Земли при ядерных взрывах выбрасывались короткоживущие радионуклиды.

Индивидуальная эквивалентная доза облучения вследствие проведения испытаний ядерного оружия в атмосфере составила 4,5 мЗв в СССР, а в среднем по земному шару – 3,8 мЗв, причем основной вклад (2,6 мЗв) в указанные дозовые нагрузки вносит С¹⁴, обладающий очень большим периодом полураспада.

Выбросы АЭС. При нормальном функционировании АЭС в атмосферных выбросах преобладают инертные радиоактивные изотопы ксенона, криптона и аргона. Для уменьшения их радиоактивности на АЭС осуществляется их временная задержка в реакторе (для распада короткоживущих радионуклидов) перед тем как выбрасывать в атмосферу. При распаде инертных радиоактивных газов образуются стронций-90 и цезий-137, которые характеризуются большими периодами полураспада.

Кроме инертных радиоактивных газов объекты ядерной энергетики выбрасывают в атмосферу тритий, углерод-14, стронций-90, йод-131, цезий-137, а также следовые количества техногенных радионуклидов — хрома-51, марганца-54, кобальта-58, кобальта-60, циркония-95, ниобия-95 и т. п. Большинства из них оседают в непосредственной близости от АЭС и только йод-131 обнаруживаются на расстоянии 30—50 км.
5.2Гидросфера
Моря и океаны занимают 2/3 поверхности планеты, а плотность выпадения искусственных радионуклидов на океаническую поверхность выше, чем на континентальную.

По существу, морская вода является хлоридно-сульфатно-натриево-магниевым раствором, в котором в виде следов и примесей находятся все остальные химические элементы, в том числе и радиоактивные. Основные компоненты этого раствора находятся в нем в постоянных концентрациях, но для большинства микроэлементов характерны пространственные и временные колебания их абсолютного и относительного содержания. Это связано со специфическим сложным поведением микроколичеств вещества в растворе (когда начинают сказываться специфические законы адсорбции, коллоидообразования и др.), а также влиянием растворимого и коллоидного органического вещества, бактерий, гидробионтов и различных взвесей.  Взвешенное вещество включает планктон, минеральные частицы терригенного и вулканического происхождения, детрит (тонкие минеральные и органические остатки отмерших организмов).  Взвеси имеют полудисперсный состав с размерами частиц от 0,01 мкм до 1 мкм, причем основная часть взвеси представляет собой тончайший материал. Удельная поверхность взвеси и коллоидов в морской воде исключительно велика – при среднем содержании взвеси в океане около 1 г/см³ удельная ее поверхность составляет 10 - 40 м²/г. На границе раздела взвесь-раствор непрерывно происходят обменные процессы адсорбционного накопления ионов и атомов, изоморфного их замещения и другие физико-химические процессы. Хотя адсорбция на поверхности живых организмов существенно ниже адсорбции на неорганической взвеси, ее влияние на геохимию океана исключительно велико из-за высокой избирательной способности гидробионтов к поглощению отдельных элементов и накоплению их в количествах, существенно больших их содержания в растворе. Типичные величины коэффициентов распределения содержания некоторых радионуклидов между твердой и жидкой фазой в морских водах следующее: р/н йода К_d=10; р/н стронция К_d=10²; р/н цезия К_d=2´10³; р/н плутония К_d=5´10⁴ и ряда лантаноидов К_d=5´10⁵.

В результате этих и других процессов многие параметры морской среды тесно связаны с биомассой морских организмов, их жизнедеятельностью, составом и миграцией.

Время нахождения радионуклидов определяются формой, в которой они поступают в морскую среду, а также механизмом его миграции в морской среде (19).

Основным источником поступления искусственных радионуклидов в моря и океаны являются атмосферные выпадения (глобальные и локальные) на их поверхность, а также перенос радионуклидов с загрязненной земной поверхности водосборных бассейнов через гидрографическую сеть. Большие объемы воды используются для охлаждения ядерно-энергетических установок, при этом в воду попадают радиоактивные продукты коррозии. При появлении протечек промконтура, системы охлаждения конденсаторов турбин эти радионуклиды могут попасть в жидкие сбросы АЭС. Не исключено и попадание искусственных радионуклидов в водную среду при авариях, поскольку АЭС сооружают, как правило, на берегах морей, океанов и крупных водоемов (111, 51). В основном влияние АЭС на увеличение радиоактивности воды прослеживается в сбросных каналах и прилегающей к ним акватории водоема-охладителя, который больше всего загрязнен тритием.

