Опромінення від природних джерел переважає багато інших джерел і є істотним фактором еволюції живих організмів у біосфері.

До природних джерел IB належать:

- космічні випромінювання;

- природні натуральні джерела;

- технологічні природні джерела (штучні джерела в навколишньому середовищі і в побуті).

Космічне випромінювання. Космічне випромінювання складається з галактичного і сонячного, яке пов'язане з сонячними спалахами. Сонячне космічне випромінювання відіграє важливу роль за межами земної атмосфери, але через порівняно низьку енергію мало впливає на дозу випромінювання біля поверхні Землі.

Слід розрізняти первинні космічні частинки, повторне і фотонне випромінювання, що утворюється в результаті взаємодії первинних частинок з ядрами атомів атмосфери.

Первинне космічне випромінювання більше ніж на 90% складається з протонів високих енергій. Крім них, до складу частинок входять альфа-частинки, нейтрони, ядра атомів різних елементів і інші частинки. Вступаючи у взаємодію з атмосферою Землі, ці частинки проникають до висоти 20 км над рівнем моря і утворюють повторне високоенергетичне випромінювання, яке складається з мезонів, нейтронів, протонів, електронів, фотонів тощо.

Інтенсивність космічного випромінювання залежить від сонячної активності, географічного розташування об'єкта і висоти над рівнем моря.

Залежність від широти пояснюється тим, що Земля подібна до гігантського магніту, унаслідок чого заряджені частинки відхиляються від свого шляху і проходять повз планети, інші - змінюють курс над екватором і збираються у вигляді воронки біля полюсів, закручуючись відповідно до напряму силових ліній прямо над геомагнітним полюсом (пояснення феномену північного сяйва, що виникає при проходженні інтенсивних космічних променів біля полюсів). Інтенсивність космічного випромінювання зберігається відносно постійною на географічній широті між ±15° по обидва боки від екватора, а далі в міру руху до північної або південної широти ±50° швидко зростає, після чого знову залишається практично незмінною аж до полюсів.

Потужність еквівалентної дози (ПЕД) космічного випромінювання значною мірою залежить від висоти над рівнем моря. Для різних висот ПЕД відповідно складає: 0-0,035; 4-0,2; 8-1,35; 20-12,75 мкЗв х год^-1.

На вершині Евересту (Н = 8848 м), найвищої точки земної поверхні, еквівалентна доза космічного випромінювання складає близько 8 мЗв х год^-1.

В орбітальному польоті на висоті 200-400 км потужність дози всередині корабля в 100 і більше разів вища, тобто за рік космонавти одержують 0,1-0,15 Зв. Рекордну дозу опромінення 0,16 Зв одержали американські астронавти у 84-добовому польоті на орбітальній станції «Скайлеб». Висота орбіти - 433 км. Допустима доза піврічного космічного польоту в СРСР була прийнята рівною 0,37 Зв.

Отже, області поблизу екватора, які знаходяться на рівні моря, одержують найменшу дозу космічного випромінювання - близько 0,35 мЗв х год^-1. У географічних областях на широті 50° доза космічного випромінювання складає близько 0,5 мЗв х год^-1. Таку дозу отримують жителі, що проживають поблизу даної широти, - такі міста, як Лондон, Нью-Йорк, Токіо, Торонто, Москва, Київ, Харків, Львів, Одеса.

Природні натуральні джерела. У біосфері Землі є більше 60 природних РН, які можна розділити на три групи.

Перша група. - ряд довгоіснуючих РН, які входять до складу Землі з часу її утворення - природні радіоактивні ряди.

Друга група - РН, що не утворюють радіоактивного ряду і генетично не пов'язані з ним. До цієї групи відносяться 11 довгоіснуючих РН (⁴⁰К, ^S7Rb, ⁱ⁰Ca, ^l30Te, ^l3SLa, ^u7Sm,...), що мають періоди піврозпаду від 10⁷ до 10¹⁵ років.

