Поведение радиоактивных веществ искусственного происхождения в окружающей среде

Ядерные взрывы

При ядерном взрыве реакции деления или синтеза протекают в течение очень короткого времени (~ 10^-7 с). Очень высокая температура в области взрыва обусловливает возникновение быстро расширяющегося шара, состоящего из раскаленного ионизированного газа, плотность которого значительно меньше плотности атмосферного воздуха. Это приводит к быстрому подъему раскаленного шара до такой высоты, где его плотность сравнивается с плотностью окружающего воздуха. Быстрый подъем шара создает на его пути область разрежения, в которую вовлекаются более плотные массы воздуха. Образуется мощный восходящий поток в виде вертикального столба – ножки ядерного гриба.

По причине огромных потерь энергии на световое и тепловое излучение, а также вследствие почти адиабатического расширения шара температура его убывает и начинается конденсация содержащихся в нем паров. При конденсации образуются радиоактивные аэрозоли. Так формируется радиоактивное облако.

Распределение продуктов деления ядерного взрыва в значительной мере зависит от условий испытания и мощности устройства. Например, при взрывах мегатонных устройств продукты деления распределяются следующим образом: при воздушных взрывах на большой высоте 99% всех осколков увлекается в стратосферу, локальных загрязнений практически нет; при наземных взрывах 20% попадает в стратосферу, 80% выпадает в районе взрыва. При взрыве над поверхностью моря 30% попадает в стратосферу, 70% выпадает в виде местных осадков.

В дальнейшем миграция радиоактивных аэрозолей в тропосфере происходит в соответствии с перемещением воздушных масс. При этом скорость переноса вдоль параллели значительно больше, чем в меридиональном направлении, и прежде, чем тропосфера очистится от радиоактивных осколков, они успевают несколько раз обогнуть земной шар вдоль параллели. Распространение вдоль меридиана за это же время происходит на 10 – 20° от широты, на которой были произведены испытания.

Расположение полосы максимальной загрязненности на широте проведенного испытания отмечается только в средних широтах. При испытаниях в зоне экватора полоса максимального тропосферного выпадения смещается от широты взрыва в сторону полюса.

Выпадение мелких частиц радиоактивных аэрозолей из тропосферы на поверхность земли происходит как в результате сухого выпадения (прилипание частиц аэрозолей к поверхности наземных предметов и почве, коагуляция с частицами местной нерадиоактивной пыли), так и с атмосферными осадками (захват аэрозолей элементами природных облаков при их формировании и захват частиц аэрозолей падающими каплями). Решающая роль в очистке тропосферного воздуха от радиоактивных аэрозолей принадлежит именно осадкам.

При выпадении радиоактивных продуктов в отсутствие атмосферных осадков главная роль принадлежит турбулентному перемешиванию воздушных масс, при котором постоянно обновляется нижний приземный слой воздуха. При ядерных взрывах большой мощности мельчайшие радиоактивные аэрозоли в составе радиоактивного облака попадают в стратосферу. Облако захватывается стратосферными воздушными течениями и переносится в общем направлении вдоль параллели со скоростью около 100 км/ч; при этом оно вытягивается в направлении переноса (скорость перемещения в меридиональном направлении во много раз меньше). Наряду с этим происходит диффузия облака в перпендикулярных переносу направлениях. Гравитационное оседание мелких аэрозолей происходит, как и в тропосфере, медленно. Так, например, на высоте 33 – 35 км скорость оседания частиц диаметром 10 мкм составляет 30 м/ч. Для частиц диаметром менее 0,1 мкм преобладает броуновское движение. На меньшей высоте скорость оседания частиц уменьшается за счет повышения плотности атмосферы. В результате для частиц определенного размера имеется такой уровень, на котором процесс оседания становится мало значимым по сравнению со скоростью турбулентного движения воздуха.

Радиоактивные вещества могут удерживаться в стратосфере от нескольких месяцев до нескольких лет. За это время происходит распад короткоживущих изотопов, а количество долгоживущих элементов практически не изменяется (). Таким образом, стратосфера является своеобразным “резервуаром” для накопления долгоживущих осколков деления. Отметим следующие особенности глобальных выпадений. Максимум радиоактивного загрязнения воздуха (тропосферы) приходится на 25 – 35° широты в обоих полушариях, причем в северном полушарии этот максимум, как правило, выше, чем в южном.