Разгерметизация емкостей хранилищ радиоактивных отходов и нарушения гидроизоляции также могут привести к попаданию радиоактивных веществ в грунтовые воды. Например, зафиксировано загрязнение грунтовых вод тритием, кобальтом-60, цезием-134, цезием-137 вблизи хранилища радиоактивных отходов Нововоронежской АЭС (111).

Естественно, выпадения первоначально в наибольшей степени концентрируются в поверхностном слое морей и океанов.

Темпы насыщения искусственными радионуклидами поверхностного слоя океана существенно меньше темпов увеличения их запаса на поверхности континентов (для ⁹⁰S отмечено различие примерно в 5 раз). Уровень содержания искусственных радионуклидов в поверхностных водах определяется и скоростью обмена поверхностных вод с водами нижних слоев. Среднее время пребывания ⁹⁰S в слое перемешивания в Тихом океане 3 года, в Атлантическом - 3,5 года. Уровни загрязнения зависят от особенностей гидрологического режима рассматриваемого водоема и степени изолированности его вод. Наибольшие отличия будут иметь место для мелководных и внутренних бассейнов. Так, воды Черного моря отличаются значительно большим содержанием ⁹⁰S как из-за повышенной интенсивности выпадений на его акватории, так и из-за затрудненного водообмена между поверхностным и глубинным слоями. В Балтийском море концентрация Sr и Cs в 6—10 раз выше, чем в Атлантическом океане на тех же широтах.

Несмотря на сокращение числа ядерных взрывов в северном полушарии, уменьшения радиоактивного загрязнения поверхностных вод океана и морей почти не происходит, а в южном полушарии оно растет.

Особый интерес представляет изучение поведения радионуклидов в прибрежной зоне Мирового океана, куда может поступать радиоактивный сток рек. Эти районы характеризуются быстрым перемещением вещества, интенсивным задерживанием поступающего сюда стока, значительной биологической активностью и большим количеством биогенной и литогенной взвеси. Большая часть радиоактивных веществ, поступающих в эти районы с твердым материковым стоком, выпадает здесь в донные отложения (4,24).

Прибрежные экосистемы морей (дельты рек, эстуарные акватории) отличаются относительно высокой способностью к фильтрации радионуклидов из морской воды в донные отложения, макрофаги и зообионты. В таких зонах зафиксированы максимальные уровни загрязнения морей. Для многих морей в этом ключевую роль играет аккумулирующие свойства глинистых отложений и водорослей. Фильтрационные способности таких зон определяются насыщенностью речных и талых вод искуственными радионуклидами, темпами седиментации и биологической продуктивности, скоростью стоковых течений, условиями перемешивания морских и пресных речных вод.

В зонах дельты и эстуарной акватории крупных рек темпы осадконакопления на много порядков выше, чем в открытом море. В условиях высокой скорости седиментации в зоне смешивания речных и морских вод происходит активное накопление в донных отложениях таких радионуклидов, как ¹³⁷Cs, ^239,240Pu, ⁶⁰Со и, отчасти ⁹⁰Sr, который достаточно устойчив в водной фазе и для которого не характерно эффективное накопление в донных отложениях.

Определенная часть искусственных радионуклидов из речных вод вовлекается в процесс биологической сорбции, которая также заканчивается в донных осадках. В этой биофильтрации вод важную роль играют заросли прибрежной растительности (от земных нитчатых водорослей до макрофагов), при отмирании которых накопленные в их тканях ИРН переходят в грунты.

Наиболее интенсивное загрязнение российских морей происходило в 1960-1970 гг. Источниками загрязнения являлись ядерные взрывы, предприятия ядерного топливного цикла, судостроительные и судоремонтные заводы и базы атомного флота, захоронения РАО и силовые ядерные установки. Большинство этих источников загрязнения характерны для арктических морей. С речными стоками в 1961-1990 гг в эти моря поступило ⁹⁰Sr:  в Белое и Баренцево моря: - 3,8 ^. 10¹⁴ Бк; в море Лаптевых – 4,6 ^. 10¹⁴Бк; в Восточно-Сибирское – 1,7 ^. 10¹⁴ Бк; в Карское – 1,4 ^. 10¹⁵ Бк. В последующие годы загрязнения уменьшились на порядок за счет сокращения сбросов радионуклидов, их естественного радиоактивного распада и процессов самоочищения.

