Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,823

ВЛИЯНИЕ КОРОТКОЖИВУЩИХ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗОТОПОВ НА ИЗМЕНЕНИЕ ГАММА-ФОНА ВО ВРЕМЯ ОСАДКОВ НА ЕВРОПЕЙСКОМ СЕВЕРЕ РОССИИ

Яковлев Е.Ю. 1 Дружинин С.В. 1 Быков В.М. 2
1 Федеральный исследовательский центр комплексного изучения Арктики имени академика Н.П. Лаверова Российской академии наук
2 Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова
Атмосферные осадки являются для человека одним из потенциальных источников опасного ионизирующего излучения. Атмосферные аэрозоли являются носителем ряда радиоактивных изотопов земного и космического происхождения, попадают в органы человека и оказывают негативное влияние на здоровье. Считается наиболее опасным среди естественных радионуклидов в атмосфере инертный быстрораспадающийся газ радон, который и составляет основную дозу облучения человека совместно с продуктами его распада. Серия короткоживущих продуктов распада радона, представленная радиоактивными изотопами полония, свинца и висмута, связанная с аэрозолями, играет большую роль в формировании радиационного фона атмосферы. Соответственно, от количества аэрозольных частиц, содержащих эти радиоактивные металлы, будет зависеть состояние радиационного фона атмосферы. Основной путь поступления аэрозолей на поверхность земли – это влажные выпадения в виде дождя и снега и сухие выпадения в виде мелкодисперсных твердых частиц. Поэтому важным является исследование вариаций гамма-фона на поверхности земли во время осадков и определения активности быстро распадающихся радиоактивных изотопов в самих осадках. В настоящей работе, приводятся оригинальные результаты измерения гамма-фона во время выпадения осадков и гамма-активные спектры влажных и сухих аэрозолей на территории Архангельской области. Выявлено, что значения гамма-фона во время выпадения осадков увеличиваются более чем в три раза. Восстановление нормального фона происходит через полтора часа после прекращения выпадений. Установлено, что атмосферные осадки содержат в аэрозолях радиогенные короткоживущие изотопы, являющиеся продуктами распада радона. Полученные результаты находятся в согласии с другими исследованиями и известными фактами.
гамма-спектрометрия
атмосферные осадки
гамма-доза
свинец-214
висмут-214
1. Особенности изменчивости гидрологических и биооптических характеристик на поверхности Черного моря по данным спутниковых и контактных измерений / Ю.В. Артамонов, В.Н. Белокопытов, Е.А. Скрипалева [и др.] / под ред. В.Н. Еремеева, С.К. Коновалова. – Севастополь: Морской гидрофизический институт НАН Украины. – 2012. – 357 с.
2. Mendonca de R.R.S., Raulin J.P., Bertoni F.C.P., Echer E., Makhmutov V.S., Fernandez G. Long-term and transient time variation of cosmic ray fluxes detected in Argentina by CARPET cosmic ray detector // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. – 2011. – Vol. 73. – Р. 1410–1416.
3. Лидванский А.С. Вариации интенсивности мюонов космических лучей вызванные грозовыми электрическими полями // А.С. Лидванский, В.Б. Петков, Н.С. Хаердинов // Известия РАН, серия физическая. – 2004. – № 11. – С. 1605–1607.
4. Вариации естественного рентгеновского фона в полярной атмосфере / Ю.В. Балабин [и др.] // Геомагнетизм и аэрономия. – 2014. – № 3. – С. 376–386.
5. Germanenko A.V., Balabin Yu.V., Gvozdevsky B.B., Vashenyuk E.V., Melnik N.A. Study of radiation related with atmospheric precipitations. Physics of Auroral phenomena, 34th annual seminar: материалы международной науч. конференции. – Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН, 2011. – С. 185–188.
6. Балабин Ю.В., Германенко А.В., Гвоздевский Б.Б., Вашенюк Э.В. Особенности вариаций гамма-излучения во время осадков // Physics of Auroral phenomena, 35th annual seminar: материалы международной науч. Конференции. – Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН, 2011. – С. 143–146.
7. Вариации естественного гамма-фона во время выпадения атмосферных осадков / А.В. Германенко [и др.] // Вестник Кольского научного центра РАН. – 2010. – № 3. – С. 104–109.
8. Дружинин С.В. Изотопы бериллий-7, полоний-210, свинец-210 в атмосферных осадках и аэрозолях г. Архангельска / С.В. Дружинин, Г.П. Киселев // Вестник Поморского университета. Серия «Естественные науки». – 2010. – № 4. – С. 15–19.
9. Киселев Г.П. Особенности распределения бериллия-7 в атмосферных выпадениях и растениях Европейского Севера России / Г.П. Киселев, С.В. Дружинин // Проблемы биогеохимии и геохимической экологии. – 2013. – № 2. – С. 46–51.
10. Сапожников Ю.А. Радиоактивность окружающей среды / Ю.А. Сапожников. – М.: Теория и практика, 2006. – 286 с.
11. Баженов В.А. Вредные химические вещества. Радиоактивные вещества / В.А. Баженов, Л.А. Булдаков, И.Я. Василенко. – Л.: Химия, 1990. – 464 с.
12. Ферронский В.А. Космогенные изотопы гидросферы / В.И. Ферронский, В.В. Поляков, В.В. Романов. – М.: Наука, 1984. – 268 c.
13. Koch D., Mann M. Spational and temporal variability of 7Be surface concentrations // Tellus. – 1996. – № 48. – Р. 387–396.
14. Yamamoto M., Sakaguchi A., Sasaki K., Hirose K., Igarashi Y., Ki C.K. Seasonal and spatial variation of atmospheric 210Pb and 7Be deposition: features of the Japan Sea side of Japan // Journal of Environmental Radioactivity. – 2006. – vol. 86. – Р. 110–131.
15. Содержание космогенного Be-7 в приземном слое воздуха умеренных широт / Е.А. Бураева [и др.] // Атомная энергия. – 2007. – № 6. – С. 370–374.