Распределение по земной поверхности выпадений долгоживущих изотопов имеет максимум на широтах 40 – 50°. Таким образом, отмечается смещение максимума выпадений по сравнению с максимумом загрязнения тропосферы. По мнению многих ученых, причина смещения состоит в том, что субтропический пояс, приходящийся на 25 – 35° широты, беднее осадками, чем более загрязненный выпадениями пояс на 40 – 50° широты. Экваториальная зона, несмотря на обилие осадков, имеет слабо загрязненные воздушные массы, поэтому выпадения в этой зоне невелики.

Дымовые выбросы из труб ТЭЦ или шахтных труб

Характер поведения радиоактивных веществ, поступающих в атмосферный воздух через дымовые трубы или трубы шахты, зависит от их агрегатного состояния, дисперсности аэрозолей, метеорологических условий, рельефа местности и ряда технических параметров: высоты трубы, силы тяги в ней и др. Обычно при этом имеют место те же самые процессы самоочищения, которые протекают в атмосфере при попадании в нее радионуклидов, возникающих при испытаниях ядерного оружия (разбавление в результате диффузии, горизонтальное размывание в направлении движения ветра и смещение воздушных струй по вертикали, выпадение мельчайших аэрозолей за счет прилипания к поверхности наземных предметов, коагуляция с частицами нейтральной пыли и т.д.). Однако, эти процессы происходят в приземных слоях атмосферы, поэтому распространение радиоактивных веществ, входящих в состав выбросов, носит ограниченный, локальный характер. Только в случае поступлений в атмосферу массивных загрязнений радиоактивные вещества могут распространиться от источников загрязнения на десятки, а иногда и сотни километров.

В практике расчетов высоты трубы, предназначенной для удаления радиоактивных веществ и их разбавления в атмосфере, пользуются понятием эффективной высоты трубы, которую получают путем сложения высоты самой трубы и высоты, на которую благодаря тяге в ней поднимаются выбросы. Чем больше эффективная высота трубы, тем дальше от нее располагается зона контакта выбросов с землей и тем меньше концентрация в приземном слое воздуха радиоактивных веществ, входящих в состав выбросов.

Поведение радиоактивных веществ в почвах и их миграция в наземную флору и фауну

Миграция радиоактивных веществ при попадании их в почву зависит от ряда условий: физико – химических свойств отдельных изотопов и формы химических соединений, в которых они находятся, физико – химических свойств почвы, наличия в ней ионов, близких по химическим свойствам к попадающим в почву радиоизотопам, рН среды, характера движения грунтовых вод и т.п.

Высокой емкостью поглощения обладают глинистые почвы и чернозем. Поглотительная способность песчаных почв гораздо меньше. Некоторые изотопы могут переходить из обменной формы в необменную благодаря включению их в кристаллическую решетку присутствующих в почвах минералов и солей.

Радиоактивные изотопы при попадании на поверхность почвы прочно фиксируются в ее верхнем слое. Проникновение их вглубь обычно пропорционально количеству дождевых осадков. Этот процесс протекает медленно, и даже в местах, где количество осадков значительно, проходит несколько лет, прежде чем радиоизотопы накапливаются в нижележащих слоях в заметных количествах. Так, из выпавшего после испытаний ядерного оружия количества до 80% продолжает удерживаться в верхнем слое почвы толщиной до 5 см и лишь малая доля его проникает глубже 15 см. Это в полной мере относится и к . При вспашке происходит равномерное распределение радиоактивных изотопов по всей толщине обработанной почвы.

Важную роль в перераспределении изотопов, попавших на поверхность земли, играют топографические и климатические условия. С крутых склонов радиоактивные вещества вместе с частицами почвы могут уноситься потоками воды. В этом случае они накапливаются на пониженных участках рельефа и попадают в воду.

