Курсовые по энергетике
БН
Экология
Карта

Лекции по радиобиологии

 

Природный радиационный фон и источники формирования радиационного фона

Все организмы, живущие на Земле, подвергаются непрерывному об­лучению за счет излучения естественных и искусственных источников ионизирую­щих излучений, т.е. радиационного фона. Радиационный фон биосферы форми­руется за счет излучения естественных радионуклидов, искусственных источников излучения, находящихся в окружающей среде и космического излучения.

Распространение естественных радионуклидов в при­роде. В настоящее время известно более 60 естественных  радионуклидов, участвующих в формировании радиоактивности биосферы. По происхождению они делятся на две группы.

Космогенные радионуклиды— нуклиды, образующие­ся в результате взаимодействия космического излуче­ния с атомами азота, водорода и др. Наибольший вклад в формирование радиационного фона Земли вносят 3H, 7Be, 22Na, 14C.

Естественные радионуклиды - нуклиды (продукты деления) радиоактив­ных семейств (рядов) 235U, 238U и 232Th, а также 40К и 87Rb. Эти нуклиды входят в состав земной коры с момента образования нашей планеты.

Содержание естественных радионуклидов в окружающей среде варьирует в широких пределах. В земной коре, на­пример, из всех радиоактивных веществ больше всего содержится 40К ( @ 2,5 %), тогда как содержание урана и тория в десятки и сотни, а радия - в миллионы раз меньше по сравнению с содержанием радиоактив­ного калия. Весьма существенные различия в концентрации радионуклидов отмечаются в почвах раз­ных типов (таблица 1.).

Естественные радионуклиды обнаруживаются во всех типах природных вод. Особенно высока их концентрация в подземных водах. Например, в сильно минерализованных водах, концентрация урана в среднем составляет 5× 10-5 г/л (0,5 мкг/л), тогда как мягких водах эта величина составляет лишь 2,8 ×10-8 г/л.

Таблица 1

 Концентрация 40К, 235U и 232Th в почвах различных типов и соответствующие мощности поглощенной дозы (Рпогл, мкрад/ч) в воздухе на высоте 1 м от поверхности земли

Типы почв

Концентрация элементов, пКи/г

Рпогл мкрад/ч

40К

235U

233Th

Серозем

18

0,85

1,3

7,4

Серо-коричневая

19

0,75

1,1

6,9

Каштановая

15

0,72

1,0

6,0

Чернозем

11

0,58

0,97

5,1

Серая лесная

190

0,48

0,72

4,1

Дерново-подзолистая

8

0,41

0.60

3,4

Подзолистая

4

0,24

0,33

1.8

Торфянистая

2,5

0,17

0,17

1,1

Среднее для планеты

10

0,7

0,7

4,6

Пределы колебаний

3-20

0,3 – 1,4

0,2-1,3

1,4- 9


Таблица  2.

Активность естественных радионуклидов, поступающих в организм человека с пищей и водой (пКи/сут)

Радионуклид

Среднее значение активности

Пределы колебания активности

Радионуклид

Среднее значение активности

Пределы колебания активности

40К

1000

100-3550

226Ra

13

0,5-285

87Rb

125

100-150

228Ra

11

1,25- 162

210Pb

23

2-44

238U

0,3

0,15-2

210Po

78

2-344

Из естественных долгоживущих радионуклидов в природных водах больше всего 40К- до 330 пКи/л (в морской воде). Содержание радионуклидов в дождевой воде невелико, исключение составляют нуклиды 3Н и 7Be, концентрация которых может достигать до 40 пКи/л. В составе живых организмов содержание радионуклидов, как правило, ниже, чем в окружающей среде. Это объясняется тем, что большинство естественных радионуклидов плохо усваиваются растениями и животными. Интенсивно усваиваются живыми организмами и включаются в метаболизм  40К, 14С и ЗН. Расчетные данные о возможных уровнях поступления основных радионуклидов в организм человека приведены в таблице 2.

В атмосферу радионуклиды поступают различными путями. Некоторое количество радионуклидов попадает в воздух в результате выветривания земных пород и разложения органических веществ. Определенная доля радиоактивности атмосферы обусловлена наличием в воздухе космогенных радионуклидов. Существенную роль в радиоактивности воздушной среды играет диффузия из почвы в приземные слои атмосферы газов радона (226Rn) и торона (220Th ), являющихся продуктами радиоактивного распада, соответственно 226Ra и 224Ra.