Природные источники ионизирующего излучения создают около 70 % суммарной дозы облучения, получаемой человеком от всех источников радиации. Наибольший вклад в дозу, создаваемую естественными радионуклидами, вносит радиоактивный газ радон и дочерние продукты его распада, в том числе и короткоживущие. В многочисленных исследованиях последних десятилетий подробно описываются пути поступления радона и механизмы его воздействия на организм человека. Однако информации об активности продуктов распада радона, в особенности короткоживущих, концентрации которых на поверхности земли после выпадения атмосферных осадков могут оказаться значительными, в настоящее время недостаточно, что определяет актуальность настоящего исследования.

Цепочка распадов короткоживущих изотопов в ряду родоначальника семейства – природного урана-238, которые могут влиять на изменение гамма-фона, выглядит следующим образом:

Радионуклид

222Rn →

218Ро →

214Рb →

214Вi

Период полураспада

3,82 дня

3,11 мин

26,8 мин

19,8 мин

Тип распада

α

α

β, γ

β, γ

 

В этой цепочке лишь 222Rn находится в газообразном состоянии, остальные радионуклиды связаны с аэрозольными частицами. Наибольший интерес по ряду причин представляют 214Pb (RaB) и 214Bi (RaC): это γ-излучающие изотопы и в основном они формируют поле гамма-излучения атмосферы [1]. Поведение этих изотопов носит региональный характер, т.е. метеопараметры и другие факторы могут оказывать существенное влияние на их абсолютные концентрации, отношение концентраций, взаимодействие с аэрозольными частицами и т.д. [1]. Вероятно, изменение активности данных короткоживущих изотопов в зависимости от метеоусловий будет определять вариации гамма-поля в приземном слое атмосферы, которые могут быть существенными. Однако на это явление существуют различные взгляды.

Зависимость возрастания гамма-фона от метеоусловий обнаружена в низких широтах тропической зоны [2, 3]. Увеличение фона во время грозы объясняется сильными электрическими полями между грозовыми облаками, доускоряющими заряженные частицы вторичных космических лучей [3].

