Радіоекологічні дослідження урбоекосистем

Практична робота №3

 

Мета роботи: проведіть дослідження радіоактивного забруднення різних частин території
міської екосистеми, включаючи житлові та навчальні приміщення.

Теоретична частина

Джерела іонізуючих випромінювань (ДІВ) поділяються на природні та штучні (антропогенні).

Внесок різних ДІВ до середньої річної ефективної еквівалентної дози опромінення середньостатистичної особи складає: на частину природних ДІВ припадає 2 мЗв (або 83%), а на частину техногенних – 0,421 мЗв (17%); у сумі – 2,421 мЗв.

Основну частину опромінення населення земної кулі одержує від природних джерел випромінювань, до яких належать різні види космічного випромінювання і природні радіонукліди, що утримуються в земній корі, у навколишньому середовищі, у рослинах і тваринах, у тому числі й в організмі людини. На частину земного опромінення припадає приблизно 69%, (у тому числі на частину внутрішнього опромінення – 55%, на частину зовнішнього – 14%), а космічного – 14%.

За нормальних умов існування суспільства головну частину іонізуючого випромінювання екосистеми Землі отримують від природних джерел радіації, а саме – від природних радіоактивних елементів. На сьогодні виявлено 340 видів ізотопів різних хімічних елементів, що складаються з радіоактивних протонів, електронів і нейтронів (Гродзинський, 2000). Більшість з природних джерел радіації такі, що уникнути опромінення від них практично неможливо.

Опромінення від природних джерел радіації більшою або мен­шою мірою зазнає будь-який живий організм на Землі, зокрема і людина. Доза опромінення залежить від географічного місце­положення екосистеми. Рівень радіації у певних місцях планети із заляганням радіоактивних гірських порід є значно вище середнього, тоді як в інших місцях він відповідно нижче. Доза опромінення людини залежить від її способу життя і раціону харчування. Вико­ристання деяких будівельних матеріалів, застосування газу для приготування їжі, надмірна герметизація приміщення, а також пере­льоти на літаку збільшують рівень опромінення людини через природні джерела радіації.

Основні радіоактивні ізотопи, що трапляються в гірських породах Землі, це поодинокі, що не утворюють похідних ізотопів калій-40 (⁴⁰К), рубідій-87 (⁸⁷Rb), та сімейства, що беруть початок від ²³⁸U та торію-232 (²³²Th). В екосистемах радіонукліди важких хімічних елементів містяться в будь-яких природних сполуках у розсіяному стані. Наприклад, у ґрунтовому покриві радіоізотопи містяться в кристалічних ґратках алюмосилікатних мінеральних частинок у формі розчинних у воді основ, у вигляді іонів або молекул, адсорбованих органічними і глинистими колоїдами, а також у формі окисних та інших важко­розчинних сполук (Гродзинський, 2000; Перцов, 1964).

У земній корі поширеними є радіоізотопи сімейства урану – радію, які нагромаджені переважно у гірських породах і ґрунтах. Ці елементи входять до складу мінералів або утворюють рудні родо­вища. В місцях неглибокого залягання рудних тіл урану радіаційний фон у довкіллі є підвищеним. Уран також відноситься до водних мігрантів і міститься в 4- та 6-валентних формах або у вигляді колоїдної системи гідроксидів.

Найвагомішим за вкладом в опромінення людини зі всіх природних джерел радіації є невидимий, без запаху і смаку важкий газ радон. Він відповідає за ¾ річної еквівалентної дози опро­мінення, отриманої людиною від земних джерел радіації і близько половини цієї дози від усіх природних джерел радіації. У природі радон трапляється у двох головних формах: у вигляді радону-222 (²²²Ra), члена радіоактивного ряду ²³⁸U, і у вигляді радону-220 (²²⁰Ra), продукту розпаду ²³²Th.

Радон звільняється із земної кори повсюди, однак його концентрація в атмосферному повітрі у різних частинах земного шару суттєво відрізняється. Основну частину дози опромінення від радону людина дістає у закритому, погано провітрюваному приміщенні або під час користування душем. Концентрація радону в межах закритих приміщень може перевищувати фоновий рівень у 5000 разів (у Швеції, Фінляндії), 500–3000 разів (у Великобританії, США). Накопичення радону залежить й від матеріалу, з якого побудоване приміщення. Радіоактивно небезпечними досить часто бувають глиноземи, фосфогіпс, червоні глини, доменні шлаки, зольний пил та шлакоблоки. Самі розповсюджені будівельні матеріали – ліс, цегла, бетон виділяють відносно небагато радону. Граніт і пемза є більш радіоактивними. Але були знайдені будівельні матеріали із ще більшими рівнями радіоактивності. Усереднений вміст радіоактивних речовин в будівельних матеріалах такий (Бк/кг): дерево – 1,1; пісок – 34; цегла – 126; граніт – 170; глинозем – 1367; фосфогіпс – 574; кальцій-силікатний шлак – 2190; уранові відходи – 4625.

За підрахунками наукового комітету по дії атомної радіації ООН, середня ефективна еквівалентна доза зовнішнього опромінення, яку людина одержує за рік від земних джерел природної радіації, становить приблизно 350 мкЗв, тобто тро­хи більше середньої дози опромінення через радіаційний фон, що утворюється кос­мічними променями.

На території України основні джерела природної радіації зосереджені в межах Українського кристалічного щита та меншою мірою на Донбасі й у Карпатах. До об’єктів підвищеної природної радіоактивності належать: торієві й уранові руди у кристалічних породах; уран і радон у ґрунтовому покриві, а також підземних та ґрунтових водах. За даними радіоекологічних дослід­жень, у межах щита виділено низку аномалій у ґрунтовому покриві з концентраціями радону в десятки–сотні вищими за середні. Найбільший вплив на формування радіоактивного фону на Україні мають U, Th, ⁴⁰K, ⁸⁷Rb.

