Искусственные радионуклиды в атмосфере.

Тритий является далеко не единственным ИРН, присутствующим в атмосфере. Другие ИРН  поступают в нее при испытаниях ядерного и термоядерного оружия, выбросах, АЭС возникающих при штатных и аварийных режимах их эксплуатации, а также при утечках из хранилищ радиоактивных отходов. Главными их источниками являются ныне испытания ядерного оружия.

По данным ООН с 1945 г. до 1980 г. В мире произведено 423 взрыва суммарной мощностью 545,4 Мт. Ядерное оружие в атмосфере 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. Сведения о количестве испытаний ядерного оружия в атмосфере пятью странами – участниками «ядерного клуба» [5] приведены ниже в таблице 4.

Таблица 4.   Характеристики  экспериментальных ядерных взрывов, произведенных в атмосфере странами, владеющими ядерным оружием.

 1963 г. США, СССР и Великобритания подписали договор о прекращении экспериментальных ядерных и термоядерных 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.. Ныне в атмосфере такие испытания не проводятся.

Установлено, что при ядерных взрывах в основном образуются продукты реакции деления ядер, выход которых  пропорционален мощности  взрыва. Подобные радионуклиды разносятся преимущественно в  тропосфере и удаляются из нее за несколько месяцев, в результате выпадения на земную поверхность радиоактивных осадков и при сухом осаждении. Как правило, период  полуочищения  атмосферы при этом составляет 20-40 суток. Поэтому основной вклад в наблюдаемую  ныне  активность ИРН в атмосфере вносят термоядерные взрывы 1963-1980 гг., проводившиеся в КНР  на полигоне у озера Лобнор.  Значительная часть  продуктов этих взрывов достигала стратосферы и в ней разнеслась над всей планетой, достигая в том числе и территории Украины. Ныне они образуют до 2/3 общей активности выпадающих здесь атмосферных осадков [6].

Существенные вклады в суммарную активность ИРН, поступающих в атмосферу при термоядерных взрывах, дают тритий и радиоуглерод.  Эти радионуклиды в виде газов и в составе частиц аэрозолей выбрасываются в стратосферу, в которой разносятся над всей поверхностью планеты. До начала ядерных и термоядерных испытаний, в атмосфере ежегодно образовывалось 3,7*10¹⁶ Бк 3Н и 10¹⁵ Бк 14С космогенного происхождения, а в ходе их за 1954 – 1962 гг. в нее поступило 2,4*10²⁰ Бк 3Н, 2,2*10¹⁷ Бк 14С.

В ходе упомянутых испытаний в атмосферу поступило также  17,1*10¹⁸ Бк других долгоживущих ИРН (в северном полушарии 13,1*10¹⁸ Бк, в южном полушарии 4,1*10¹⁸Бк). В составе этих выбросов были 89Sr – 2.5 %; 90Sr – 3,5 %; 95Zr – 5,1 %; 103Ru – 5,2 %; 106Ru – 2,44 %; 131S – 2,9 %; 134Cs – 0,036 %; 137Cs – 5,57 %; 140Ba – 5,18 %; 141Ce – 4,58%; 144Ce – 4,69 %.

За все время проведения ядерных взрывов (до 1990 г.) на земную поверхность выпало 5,99*10¹⁷ Бк 90Sr (из выброшенных в атмосферу 6,04*10¹⁷Бк), а также 9,6*10¹⁷ Бк 137Cs ( из выброшенных – 9,64*10¹⁷ Бк).

На 1982 г. в стратосфере еще циркулировало около 1,8*10¹⁵ Бк 90Sr и 3,2*10¹⁵ Бк 137Cs. Большая часть выпадений (~75 %) этих веществ приходится на северное полушарие.

Столь медленное выведение из стратосферы частиц радиоактивных аэрозолей обусловлено тем, что в ней атмосферных осадков не бывает. Частицы аэрозолей размерами~4*10^-5 см способны  оставаться в ней от нескольких месяцев до нескольких лет. Еще медленнее происходит выведение из стратосферы радиоактивных газов, активность которых снижается в основном при их радиоактивном распаде [5, 7].