Мониторинговые наблюдения фона гамма-излучения в приземном слое атмосферы Арктических областей также обнаруживают, что почти всякий сильный дождь или снегопад вызывает возрастание гамма-фона [4–6]. Причиной возрастания гамма-фона в приземном слое атмосферы данных областей во время осадков предполагается тормозное рентгеновское излучение энергичных электронов, ускоренных электрическими полями внутри дождевых (снеговых) облаков [6]. Этот вывод был сделан на основе того, что авторами работ [7] в гамма-фоне в период возрастаний не обнаружено характерных линий каких-либо радионуклидов. В дождевой воде радионуклиды также не были обнаружены [7]. Согласно работам [4–7] наблюдаемые возрастания гамма-фона во время осадков являются следствием изменения условий взаимодействия космического излучения с атмосферой и не связаны с какими-либо антропогенными либо природными радионуклидами. Вероятно, определенная связь возрастания гамма-фона во время осадков с воздействием космического излучения существует, что нельзя отрицать, однако с утверждениями об отсутствии в осадках радионуклидов, которые могут влиять на кратковременное увеличение общего гамма-фона, нельзя согласиться. Многолетние исследования аэрозолей воздуха и атмосферных осадков демонстрируют постоянное присутствие космогенных (7Be) и радиогенных радионуклидов (210Po, 210Pb, 214Pb, 214Bi) в нижних слоях атмосферы, которые адсорбируется на аэрозолях субмикронного размера, формируя естественный радиационный фон атмосферы [8, 9]. В частности, изучены механизмы поступления 7Be (период полураспада 53,29 сут) на земную поверхность [9]. В основном 7Be попадает на поверхность земли в виде «сухих» (с аэрозолями воздуха) и «мокрых» (с атмосферными осадками) выпадений [10–15]. Наблюдаемые изменения гамма-фона во время осадков, отмеченные авторами [7], вероятно, также связаны с возрастанием интенсивности поступления аэрозолей на поверхность земли, содержащих короткоживущие радиогенные изотопы, поскольку отмеченные возрастания гамма-фона носят непродолжительный характер, совпадающий со временем выпадения осадков. Однако обнаружить в осадках присутствие этих радионуклидов достаточно сложно, поскольку концентрации их ультранизкие, а за время пробоподготовки, направленной на концентрирование изотопов из больших объемов, короткоживущие изотопы способны значительно распасться.

Указанные предпосылки определили необходимость проведения серии натурных наблюдений связанных с изучением вариаций естественного гамма-фона при выпадении осадков и установления вклада короткоживущих радионуклидов уранового ряда, содержащихся в виде аэрозолей в нижних слоях атмосферы, в увеличение гамма-дозы. Для выполнения указанной цели было необходимо изучить изменение интенсивности гамма-излучения во время выпадения осадков и определить энергетический диапазон, в котором происходят вариации; изучить радиоактивность аэрозолей воздуха и атмосферных осадков для установления присутствия в них короткоживущих продуктов распада радона. Указанные задачи решены с использованием комплекса современной радиометрической аппаратуры на базе лаборатории экологической радиологии Федерального исследовательского центра комплексного изучения Арктики имени академика Н.П. Лаверова Российской академии наук.

Материалы и методы исследования

Подход при определении концентраций короткоживущих продуктов распада радона (214Pb и 214Bi) в приземной атмосфере заключался в фильтрации воздуха через фильтр, подготовке фильтра с собранными аэрозолями к измерению, измерение отобранной пробы на гамма-спектрометре. Воздухофильтрационная установка включала в себя электровентилятор и фильтродержатель, на который помещается тонковолокнистый фильтр ФПП–15. Накопление аэрозолей воздуха осуществлялось в течение 20 суток.

Отбор проб дождя и снега осуществлялся непосредственно в момент выпадения осадков в объеме 1 л. Осадки без предварительной пробоподготовки сразу же отправлялись на измерения. Для измерений активности аэрозолей, собранных на фильтре, а также проб дождевых и снеговых осадков использовали стационарный программно-аппаратурный комплекс «Прогресс-гамма» (Россия). Комплекс включает в себя сцинтилляционный блок детектирования гамма-излучения на основе кристалла йодистого натрия NaI (Tl), блок питания и усиления импульсов, плата аналогово-цифрового преобразователя, свинцовая защита блока детектирования от фонового излучения. Активность 214Pb в пробах определялась по линиям 241,9, 295,2 и 351,9 кэВ, а 214Bi – по линиям 609,3, 1120 и 1765 кэВ.