Третя група - космогенні РН, які безперервно виникають у біосфері в результаті ядерних реакцій під впливом космічних випромінювань. Космогенні РН утворюються переважно в атмосфері в результаті взаємодії протонів і нейтронів з ядрами азоту, кисню і аргону, а далі потрапляють на земну поверхню з атмосферними опадами. До них відносяться ³Н, ¹⁴С, ⁷Ве, ²²Na, ²⁵Mg, ³²P, ³⁵S, ³⁹Аr,... - всього 14 РН. Помітний внесок у дозу опромінення роблять ³Н, ⁷Ве, ¹⁴С і ²²Na. При цьому ³Н і ¹⁴С - це джерела внутрішнього опромінення, а основними джерелами зовнішнього опромінення є ⁷Ве, ²²Nа і ²⁴Na.

Уран, на якому тепер базується ядерна енергетика - широковживаний і сильно розсіяний у земній корі елемент. Середній вміст його в земній корі складає близько 3 х 10 ⁴ %. У природі уран має три ізотопи: ²³⁸U (вміст 99,275%), ²³⁵U (0,72%) і ²³⁴U (0,0054). Усі ці ізотопи урану радіоактивні, довільно розпадаються з випромінюванням альфа-частинок.

Слід відзначити, що віт природного урану-238 міститься 54,8 г урану-234; 0,36 г радію-226; 2,35 х 10^-6 г радону-222; 1,3 х 10^-9 г полонію-218; 1,17 х 10^-13 г полонію-214.

Опромінення людини всіма зазначеними природними РН може бути зовнішнім і внутрішнім.

Зовнішнє гамма-опромінення людини поза приміщеннями (будинками) зумовлене наявністю РН у різних природних середовищах (ґрунті, приземному повітрі, гідросфері і біосфері).

Основний внесок у дозу зовнішнього гамма-опромінення дають гамма-РН урано-радієвого і торієвого рядів і калій-40. При цьому головними джерелами зовнішнього гамма-опромінення в повітрі торієвої серії РН є торій-228 і радій-224, а в урановому ряду 99% дози визначається гамма-випромінюванням свинцю-214 і вісмуту-214.

Так, щорічна доза, яку отримує населення від РН, що знаходяться в зовнішньому середовищі, складає від 0,32 до 0,82 мЗв залежно від умов місцевості.

Середня щорічна еквівалентна доза зовнішнього опромінення для населення всієї земної кулі приймається рівною 0,65 мЗв. Якщо людина знаходиться в приміщенні, доза зовнішнього опромінення змінюється під впливом двох протилежно діючих чинників: екранування зовнішнього випромінювання будинком і випромінювання природних РН, що знаходяться в матеріалах, з яких збудовано будинок. Залежно від концентрації ⁴⁰K, ²²⁶Rа, ²³²Th у різних будівельних матеріалах потужність дози в будинках значно змінюється.

Якщо за одиницю взяти такий матеріал, як дерево, то мешканці, що проживають у будинках з іншого будівельного матеріалу, одержують річну дозу:

- з вапняку - в 1,3 рази більшу;

- з бетону, цегли - в 3 рази;

- з пемзового каменю - в 10 разів;

- з граніту - в 10-12 разів.

При цьому потужність дози всередині будинків у всіх цих містах перевищує потужність дози поза приміщеннями на 16-46% , виняток складає Севастополь, де потужність цих доз практично однакова.

Пояснюється це просто: у гранітах урану в 2-3 рази, а торію - у 3-10 разів більше, ніж у вапняках.

Внутрішнє опромінення людини створюється РН, що потрапляють в організм разом із їжею, повітрям і водою. З них найбільш високий вклад в ефективну еквівалентну дозу вносять ^40K,¹⁴С,⁸⁷ЯЬ,²¹⁰Ро,²²⁶Да, а також радон-222 і радон-220 (торон).

Найбільш вагомими з усіх природних джерел радіації є полоній-210 (8%), калій-40 (13%) і особливо радон-220 і 222 (близько 75%).