Существенным механизмом снижения активности ИРН и ЕРН в атмосфере являются различного рода их выпадения на земную поверхность. Подобные выпадения  подразделяются на локальные, выпадающие в пределах до 100 км от места взрыва, тропосферные и стратосферные.

Тропосферные осадки выпадают на поверхность Земли на расстояниях многих сотен и тысяч километров от места взрыва. Среднее время пребывания тропосферных осадков в атмосфере составляет около 30 суток.

Стратосферные выпадения включают, как правило, основную часть продуктов деления и обуславливают большую часть глобального радиоактивного загрязнения внешней среды продуктами деления.

Выпадения ИРН бывают с осадками и без них (сухие). Выпадения с осадками связанны с захватом радиоактивных аэрозолей при образовании облачных элементов (<0,1 мкм) и прохождением дождевых капель от облаков к земной поверхности (>5 мкм). Наличие в воздухе других частиц аэрозоля приводит к увеличению интенсивности выведения из атмосферы ИРН.

Сухие  выпадения происходят, как при наличии облачности, так и при ее отсутствии. При наличии облаков они представляют собой выпадающие из них атмосферные ядра конденсации. При отсутствии облаков выпадение происходит в форме осаждения частиц гравитационной фракции аэрозоля.  В регионах с умеренным климатом, с осадками выпадает в ~ 9 раз больше радиоактивных продуктов, чем без них. В регионах с аридным климатом сухие выпадения преобладают.

Активность ИРН в атмосферных осадках существенно зависит от времени года, поскольку на нее существенно влияют сезонные изменения в переносе масс воздуха из стратосферы в тропосферу. Весной она везде больше, а осенью – меньше, что обусловлено  сезонными изменениями высоты тропопаузы. Ускоряют воздухообмен между стратосферой и тропосферой  антициклонические процессы, а циклонические его замедляют (из-за образования соответственно нисходящих и восходящих потоков).  Поэтому характеристикам потоков ИРН, выпадающих на земную поверхность свойственна существенная пространственно-временная изменчивость.

Скорость самоочищения атмосферы от ИРН, зависит также от размеров соответствующих частиц аэрозолей, их растворимости в воде,  электрического заряда, характера радиоактивного распада, наличия других аэрозольных частиц в атмосфере (пыли, солей, жидкостей) и характера подстилающей земной поверхности. 

При изменениях активности в атмосфере различных ИРН проявляется  эффект их фракционирования, который проиллюстрируем  на примере  изменения активностей трития и цезия, возникших  в результате термоядерного взрыва.

В процессе остывания огненного шара, возникшего после этого  взрыва, раньше всего начинают конденсироваться пары тугоплавких химических элементов, с наибольшей температурой кипения. Образующиеся при этом аэрозольные частицы, обогащенные подобными  радионуклидами, в основном остаются в тропосфере и выпадают в основном в радиусе 100 км от точки взрыва.  Среди них присутствует и цезий, который при температурах, существующих в тропосфере, может быть лишь в твердом состоянии.

Температура конденсации паров трития настолько  низкая, что в условиях тропосферы и стратосферы он может находиться лишь в газообразном состоянии. Поэтому при остывании образовавшегося при взрыве плазменного шара он поднимется  с потоком горячего воздуха в стратосферу и участвует лишь в стратосферных выпадениях. В результате этого возникает упомянутый эффект фракционирования, проявляющийся в том, что эффективная скорость осаждения трития из атмосферы на землю  примерно в 10 раз меньше, чем 137Cs [7].

Систематические наблюдения за концентрацией ИРН в атмосферных осадках проводятся глобальной сетью станций Всемирного метеорологической организации с 1961 г. На территории СССР эти наблюдения на станциях, входящих в сеть его Гидрометеослужбы, начались с июля 1969 г [5].

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 14С, обладающий очень большим периодом полураспада.