Радиоактивность атмосферного воздуха варьирует в широких пределах и зависит от местоположения (в атмосферном воздухе над сушей концентрация радионуклидов выше, чем над океаном), концентрации радионуклидов в земных материнских породах, времени года, состояния атмосферы и т. д. Средние значения активности радиоактивных аэрозолей в нижних слоях атмосферного  воздуха составляют: a-активных аэрозолей - 4×10-13 Ки/л, b -активных аэрозолей - 3,1 ×10-13 Ки/л. Среднее значенияе концентрации радона и торона в приземных слоях воздуха составлет около 7×10-14 Ки/л. Величина радиоактивнсти воздуха  в жилых домах и рабочих помещениях определяется, в первую очередь, концентрацией газа радона. Его концентрация внутри помещений зависит, главным образом, от типа строительных материалов, использованнхы для постройки зданий. Так, в домах, построенных из дерева, кирпича и бетона, активность радона в воздухе составляет соответственно 0,41; 1,08 и 3,13 пКи/л. Причина таких различий - неодинаковое содержание 226Ra, предшественника радона в строительных материалах. На концентрацию радона в воздухе помещений влияет интенсивность воздухообмена. При плохой вентиляции концентрация радона внутри помещений может повышатся в десятки раз.

Космическое излучение.  Космическое излучение имеет 3 источника происхождения: галактическая радиация из дальних районов космоса; радиация в виде заряженных частиц, образующих циркулирующие слои вокруг Земли; радиоактивное излучение, сопровождающее вспышки на Солнце.

Галактическое излучение является одним из самых загадочных явлений природы. Оно состоит главным образом из протонов и a-частиц, движущихся со скоростями, близкими к скорости света. Однако в состав этого излучения входят и более тяжелые ионизирующие частицы, например, ядра атомов железа. Некоторые частицы обладают очень высокой энергией, которая значительно превышает энергию частиц, ускоряемых в современных синхротронах. Эти высокоэнергетические частицы ( HZE - частицы) не представляют какой-либо опасности для живых организмов на Земле, так как большая их часть отклоняется магнитным полем Земли, а остальная часть задерживается в атмосфере. Однако, для людей находящихся в Космосе, они представляют реальную опасность. Эти частицы легко проходят через обшивку космических аппаратов и могут ионизировать клетки космонавтов. Так, в течение 2-х недель во время экспедиции землян на Луну, через голову каждого астронавта прошло не менее 100 HZE – частиц, которые разрушили значительное количество нейронов. Американские ученые предполагают, что долгое пребывание человека в космосе ( более 1 месяца) может привести к нарушению работы нервной системы вследствие облучения HZE -частицами.

Радиационные пояса Земли. Вокруг нашей планеты существуют области, в которых магнитное поле задержало огромное число заряженных частиц, которые по силовым линиям магнитного поля циркулируют вокруг Земли по замкнутым траекториям. Эти области с повышенной радиацией получили название радиационных поясов. Радиационные пояса в основном состоят из электронов и протонов, обладающих невысокими энергиями. При подъеме на летательных аппаратах, мощность дозы излучения радиационного пояса возрастает по мере увеличения высоты, начиная с 5 –6 км и до 100 км. Хотя значительная часть излучения радиационных поясов задерживается обшивкой космического корабля или самолета, мощность дозы внутри корабля при прохождении этих поясов может достигать 0,1 Гр/ч. К счастью, космические корабли преодолевают радиационный пояс в течение нескольких минут.  Длительные космические полеты проходят на высоте 200 –300 км. При многократном прохождении таких поясов при оборотах вокруг Земли, суммарная поглощенная доза радиации может быть значительной. В силу этих причин, некоторые исследователи полагают, что длительность пребывания человека в космосе не должна превышать 4-х месяцев.

Солнечное корпускулярное излучение. Большую радиационную опасность для космонавтов представляют вспышки, периодически возникающие на Солнце. Как известно, средняя температура солнечной поверхности составляет около 6000 °С.  Периодически часть поверхности Солнца нагревается до нескольких миллионов градусов.  Нагревание поверхности обуславливает появление так называемых солнечных пятен, которые превращаются во вспышки. Вспышки на Солнце могут продолжаться от нескольких минут до нескольких часов. Время появления, продолжительность солнечных пятен и вспышек пока астрономы не могут точно предсказать. Примерная тенденция их появления имеет 10 –11 летний период. Предполагается , что в 11 летнем цикле солнечной активности, продолжительность повышенной радиационной опасности может составлять 10 – 20 часов.  По некоторым подсчетам, мощность дозы при солнечной вспышке на высоте 20 км от поверхности Земли может доходить 3,5 мЗв/ч. Поэтому, полеты в сверхзвуковых авиалайнерах и космические полеты в период высокой солнечной активности связаны вероятностью поражения космонавтов в результате получения дополнительной дозы от солнечных вспышек.