Регистрация естественного гамма-фона осуществлялась в полевых условиях с использованием высокоточного мобильного сцинтилляционного гамма-спектрометрического комплекса RS-701 (Канада). Комплекс RS-701 имеет усовершенствованный цифровой спектрометр (ADS) с высоким разрешением (1024 канала), позволяющий в режиме реального времени выполнять измерения общей радиоактивности местности в нГр/ч, а также раздельного измерения концентрации суммарного урана (ppm), тория (ppm) и калия (мас. %). Обработка гамма-спектров осуществлялась в программе RAD Assist. Запись гамма-спектров велась в одной точке на уровне земли в течение 124 мин с интервалом 1 сек, в результате чего было получено более 7400 значений параметров естественного гамма-поля. Указанный временной интервал охватывал время до дождя, период интенсивного ливня и время после прекращения выпадений до полного восстановления нормального гамма-фона.

Результаты исследования и их обсуждение

В период проведения полевых радиометрических исследований нами неоднократно отмечалось, что во время интенсивного выпадения атмосферных осадков в несколько раз увеличивается значение определяемого суммарного гамма-излучения и соответственно гамма-дозы. Зная об этом явлении, в очередной раз при выпадении атмосферных осадков в виде дождя (летний ливень с грозой 16.08.2016; N 65.335914 °, E 41.034781 °) были выполнены стационарные измерения с записью данных. Результаты записи гамма-спектров во время ливня представлены в виде графиков на рис. 1.

Естественный гамма-фон в точке наблюдений составляет около 0,03 мкЗв/ч. График изменения интенсивности гамма-излучения (рис. 1, А) демонстрирует резкое увеличение значений, приуроченных ко времени выпадения дождя (~34 мин). Эквивалентная доза гамма-излучения возрастает до более 0,09 мкЗв/ч. Затем наблюдается постепенное снижение значений в течение полутора часов после выпадения осадков до первоначального уровня. Расшифровка полученных при измерении гамма-спектров данных показала, что увеличение значений гамма-излучения происходит за счет урана, определяемого прибором по каналам и энергиям радионуклидов, входящих в его радиоактивный ряд (в основном – радий и продукты его распада). Это отчетливо видно из сравнения графиков эквивалентной дозы (рис. 1, А) и концентрации урана (рис. 1, Б). Концентрация урана возрастает более чем в четыре раза по сравнению с истинными значениями в точке измерений. В каналах, соответствующих торию и калию (рис. 1, В, Г) изменений не наблюдается. В определяемый диапазон энергий измерения урана входят энергии короткоживущих гамма-излучающих продуктов распада радона – 214Pb и 214Bi. Резкое повышение активности этих изотопов, вероятно, приводит к значительному завышению концентрации урана и соответственно эквивалентной дозы гамма-излучения. Это обстоятельство необходимо учитывать при проведении площадных гамма-спектрометрических исследований во время дождя, поскольку влияние короткоживущих изотопов будет искажать реальную картину гамма-поля исследуемой территории.

Наиболее вероятным механизмом поступления изотопов, приводящих к изменению гамма-спектра в канале урана, является вымывание короткоживущих продуктов распада радона (и других радионуклидов совместно с аэрозолями воздуха) дождевыми осадками из атмосферы. В свою очередь выпадение данных изотопов на поверхность земли вместе с осадками приводит к их концентрированию. Радионуклиды совместно с аэрозолями воздуха в атмосфере находились в рассеянном состоянии, при выпадении атмосферные осадки вымыли аэрозоли из атмосферы и сконцентрировали их на поверхности земли. Вероятнее всего, с этим и связано кратковременное увеличение интенсивности гамма-излучения. Поскольку предполагаемые изотопы имеют маленький период полураспада, то через 1,5 часа после прекращения дождя гамма-спектр в канале урана выравнивается до фоновых значений.

В результате исследований активности радионуклидов в аэрозолях воздуха авторами было обнаружено, что при измерении фильтрующего материала сразу после отбора проб наблюдается спектр с многочисленными пиками, а при следующем измерении через полтора часа спектр пробы сглаживается, остаются незначительные следы пиков в диапазоне тех же энергий, а также пик более долгоживущего радионуклида бериллия-7. Измеренные гамма-спектры проб аэрозолей воздуха представлены на рис. 2.

Как правило, при измерении проб атмосферных осадков необходимо проводить длительную пробоподготовку, заключающуюся в выпаривании больших объемов осадков и концентрировании радионуклидов в объеме измерительной емкости. Нами для определения короткоживущих продуктов распада в атмосферных осадках было решено провести измерение непосредственно после их отбора без дополнительной подготовки проб.