Радиоактивные изотопы, содержащиеся в почве, переходят в корневую систему растений точно так же, как и стабильные изотопы тех же элементов. В случае сходства химических свойств стабильных и радиоактивных элементов они поступают в растения в исходных пропорциях. Так, при выращивании растений на простых неорганических растворах, содержащих кальций и стронций, соотношение этих элементов сохраняется и в растениях. Степень усвоения стронция растениями из почвы зависит от его химической формы, физиологических потребностей растений и физико – химических свойств почвы. Чем прочнее радиоизотоп фиксируется в почве, тем меньшее его количество попадает в растения. Основными элементами, имеющими радиоактивные изотопы и накапливаемыми растениями из почвы, являются Sr, I, Ba, Cs, Ru, Ce, Y, Pm, Zr, Nb, Pu (элементы расположены в порядке убывания их относительного накопления). Попадая из почвы в растение, радиоактивные элементы в зависимости от своих химических свойств проникают в наземные части или же задерживаются в корневой системе. Такие изотопы, как и , легко проникают через корневую систему во все органы растения. Ce, Ru, Zr, Y, Pu накапливаются в основном в корневой системе.

Второй путь возможного поступления радиоактивных веществ в растения заключается в поглощении их через поверхность наземных органов. При попадании на листья радиоизотопов они проникают во внутренние структуры в месте нанесения, а затем перемещаются и в другие органы растения. Ru и Ce задерживаются в основном поблизости от места первичного нанесения. Sr и I передвигаются по растению достаточно быстро и уже через 90 ч обнаруживаются во всех органах растений. Особенно высокой подвижностью обладает .

При выпадении на земную поверхность радиоактивных изотопов загрязнению подвергается вся наземная растительность. Уровни накопления в ней радиоактивных веществ обусловлены, с одной стороны, плотностью выпадений, а с другой – условиями произрастания. Так, многолетние луговые травы могут накапливать большее количество радиоактивных веществ, чем однолетние сельскохозяйственные культуры.

В лесной зоне наибольшей способностью задерживать радиоактивные вещества обладают хвойные породы деревьев в связи с медленной сменой хвои. Лиственные породы деревьев в средней полосе ежегодно сбрасывают лиственный покров, поэтому степень накопления в этом случае уменьшается.

В результате загрязнения луговых трав радиоактивными продуктами они попадают в организм травоядных животных. При попадании в желудочно – кишечный тракт сельскохозяйственных животных загрязненной растительной пищи эффективно усваиваются Cs, I, P, Sr. Попавшие в кровоток радиоактивные изотопы распределяются по различным органам и тканям: Sr, Y, Ra концентрируются в скелете, Cs – в мышцах, I – в щитовидной железе, Ru – в почках и т.д. Часть радиоактивных элементов выводится из организма животных через выделительную систему. При этом определенная их часть попадает в молоко сельскохозяйственных животных. Так, установлено присутствие в молоке и .

Поведение и пути миграции радиоактивных веществ в открытых водоемах

При поступлении радиоактивных веществ в воду открытых водоемов происходит их разбавление. Эффективность разбавления в реках и небольших замкнутых водоемах зависит от гидрологических факторов: соотношения объема загрязнения и расхода воды в реке, скорости течения, турбулентности водного потока, глубины и т.д.

В морях и океанах скорость разбавления радиоактивных продуктов зависит от скорости перемещения водных масс и процессов их перемешивания.

Одновременно с разбавлением радиоактивных изотопов в воде открытых водоемов происходит и их интенсивное осаждение и вхождение в состав донных отложений. При возрастании ионообменной емкости грунта степень накопления изотопов возрастает. Существенную роль в накоплении дном радиоактивных веществ играют их химические свойства. Слабо фиксируется донным грунтом , лучше – и т.д. Если дно состоит из плотных глинистых пород, распространение продуктов деления урана в глубину достигает около 15 см; проникновение же в глубину рыхлого дна (например, песчаного или торфяного) достигает 1,5 м и более.

Наряду с разбавлением радиоактивных веществ в воде и осаждением в донные отложения происходит их накопление в живых организмах, обитающих в воде. Радиоактивные изотопы эффективно поглощаются бактериями, планктоном, амебами, губками, дафниями и т.д.

У водных растений процесс накопления происходит медленнее, т.к. главные механизмы поступления в них радиоактивных продуктов связаны с процессами обмена. Предельное накопление в водорослях происходит в течение 7 – 30 суток.

У рыб радиоактивные вещества проникают в организм в основном в процессе питания. Поэтому в данном случае существенное значение имеют уровни загрязнения низших организмов, являющихся кормом для рыб. Вместе с тем радиоактивные изотопы проникают в организм рыбы и в процессе дыхания, т.е. через жабры. Время предельного накопления изотопов в теле рыб колеблется от 10 до 120 дней.

Дата добавления: 2015-08-05