Дозы ионизирующих излучений от естественных источников. Микроорганизмы,  растительные и животные организмы подвергаются непрерывному облучению в результате воздействия внешнего ионизирующего излучения и излучения от естественных радионуклидов, находящихся непосредственно в клетках, органах и тканях организмов (внутреннее облучение).

Доза от внешнего ионизирующего излучения формируется за счет космического излучения и излучения от естественных радионуклидов, находящихся в среде обитания растений и животных.

 Подсчитано, что средняя поглощенная мощность дозы космического излучения на высоте уровня моря составляет 3,2 мкрад/ч, а поглощенная доза этого вида излучения в течение года - 28 мрад (табл. 4). Как отмечалось, интенсивность космического излучения по мере увеличения высоты над уровнем моря возрастает, и соответственно увеличивается мощность поглощенной дозы. Например, на высоте 2 км над уровнем моря мощность экспозиционной дозы 3- 4 раза, а на высоте 3 км - повышается в 5-6 раз выше, чем на уровне моря.

Доза внешнего излучения от естественных радионуклидов колеблется в широких пределах. В качестве средней мощности поглощенной дозы в воздухе на высоте 1 м над поверхностью Земли принимают значение 4,5 мкрад/ч (32 мрад/год), а внутри помещений - 5,3 мкрад/ч.

Таблица 3.

 Поглощенные дозы радиации от природных источников в расчете за год на одного человека (мрад/год)

Источники облучения

Половые железы

Легкие

Надкостница

Красный костный мозг

Внешнее облучение

Космическое излучение

28

28

28

28

Земное излучение

32

32

32

32

Внутреннее облучение

Космогенные радионуклиды:

3H (b)

0,001

0,001

0,001

0,00

7Be (g)

0,002

14C (b)

0,5

0,6

2,0

2,2

22Na ( b+g)

0,02

0,02

0,02

0,02

Земные радионуклиды

ды:

40К ( b+g)

15

17

15

27

87Rb (b)

0,8

0,4

0,9

0,4

238U – 234U  (a)

0,04

0,04

0,3

0,07

230Th (a)

0,004

0,04

0,8

0,05

226Ra - 210Po(a)

0,03

0,03

0,7

0,1

210Pb - 214Po (a + b)

0,6

0,3

3,4

0,9

222Rn - 214Po (a)

0,2

30

0,3

0,3

232Th (a)

0,004

0,04

0,7

0,04

 228Ra - 208Tl (a)

0,06

0,06

1,1

0,2

 220Rn - 208Tl (a)

0,008

4

0,1

0,1

Всего

78

110

86

92

В районах с повышенным радиационным фоном дозы облучения значительно выше. Например, в г. Гуарапари (Бразилия), мощность поглощенной дозы варьирует в пределах 100-200 мкрад/ч. В штате Керала (Индия) средняя мощность поглощенной дозы составляет 130 мкрад/ч. Соответственно, в этих районах годовая поглощенная доза значительно выше средней, и может достигать нескольких сотен миллирад.

Дозы облучения от естественных радионуклидов, находящихся в организме, сравнительно невелики. Внутреннее облучение большинства органов обусловлено наличием в них 40К. Годовая поглощенная доза от 40К в отдельных органах варьирует от 15 до 27 мрад, тогда как от других находящихся в организме естественных радионуклидов поглощенная доза обычно составляет десятые и сотые доли мрад/год. Исключение составляет семейство радионуклидов 222Rn – 214Po, поступающих в легкие ингаляционным путем и обуславливающих поглощенную дозу в среднем 40 мрад/год.

Таким образом, природный радиационный фон является одним из экологических факторов для всех живых организмов Земли. Действие его, непрерывно, отличается широкой вариабельностью. Вопрос о полезности или вредности естественного радиационного фона для живых организмов некорректен. В радиобиологической литературе имеются экспериментальные данные положительном действии низких доз радиации на жизнедеятельность ряда живых организмов (увелечение продолжительности жизни, повышение устойчивости к неблагоприятным факторам, повышение урожайности растений и т.д.). На основе таких данных выдвигаются гипотезы о том, что у живых организмов в процессе эволюции выработались механизмы адаптации к сравнительно невысоким дозам облучения. Тем не менее, можно однозначно утверждать, что природный радиационный фон является ответственным за «спонтанное» появление мутаций, в том числе и летальных мутаций, и мутаций, приводящих к появлению злокачественных новообразований.


На главную