Открытый океан относительно беднее живыми организмами и твердым веществом в поверхностных слоях, а также здесь ниже общее содержание питательных веществ. Хорошо выраженная стратификация в открытом океане препятствует крупномасштабному перемешиванию и вертикальному подъему глубинных вод. Инертные вещества не задерживаются в прибрежной части океана, а мигрируют в открытый океан. Биологически активные нуклиды, наоборот, усваиваются живыми организмами в прибрежной зоне и затем выпадают на дно. Радионуклиды, длительно пребывающие в океанической среде, накапливаются в открытом океане.

Для морских экосистем основной вклад в выведение радионуклидов из воды дают литодинамическая и биологическая адсорбция.

Литодинамическая адсорбция состоит в поглощении радионуклидов поверхностью взвешенных частиц и илов и осаждении их на дно. Основное значение в этом процессе принадлежит глинистым минералам, органическому углероду, железу, марганцу и алюминию. Они обладают огромной сорбирующей емкостью по отношению к содержащимся в жидкой фазе радионуклидам, что приводит к отложению радиоактивных веществ на дно. Аккумуляция радионуклидов в донных отложениях может обусловливать накопление их в организмах, обитающих в илах, а это может привести к поступлению радионуклидов с продуктами моря в организм человека.

Сорбционная способность донных отложений зависит от размера частиц илов, физико-химических свойств радионуклидов и состава жидкой фазы.

Геохимическая роль донных отложений двояка – они могут как депонировать радионуклиды (и тем способствовать самоочищению воды), так и десорбировать из (загрязнять воду).Так, например,  донные отложения являются основным источником радионуклидов радия (²²⁶Ra, ²²⁸Ra) в воде. Кроме того, перемещение радионуклидов, находящихся в донных илах, может быть вызвано непосредственным передвижением донных осадков (4,19).

Наиболее важную роль в миграции радионуклидов в морской среде играют живые организмы. Их значение особенно велико в участках водной среды с большой биомассой гидробионтов. Концентрация радионуклидов в гидробионтах значительно выше, чем в воде, а кроме того, живые организмы могут перемещаться в иных направлениях чем водные массы. Все это определяет их значение в переносе радионуклидов в водной среде. Вследствие аккумуляции радионуклидов водными организмами (особенно водными растениями) техногенные радионуклиды обнаруживаются в них чаще, чем в воде, а для большинства рыб концентрация техногенных радионуклидов не превышает нескольких процентов от уровня естественного радиоактивного фона.

Биологическая адсорбция происходит непрерывно в процессе солевого обмена водными организмами с внешней средой (водой) и обусловлена проницаемостью для ионов покрова тела всех видов гидробионтов. Для конкретного организма она заканчивается либо трансформацией по пищевым цепям, либо вовлечением его в донные осадки (после отмирания). Скорость сорбирования и коэффициенты поглощения радионуклидов из воды определяются индивидуальными особенностями того или иного вида (морфологические черты организма, возраст, площадь адсорбционной поверхности тела).

Концентрация радионуклидов в гидробионтах зависит не только от концентрации радиоактивных веществ в воде, но и от степени ее минерализации. Так, содержание Sr и Cs в морских гидробионтах существенно ниже, чем в обитателях пресноводных водоемов. С уменьшением степени минерализации воды в местах впадения в моря и океаны рек, несущих более пресные воды, концентрация искусственных радионуклидов в гидробионтах увеличивается. Например, содержание Sr в костях рыб в заливах Балтийского моря примерно в пять раз выше, чем в рыбах Атлантического океана (4,5).

В водных пищевых цепях радионуклиды мигрируют иначе, чем в наземных цепях: некоторые гидробионты не только лишены механизма, защищающего их от накопления радионуклида, но и наоборот, энергично их аккумулируют. Для гидробионтов вода - единственная среда обитания. В их организм радионуклиды поступают через жабры и поверхность тела, т.е. минуя кишечник, при этом некоторые удерживают их лишь самым поверхностным слоем (морские водоросли).

Гидробионты фиксируют прежде всего те радионуклиды, которые легко осаждаются с органическими веществами и образуют с ними комплексы, уже мало участвующих в обмене веществ.

