Уровни естественного радиационного фона.

Ионизирующее излучение от естественных источников радиации является неотъемлемым экологическим фактором окружающей природной среды, приводящим к облучению любого объекта биосферы. Отличительной особенностью естественного облучения по сравнению с облучением от других источников радиации помимо природы его образования является относительное постоянство в течение длительного периода времени на определенной изучаемой территории и непрерывное воздействие на все элементы биосферы, в том числе и на все население Земли. В современный период природный радиационный фон во многих случаях дает подавляющий вклад в интегральное облучение растений, животных и человека. Говоря о некотором стабильном уровне концентраций естественных радионуклидов в отдельных звеньях биосферы, о стабильном уровне естественного фонового облучения для данной территории или экосистемы, о средних значениях уровней радиации для биосферы в целом, не следует забывать о существенных колебаниях концентраций и мощностей доз от естественных источников при переходе от района к району. Поэтому наряду со средними цифрами представляют практический интерес размеры колебаний концентраций и мощностей доз, так как их анализ позволяет понять значимость дополнительного облучения от искусственных источников излучения.

На рис. 6.2 представлена схема формирования источников естественного радиационного фона в биосфере.       

Первоосновой для формирования природных источниковизлучений послужили горные породы и космическое излучение. В результате геохимической и частично биогеохимической эволюции естественные радионуклиды из горных пород и атмосферы мигрировали в почву, гидросферу и тропосферу, одновременно происходила                    Рис.6.2. Пути миграции

миграция между этими  тремя         естественных радионуклидов

компонентами биосферы.

Присутствие естественных радионуклидов в почве, гидросфере и тропосфере обусловило поступление их в процессе жизнедеятельности в растения и животных, а затем по пищевым цепочкам и аэрально накопление в организме человека. Указанные пути миграции радионуклидов приводят к их оседанию в тех или иных концентрациях в биоте, что обусловливает внутреннее облучение человека. Кроме того, радионуклиды почвы,                                                                 тропосферы и гидросферы, испускающие фотоны и β-излучение, а также космическое излучение создают внешнее облучение.                       

Дозы как внешнего, так и внутреннего облучения однозначно определяются концентрациями радионуклидов в определенных звеньях биосферы, доза внешнего облучения от космического излучения определяется его мощностью и составом.

Дозы внешнего облучения человека зависят от многообразных факторов, в числе которых можно выделить особо зависимость дозы от места пребывания: вне или внутри помещения. Большинство людей (принимается 80% времени) проводит значительную часть времени в помещениях, этот факт учитывается раздельным расчетом доз облучения вне и внутри помещений.

 Дозы внешнего облучения от космического излучения.

 Основное влияние космического пространства на радиационное поле биосферы заключается в облучении Земли потоком элементарных частиц, образующихся в результате взрывов сверхновых звезд - это так называемое галактическое космическое излучение (ГКИ). ГКИ состоит на 98% из ядерной компоненты и 2% электронов. Состав ядерной компоненты: 88% - первичные протоны, 11% - α-частицы, остальное - более тяжелые ядра. Энергетическое распределение этой первичной ядерной компоненты ГКИ охватывает диапазон энергий от 100 до 10¹⁴ МэВ. Частицы первичного космического излучения, непрерывно взаимодействуя с галактическими магнитными полями, становятся изотропно распределенными в пространстве и их поток практически постоянен во времени.

На основании проведенных исследований установлено, что годовая эффективная доза ГКИ в межпланетном пространстве достигает 0,5-1 Зв в зависимости от фазы солнечной активности.

Другая компонента космических лучей генерируется вблизи поверхности солнца в результате магнитных возмущений. В основном она состоит из протонов с энергией ниже 100 МэВ. Эти частицы могут давать существенный вклад в мощность дозы в верхних слоях атмосферы Земли и лишь мощные солнечные вспышки могут достигать поверхности Земли. Эта компонента космического излучения не постоянна во времени и интенсивности и обычно проявляется на фоне первой компоненты в течение нескольких часов.

Магнитное поле Земли частично уменьшает интенсивность космической радиации, достигающей верхних слоев атмосферы Земли, лишь частицы очень высоких энергий могут проникать в низкие магнитные широты. Это создает геомагнитный широтный эффект с минимумом интенсивности и соответственно мощности дозы космического излучения на экваторе и максимумом вблизи геомагнитных полюсов.

Высокоэнергетические частицы первичного космического излучения, взаимодействуя с ядрами, атомами и молекулами воздуха атмосферы Земли, генерируют вторичные частицы, включая протоны, нейтроны, пионы и ядра с небольшими Z. Вторичные нуклоны в свою очередь генерируют новые ядра, вызывая ядерный каскад.

На рис.6.3 приведены компоненты космического излучения, формирующие эффективную дозу в атмосфере Земли (вторичное космическое излучение - (ВКИ): на поверхности Земли основной вклад в дозу дает мюонная компонента, на высотах полетов самолетов - нейтроны, электроны, позитроны,  фотоны и протоны,         Рис.6.3. Компонентный состав ВКИ.

на больших высотах необходимо

учитывать ядерную компоненту.