Радон надходить до організму при диханні разом з повітрям. Він є продуктом розпаду радію, який у свою чергу повсюди міститься в ґрунті, стінах будинків та інших об'єктах зовнішнього середовища.

Основна частина опромінення спричинена не самим радоном, а продуктами його розпаду.

Радон - це невидимий важкий газ, який не має ні смаку, ні запаху (у 7,5 разів важчий за повітря). При розпаді випромінює альфа-частинки. Радон вивільняється із земної кори повсюди. Концентрація його в закритих приміщеннях звичайно у вісім раз вища, ніж на вулиці, а на верхніх поверхах нижча, ніж на першому.

Джерелами надходження радону є будівельні матеріали, вода і природний газ.

При кип'ятінні радон випаровується, у сирій воді його набагато більше. Основну небезпеку викликає його попадання в легені з водяною парою. Найчастіше це відбувається у ванній кімнаті, коли людина приймає гарячий душ.

Під землею радон змішується з природним газом, який потім використовується в побутових газових плитах, і таким чином попадає в приміщення. Концентрація його значно збільшується за відсутності надійних витяжних систем.

За даними наукового комітету з атомної енергетики ООН, концентрація радону разом з продуктами його розпаду всередині будинків приблизно у 25 разів перевищує середній рівень у зовнішньому повітрі.

Радон, потрапляючи в організм, відразу ж уражає залози внутрішньої секреції, гіпофіз, кору надниркових залоз. Це викликає задишку, серцебиття, мігрень, тривожний стан, безсоння. Іноді розвиваються злоякісні пухлини в легенях, печінці, селезінці.

Український науковий центр радіаційної медицини стверджує, що близько 70-75% дози опромінення населення України від усіх джерел природної радіоактивності припадає на радон. Винним є Український щит - тектонічна структура, яка проходить з півночі на південь майже посередині України і займає близько 30% усієї території. Складається щит з гранітів та інших кристалічних порід, що характеризуються підвищеною радіоактивністю.

Підвищену радіоактивність мають сланці, фосфорити. Тому фосфорні (а також азотні і калієві) мінеральні добрива часто є носіями радіоактивного забруднення ґрунтів і ґрунтових вод. Високу радіоактивність мають кальцієво-силікатний шлак, фосфогіпс, доменний шлак, вугільний шлак.

Аномалії природного фону. На планеті є місця, де рівні радіаційного фону підвищені внаслідок значних покладів радіоактивних мінералів. Виявлено п'ять основних населених місць, які мають істотно збільшений природний рівень радіації через певний склад ґрунту і гірських порід. Це Бразилія, Франція, Індія, острів Німує (Тихий океан) і Єгипет.

У ряді місць Бразилії, головним чином у прибережних смугах, кожна з яких має довжину в кілька кілометрів і ширину в кілька сотень метрів, потужність випромінювання з ґрунту і скельних порід складає 5 мЗв х рік^-1.

Аномальні райони в Україні - Хмельник, Миронівка, Жовті Води, а також Дніпропетровська, Кіровоградська і Миколаївська області, де знаходяться рудники з видобування урану. У цих місцях рівні природного фону в десятки і сотні разів більші, ніж на іншій території.

У цілому, за даними спеціального наукового комітету ООН, середня еквівалентна доза опромінення населення в промислово розвинених країнах земної кулі за рахунок природних джерел випромінювання складає 2,5 - 3,0 мЗв х рік^-1.

У табл. 1.1 наведено сумарну середньорічну ефективну дозу від природних джерел випромінювання.

Таблиця 1.1

РАДІОАКТИВНЕ ЗАБРУДНЕННЯ

2.1 Забруднення ґрунтів

Концентрація природних РН у земній корі (Константінов М.П.)

У земній корі, наприклад, з усіх РР найбільше міститься калію (2,5%), тоді як вміст урану і торію в десятки і сотні (урану-238 - 3 * 10^-4%), а радію - у мільйон разів менше порівняно з вмістом радіоактивного калію.