В организме рыб радионуклиды распределяются избирательно. Критическим органом является костный скелет, плавники и чешуя, т.е. ткани, содержащие Са. В мышцах же его концентрация значительно ниже. Цезий, напротив, накапливается в мышечной ткани и коже рыб.

Аккумуляцию радионуклидов гидробионтами оценивают с помощью коэффициентов накопления – отношения концентрации радионуклида в гидробионте и в окружающей его среде в равновесии. Это относительный показатель, т.к. водные организмы могут усваивать радионуклиды одновременно из нескольких источников (например, из воды и донных отложений). Как правило, радионуклиды усваиваются гидробионтами из воды двумя путями: по пищевой цепи и непосредственно из воды в процессе минерального питания. В период эмбрионального и раннего постэмбрионального развития рыба усваивает радионуклиды только из воды, а после перехода на активное питание основное количество радиоактивных веществ поступает в ее организм из кормов и частично из воды. Даже у многощетинковых червей, обитающих в донных отложениях, вода как источник радионуклидов играет более важную роль, чем илы. Хотя вода может быть и не единственным (а иногда и не основным) источником радионуклидов, определение коэффициента накопления радионуклидов по отношению к водной фазе оправдано тем, что это - первое звено, куда поступают искусственные радионуклиды (19).

Положение упрощается для водных организмов, населяющих поверхностные слои водной среды и играющих наиболее важную роль в переносе радиоактивных веществ в гидросфере. Главным и в большинстве случаев единственным источником радионуклидов для планктона и нектона является вода, и в этом случае коэффициент накопления однозначно соотносит концентрацию радионуклида в гидробионте и воде (5).

Коэффициент накопления радионуклидов одними и теми же организмами может варьировать в достаточно широких пределах. Травоядные организмы по сравнению с хищными характеризуются более высокой аккумуляцией некоторых радионуклидов. Накопление выше на низших трофических уровнях, чем на более высоких, т.е. коэффициент накопления водными организмами уменьшается по мере перехода к более высоким трофическим уровням (105). Различна и интенсивность усвоения радионуклидов различными видами животных. Например, морскими беспозвоночными (Carcinus) радионуклиды усваиваются из пищи с интенсивностью до 20—60%, тогда как у млекопитающих этот показатель равен десятым и сотым долям процента (5,19).

Пресноводные водоемы. В пресноводной среде накопление радионуклидов гидробионтами существенно отличаются от морской. Это объясняется физико-химическими, гидрологическими, гидродинамическими и гидрохимическими особенностями пресноводной воды. Пресные водоемы содержат меньше солей, что обеспечивает большее накопление радионуклидов в пресноводных растениях и животных по сравнению с морскими и океаническими. Пресноводные органзмы для поддержания нужного осмотического давления, гипертонического по отношению к окружающей пресной воде поглощают из нее соли, а морские для саморегуляции их, наоборот, выделяют (5).

В природных условиях основное количество осевших из воздуха на зеркало пресноводного водоема или сброшенных в эти водоемы искусственных радионуклидов довольно быстро переходило в донные отложения, а в биомассе накапливалось незначительно. Например, содержание Sr и Сs в биомассе одного из пресноводных озер зоны умеренного климата равно соответственно 0, 85 и 0, 3% общего количества радионуклидов в водоеме. Эффект трофических уровней проявляется только для хищных видов рыб и характеризуется повышенным накоплением радиоактивного цезия в тканях хищных видов рыб по сравнению с растительноядными (5,46).

Средние коэффициенты накопления Sr в различных частях сети питания для озерной воды, составляет (5):

Озерная вода –1

донные осадки-200

Водные растения-100

Моллюски-750

Мелкая рыба-1000

кости окуня-1000

ондатра - 1500

бобр-1400

При попадании радионуклидов в водоемы возникает проблема радиационной безопасности в двух аспектах:

- биологическом — влияние повышенного фона ионизирующих излучений на гидробионты.

- санитарном-гигиеническом - водная продукция (рыба и морепродукты), может быть использована как компонент рациона человека, а водоем - как источник воды для человека и животных. Кроме того, вода может быть использована как источник орошения. Тогда радионуклиды могут попасть в организм человека с продуктами, выращенными на орошаемых землях (5).

5.3 Почва