В среднем при определении мощности поглощенной дозы в воздухе, создаваемой космическим излучением на уровне моря, принято считать, что в 1 см³ воздуха непосредственно ионизирующая компонента ВКИ образует 2,1 пар ионов/с. Следовательно, мощность поглощенной дозы воздухе равна:

         = 8,8 нГр/с →32 нГр/ч→0,28 мГр/год.             (6.1)

Входящие в формулу (6.1) величины: 33,85 эВ/пар. ион.- энергия ионообразования;  0,001293 г/см³ — плотность воздуха.

Многочисленные измерения подтверждают эту величину. Из-за большой проникающей способности ВКИ годовая поглощенная доза принимается одинаковой для всех органов тела человека.

Существует незначительный широтный эффект. Считая, что большинство населения (50% в северном полушарии и 85% в южном) проживает на широтах ниже 30⁰, взвешенная по популяции средняя мощность поглощенной дозы в воздухе от ионизирующей компоненты составляет 31 нГр/ч. Принимая для этой компоненты радиационный взвешивающий фактор w_R=1, получаем мощность эффективной дозы равной 31 нЗв/ч или 270 мкЗв/год. Учитывая широтное расположение России, для ее населения соответствующие величины равны 32 нЗв/ч или 280 мкЗв/год.

Нейтронная компонента и связанная с ней эффективная доза определяются с большей погрешностью из-за отсутствия экспериментальной информации. Проведенные измерения в Германии и США установили плотность потока нейтронов на уровне моря равной 130 м^-2с^-1; в предположении их изотропного углового распределения и удельной эффективной дозы 200 пЗв/нейтр. см^-2 (см § 4.4), полученной исходя из действующего спектра нейтронов, соответствующая величина мощности эффективной дозы составляет 9 нЗв/ч. Годовая эффективная доза оценивается в 80 мкЗв на уровне моря на 50⁰ северной широты. В зависимости от широты величина дозы увеличивается в 4 -5 раз при переходе от экватора к полюсам. В итоге средневзвешенная для населения мира эффективная доза нейтронной компоненты космических лучей составляет 5,5 нЗв/ч или 48 мкЗв/год. Для населения Российской Федерации эффективная доза нейтронной компоненты космических лучей составляет 8,5 нЗв/ч или 75 мкЗв/год.

Как для ионизирующей компоненты, так и для нейтронной компоненты существует и высотный эффект (рис.6.3). Для его учета при определении эффективной дозы радиации космического излучения необходимо знать распределение населения, проживающего на разных высотах относительно уровня моря. Оценки показывают, что в среднем для населения Земли можно принять средневзвешенную эффективную мощность дозы ионизирующей компоненты 340 мкЗв/год (270мкЗв/год умножены на высотный фактор 1,25) и 120 мкЗв/год (48 мкЗв/год умножены на высотный фактор 2,5) для нейтронной компоненты.

Для населения России эти цифры будут равны соответственно 350 мкЗв/год и 190 мкЗв/год, что в сумме дает 540 мкЗв/год.

Принимая, что 80% времени человек находится в помещении, а средний фактор экранирования для всех компонент космического излучения равен 0,8, средняя для населения мира годовая эффективная доза космического излучения получается равной 380 мкЗв/год (460х0,2 + 460х0,8х0,8). Диапазон годовых эффективных доз для населения мира составляет 300-2000 мкЗв/год. Для населения России годовая эффективная доза космического излучения получается равной 450 мкЗв/год (540х0,2 + 540х0,8х0,8).

 Уровни внешнего облучения от радионуклидов почвы.

Естественная радиоактивность почвы, определяемая горными породами, на которых она формируется, в основном обусловлена двумя группами естественных радионуклидов: радиоактивными элементами, входящими в радиоактивные семейства, родоначальниками которых являются долгоживущие ²³⁵U (Т_1/2=7,04х10⁸лет) , ²³⁸U (Т_1/2= 4,47х10⁹лет) и ²³²Th (Т_1/2=1,41х10¹⁰лет), и радионуклидами вне этих семейств из средней части таблицы Д. И. Менделеева, одними из основных представителей которых являются ⁴⁰K (Т_1/2=1,26х10⁹лет) и ⁸⁷Rb(Т_1/2=4,8х10¹⁰лет). Вклад космогенных радионуклидов в радиоактивность почв ничтожно мал. Спецификой всех естественных радионуклидов является большие периоды полураспада материнских радионуклидов сравнимые с временем существования Земли, как твердого тела. Особенностью всех радиоактивных семейств является наличие в цепочках газообразных радионуклидов, что приводит к значительной миграции их и их дочерних продуктов в биосфере. Как пример такой цепочки на рис.5.2 приведены радионуклиды семейства ²³⁸U.  

В табл.6.1 приведены среднемировые и среднероссийские концентрации основных естественных радионуклидов по данным НКДАР на 2000 г. и вычисленные по формулам §4.6 в предположении равномерного распределения указанных концентраций радионуклидов по объему полубесконечного слоя почвы мощности поглощенной дозы в воздухе на поверхности почвы. При расчете доз для радионуклидов семейств предполагалось, что их активности находятся в радиоактивном равновесии с дочерними продуктами их распада.

Таблица 6.1.