Значною є різниця концентрації РН у ґрунтах різних типів. Концентрація РН у ґрунтах різних типів і відповідні потужності поглинутої дози (ППД) у повітрі на висоті 1 м від поверхні землі наведені в табл. 2.2.

РН, що потрапляють в атмосферу, врешті-решт концентруються в ґрунті. Через декілька років після випадання на земну поверхню надходження РН у рослини з ґрунту є основним шляхом надходження їх у їжу людини і корм тварин.

Як показала аварія на ЧАЕС, уже на другий рік після випадання основний шлях попадання РН у харчові ланцюги - надходження РН з ґрунту в рослини.

Поглинання ґрунтами РН перешкоджає їх пересуванню по профілю ґрунтів, проникненню в ґрунтові води. Так, на цілинних ділянках, природних луках і пасовищах РН затримуються у верхньому шарі (0-5 см). Після оброблення ґрунту РН знаходяться переважно в орному шарі.

Таблиця 2.2

Внаслідок аварії на ЧАЕС у природне середовище надійшов широкий спектр радіонуклідів, але особливо велику екологічну небезпеку становлять такі довгоіснуючі радіонукліди. Загальна площа забруднення ¹³⁷Сs щільністю від 3,7x10¹⁰ до 18,5х10¹⁰ Дж на 1 км² оцінюється у 150000 км².

Радіонуклідному забрудненню були піддані 9 млн. га території 12 областей України (3,1 млн. га орної землі). Із господарського користування вилучено 180 тис. га сільськогосподарських угідь і 157 тис. га лісів, обмеження агропромислового виробництва і лісогосподарського користування поширені на площі 256 тис. га. В результаті післяаварійних і дезактиваційних робіт у зоні відчуження створено понад 800 могильників радіоактивних відходів. Зруйнований реактор ізольований залізобетонними конструкціями (об'єкт "Укриття") і за оцінками містить близько 180 т ядерного палива, в якому знаходиться понад 7,4х1017Бк радіоактивних речовин. Викид радіоактивних речовин із зруйнованого реактора продовжується, хоч і в значно меншій кількості, і за оцінками на 2000 рік досяг близько 33,3х10¹⁷ Бк (90 МКі) [19].

З метою гасіння у палаючий реактор було скинуто 1780 т піску, 900 т доломіту, 40 т карбіду бору і 2400 т свинцю. Температура в реакторі коливалась від 2500 до 10000°С, становлячи в середньому за різними оцінками близько 3000°С. Через деякий час вияснилось, що в шахту реактора потрапили далеко не всі матеріали, які скидались, значна їх частина і зараз знаходиться у фізичній залі. У зв'язку з тим, що температура палаючого реактора значно перевищувала температуру кипіння свинцю (1740 °С), велика кількість цього елемента була викинута потоками повітря у природне середовище.

У післяаварійний період запаси радіонуклідів у водних екосистемах поповнюються зі стоком талих і дощових вод з територій зони відчуження, на яких питома радіоактивність ґрунтів досягає 40,7x10³ Бк/кг. Функціональна схема виносу радіонуклідів з 30-кілометрової зони ЧАЕС відображає складність і направленість процесів, що визначають водний шлях транспорту радіонуклідів (рис.2.1.)

Україна відзначається розвинутою атомною енергетикою, джерелами водопостачання для якої служать ріки і водосховища (рис.2.2.). Після того, як 15 грудня 2000 р. був зупинений третій реактор Чорнобильської АЕС в Україні залишилось діючими чотири АЕС, які в якості джерел водопостачання використовують: Запорізька - Каховське водосховище, Рівненська - р. Стир (притоку р. Прип'яті), Хмельницька - р. Горинь (притоку р. Прип'ять), Південноукраїнська - р. Південний Буг. У басейні р. Десни на території Росії працюють Курська та Смоленська АЕС. Курська розташована на притоці Десни р. Сейм. Водозабезпечення Смоленської АЕС здійснюється з використанням водосховища, побудованого шляхом перекриття верхньої ділянки русла р. Десни земляною дамбою. Досить інтенсивно розвинута атомна енергетика і в країнах басейну р. Дунай: у Болгарії, Угорщині, Федеративній Республіці Німеччині та інших, що обумовлює актуальність радіоекологічних досліджень всього басейну і особливо нижньої ділянки цієї ріки в межах України. Вирішення основних наукових, технічних і соціально-економічних проблем, пов'язаних з виводом із експлуатації реакторів АЕС України, намічено на друге десятиліття XXI століття. Серед великої кількості екологічних проблем, які породжує атомна енергетика, слід виділити споживання води, її витрати на випаровування, теплове, хімічне і радіонуклідне забруднення.