При таком измерении спектры проб содержали пики короткоживущих продуктов распада радона – гамма-активных 214Pb (энергии 241,9, 295,2 и 351,9 кэВ) и 214Bi (энергии 609,3, 1120 и 1765 кэВ). При последующих измерениях проб через час значение активности изотопов падало, спектр выравнивался. Измеренные спектры проб атмосферных осадков, представленных дождевой и талой снеговой водами, показаны на рис. 3 и рис. 4.

jk1.tif

Рис. 1. Графики изменения гамма-спектрометрических параметров во время ливня в точке наблюдений N 65.335914 °, E 41.034781 °: а – эквивалентная доза гамма-излучения (мкЗв/ч); б – концентрация урана (ppm); в – концентрация тория (ppm); г – содержание калия (мас. %)

jk2.tif

Рис. 2. Спектры проб «сухих» аэрозолей воздуха: а – спектр пробы «сухих» аэрозолей воздуха при измерении непосредственно после отбора; б – спектр пробы «сухих» аэрозолей воздуха при измерении через 1,5 часа после отбора (02.09 – 21.09.2016; N 64.550519, E 40.515314)

jk3.tif

Рис. 3. Гамма-спектры проб дождевой воды: а – спектр пробы дождевой воды при измерении непосредственно после отбора; б – спектр пробы дождевой воды при измерении через 1 час после отбора (12.09.2016; N 64.550519, E 40.515314)

Однако количественно оценить содержание в осадках 214Pb и 214Bi оказалось проблематично из-за малого объема проб, но качественно эта задача решается путем расшифровки радионуклидов в общем энергетическом диапазоне получаемого гамма-спектра. Изотопы 214Pb были идентифицированы по энергиям 241,9, 295,2 и 351,9 кэВ, а изотопы 214Bi – по энергиям 609,3, 1120 и 1765 кэВ.

Гамма-спектры, полученные нами при измерении активности радионуклидов в пробах атмосферных аэрозолей, дождевой воды и талой снеговой воды, идентичны, что свидетельствует о том, что радионуклиды, определяемые в «сухих» аэрозолях атмосферного воздуха и атмосферных осадков, одни и те же и представляют собой изотопы 214Pb и 214Bi.

Выводы

Таким образом, проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы, касающиеся существа работы.

jk4ab.tif

jk4c.tif

Рис. 4. Гамма-спектры проб талой снеговой воды: а – спектр пробы талой снеговой воды при измерении непосредственно после отбора; б – спектр пробы талой снеговой воды при измерении через 1 час после отбора; в – спектр пробы талой снеговой воды при измерении через 2 часа после отбора (26.10.2016; N 64.550519, E 40.515314)

Интенсивное выпадение осадков приводит к увеличению гамма-фона на поверхности земли более чем в три раза. Увеличение гамма-фона происходит не во всем измеряемом энергетическом диапазоне, а лишь в канале определения урана, который формируется как сумма входящих в его цепочку распада изотопов. Восстановление нормального гамма-фона происходит примерно через полтора часа после прекращения выпадений, что свидетельствует о том, что основной вклад в изменение гамма-фона вносят короткоживущие продукты распада радона.

Радиогенные короткоживущие изотопы содержатся в «сухих» и «жидких» атмосферных осадках в аэрозолях. Основным механизмом поступления радионуклидов на поверхность земли является вымывание атмосферными осадками аэрозольных частиц, содержащих радиоактивные элементы. Установлено, что локальное кратковременное увеличение гамма-дозы при интенсивном выпадении атмосферных осадков вызывают изотопы 214Pb и 214Bi с периодами полураспада 26,8 и 19,8 мин соответственно.

Работа выполнена в рамках ФНИР «Радиоизотопные исследования природных и техногенных процессов трансформации окружающей среды Европейского Севера» № АААА-А16-116052710106-8.


Библиографическая ссылка

Яковлев Е.Ю., Дружинин С.В., Быков В.М. ВЛИЯНИЕ КОРОТКОЖИВУЩИХ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗОТОПОВ НА ИЗМЕНЕНИЕ ГАММА-ФОНА ВО ВРЕМЯ ОСАДКОВ НА ЕВРОПЕЙСКОМ СЕВЕРЕ РОССИИ // Успехи современного естествознания. – 2017. – № 6. – С. 123-129;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36511 (дата обращения: 28.02.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074