Рис. 2.1. Функціональна схема виносу радіонуклідів з 30-кілометрової зони Чорнобильської АЕС

РАДІОАКТИВНЕ ЗАБРУДНЕННЯ РОСЛИН

Радіоактивне ураження рослин виявляється в гальмуванні росту, зниженні врожайності, репродуктивної якості насіння, а при великих дозах викликає загибель рослин.

Рослини можуть забруднюватися двома шляхами: аерозольним (некореневий шлях) і кореневим (ґрунтовий шлях надходження).

Особливість некореневого шляху надходження полягає в тому, що при безпосередньому осіданні радіоактивних частинок з різних шарів атмосфери відбувається забруднення надземної маси рослин усіма РН, що випадають.

Радіоактивні частинки неповністю затримуються на рослинах. Ступінь затримання радіоактивних частинок рослинами характеризується величиною первинного затримання відношенням кількості осілих на рослинах радіоактивних частинок до загальної їх кількості, яка випала з атмосфери на даній площі.

Коефіцієнт первинного утримання К_пу = о_Р/о_В, Дж

де о,_в - густота випадань (кількості радіоактивності, що випала на одиницю площі посіву або травостою); о,_р - густота радіоактивного забруднення надземної маси рослин (кількості радіоактивності в надземній масі з одиниці площі посіву).

Різні сільськогосподарські культури мають неоднакову здатність до утримання радіоактивних опадів з атмосфери, що зумовлено як специфікою морфологічної будови рослин, так і ступенем розвитку надземної маси. (Морфологія та будова рослин - форма, розміри, розташування листя, ступінь шорсткості їх поверхні.)

Коефіцієнт первинного утримання К_пу може змінюватися в дуже широких межах - від кількох до 95%.

Так, К_п мають: пшениця яра - 71%, просо - 51% , горох -74%, гречка - 39%, картопля - 25%.

Неоднаковою здатністю до утримання радіоактивних опадів характеризуються не тільки різні види сільськогосподарських культур, але й різні частини і органи однієї і тієї ж рослини. Так, для ярої пшениці первинне утримання складає: для листя - 41%, для стебел - 18%, для полови - 11%, для зерна - 0,6%.

Вміст РН в одиниці маси зерна залежить від строків їх випадання. Найбільша концентрація РН у зерні (пшениці та жита) спостерігається при їх випаданні в період цвітіння і молочної стиглості, більш низька -- при випаданні їх у фазі кущіння і виходу в трубку.

Найбільш чутливі до радіації в різних фазах розвитку квасоля, кукурудза, жито, пшениця; більш стійкі - льон, конюшина, люцерна, рис, томати.

Це зумовлено перш за все тим, що колосся, яке вже з'явилося, має високу здатність до утримання радіоактивних опадів, і частково тим, що в період наливання зерна відбувається відтікання поживних речовин з вегетативних органів у зерно. Випадання ⁹⁰Sr з атмосфери на поверхню рослин практично не забруднює зерно сільськогосподарських культур із закритим насінням (горох, кукурудза). Бульби картоплі і коренеплоди столового і цукрового буряку також виявляються практично чистими, тому що стронцій при попаданні на листя дуже слабко проникає всередину рослин.

Однак випадання аерозольних частинок ⁹⁰Sr з атмосфери на деякі рослини дуже небезпечне. Це перш за все овочеві культури. Томати, огірки, капуста, листкові овочі можуть сильно забруднюватися.

При випаданні з атмосфери ¹³⁷Cs не тільки механічно забруднює урожай, але й інтенсивно проникає в тканини наземних органів рослин, включається в метаболізм, переміщується всередині рослини і накопичується в урожаї. Досить інтенсивно рухається всередині рослини при попаданні на її поверхню ¹³¹І. Незважаючи на порівняно короткий період піврозпаду, цей РН може проникати з кормом тварин у молоко, а через молоко - в організм людини.

Механізм засвоєння РН корінням рослин подібний до поглинання основних поживних речовин макро- і мікроелементів.

Головна відмінність полягає в тому, що здебільшого РН у зовнішньому середовищі наявні в гранично низьких концентраціях. Наприклад, стронцію 90 міститься 1,4 х 10^-12г х кг^-1 ґрунту, а маса 1 Кі ⁹⁰Sr складає 7 х 10^-3г.¹³⁷Cs є хімічним аналогом калію, a ⁹⁰Sr - кальцію, тому спостерігається певна подібність поглинання рослинами і пересування по них К, Са і їх хімічних аналогів Cs і Sr.

Найбільше поглинається рослинами з поживного розчину ¹³⁷Cs, значно менше - ⁹⁰Sr. Таких РН, як ⁶⁰Со, ¹⁰⁶Ru, ¹⁴⁴Ce, ¹⁴⁷Рт, надходить з водного розчину в наземну масу рослин у 10 разів менше, ніж Cs і Sr.

При просуванні РН по різних органах надземної частини рослин зберігається певна закономірність. РН, що надійшли в надземну частину рослин, переважно концентруються в соломі (листя, стебла), менше - у полові (колосся, волоття зерна) і в невеликих кількостях - у зерні. Деякий виняток з цієї закономірності складає цезій, відносний вміст якого в насінні може досягати 10% і вище загальної кількості його в надземній частині.

Загалом накопичення РН і їх вміст на одиницю маси сухої речовини в процесі росту рослин має таку ж закономірність, як і накопичення біологічно важливих елементів: з віком рослини у надземних органах збільшується абсолютна кількість РН і знижується вміст на одиницю маси сухої речовини.

При збільшенні врожаю, як правило, зменшується вміст РН на одиницю маси.

3.2 Надходження РН у рослини з різних типів ґрунтів

Коефіцієнти накопления ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs в рослинах в залежності від ступеня карбонатності чорноземів (Алексахин Р.М.)

Розподіл радіонуклідів у профілі ґрунту. Розподіл радіонуклідів у межах кореневого шару ґрунту впливає на їх надходження в рослини. У перший період після потрапляння радіонуклідів на грунтово-рослинний покрив з повітря вони локалізуються у верхній частині ґрунту. Багато радіонуклідів характеризуються слабкою рухливістю і протягом тривалого періоду часу затримуються в шарі ґрунту 0-5 см. Найбільше інтенсивно переходять у рослини радіонукліди при зосередженні їх у луговій дернині. Так, у перший рік після внесення ⁹⁰Sr на дернину вміст його в рослинах буде в 2- 8 разів вищий, ніж на 3-й рік.

Рівномірне розміщення радіонуклідів в орному шарі при переорюванні знижує перехід їх у рослини [17].

Найбільш високі рівні забруднення стронцієм спостерігаються на дерново-підзолистих ґрунтах, менші - на сірих лісних ґрунтах і сіроземах і найнижчі - на чорноземах. Аналогічна залежність установлена і для цезію.

Велика різноманітність ґрунтів у нашій країні визначає значну різницю в поведінці РН у ґрунтах і накопиченні їх у рослинах. Тому концентрація РН у рослинах на різних ґрунтах в різних ґрунтово-кліматичних зонах країни при одному й тому ж рівні забруднення може різнитися в 10 разів.

Існує прямо пропорційна залежність між щільністю забруднення місцевості і накопиченням РН у рослинній продукції.

3.3 Надходження РН у рослини залежно від їхніх біологічних особливостей