Людина зазнає опромінення двома способами – зовнішнім та внутрішнім. Якщо радіоактивні речовини знаходяться поза організ­мом і опромінюють його ззовні, то у цьому випадку говорять про зовнішнє опромінення. А якщо ж вони знаходяться у повітрі, яким дихає людина, або у їжі чи воді і потрапляють всередину організму через органи дихання та кишково-шлунковий тракт, то таке опромінення назива­ють внутрішнім..

Техногенне опромінення складається з опромінення під час медичних обстежень і лікування, опромінення від радіоактивних опадів, атомної енергетики, опромінення під час польотів на літаках, при використанні фосфатних добрив, діяльності вугільних електростанцій, опромінення від споживчих товарів (годинники з люмінісцентними циферблатами, кольорові телевізори та ін.).

За декілька останніх десятиліть людство створило сотні штучних радіонуклідів і навчилося використовувати енергію, атома як у військових цілях – для виробництва зброї масового ураження, так і в мирних – для виробництва енергії, у медицині, пошу­ку корисних копалин, діагностичному устаткуванні й ін. Усе це призводить до збільшення дози опромінення як окремих людей, так і населення Землі загалом.

Серед техногенних джерел іонізуючого опромінення на сьогод­ні людина найбільш опромінюється під час медичних процедур і лікування, пов'язаного із застосуванням радіоактивності. Радіація використовується в медицині як у діагностичних цілях, так і для ліку­вання. Одним із найпоширеніших медичних приладів е рентгенівський апарат. Також все більше поширюються і нові складні діагностичні методи, що спираються на використання радіоізотопів. Одним із засобів боротьби з раком, як відомо, є про­менева терапія. В розвинених країнах річна колективна ефективна еквівалентна доза від рентгенівських досліджень становить приблизно 1000 хв. на 1 млн. жителів.

Так, пасажир реактивного літака за 4 години польоту одержує в середньому дозу в 0,027 мЗв, тому що рівень космічного випромінювання в салоні літака сягає 200 мкР/год і вище, у залежності від висоти польоту. На висоті 12 тис. м над рівнем моря рівень космічного опромінення сягає 5 мкЗв/год. Люди, що живуть на висоті 2000 м над рівнем моря, отримують дозу в 3–4 рази більшу, ніж ті, що живуть на рівні моря (без урахування земної радіації), тому що на рівні моря космічний фон становить 0,03 мкЗв/год, а на зазначеній висоті – 0,1 мкЗв/год. Ті, що живуть на екваторі, отримують меншу дозу, ніж жителі півночі, і т.д.

Природний фон зовнішнього випромінювання на території колишнього СРСР коливається в широких межах, але вважається, що в середньому він створює потужність експозиційної дози 4–20 мкР/год. Еквівалентна доза від природних джерел іонізуючого випромінювання складає 0,04–0,2 мкЗв/год і вважається абсолютно безпечною.

Протягом останніх трьох-чотирьох десятиріч агроландшафти України постійно зазнавали різних видів радіоактивного забруднення. Особливо інтенсивне забруднення ґрунтів сталося у 1986р. внаслідок катастрофи на ЧАЕС, коли у навколишнє середовище було викинуто близько 50МКі таких екологічно небезпечних радіонуклідів, як ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs та ін.

Відтак радіаційний контроль є одним з оперативних засобів створення законодавчо закріплених державних гарантій екологічно безпечних умов проживання громадян України і застосовується в обстеженні території та навколишнього середовища з метою визначення масштабів та ступеня радіоактивного забруднення.

Середня доза іонізуючого випромінювання в сучасних індустріальних країнах у середньому дорівнює 2,4 мЗв/рік. Загаль­ний фон радіоактивного випромінювання на території України складає 70-200 мбер/рік. На поверхні Землі до 50 % загального природного фону радіоактивного випромінювання дає радон-222, що утворюється при розпаді урану-238.

Згідно “ Норм радіаційної безпеки України ” максимально допустимим рівнем гамма- фону у приміщеннях вважається рівень 0,30 мкЗв/год.

Для населення України межа небезпечної дози з 1952 року змінилася від 15 мЗв/рік до
1 мЗв/рік. Сьогодні більшість фахівців-радіоекологів наголошують на подальшому зменшенні цієї дози до 0,25 мЗв/рік. Однак, матеріали радіоекологічних досліджень (Яблоков, 2002) показують, що діапазон безпечних рівнів перебуває в межах від 0,002 до 0,02 мЗв/рік.

Особливості радіоактивного забруднення урбоекосистем. У містах умови опромінення людей відмінні від сільської місцевості. Радіаційна небезпека у великих урбоекосистемах значною мірою спричинена радіоактив­ністю, яка потрапляє у водні джерела. Передусім це зумовлено тим, що людина використовує значну кількість води. Тому, коли відбу­вається сильне забруднення питної води радіоактивними речо­винами, слід змінити джерела водопостачання.

Крім загальнопоширеного надходження радіоактивності в організм людини шляхом випадання радіонуклідів з хмар на земну поверхню та разом із забрудненими продуктами, радіоактивні матеріали потрапляють в урбоекосистеми з транспортом. Це потребує встанов­лення постів радіоекологічного контролю залізничного і автомобіль­ного транспорту.

Очевидно, що опромінення людини у сільській місцевості важче обмежувати, ніж у великому місті. В урбоекосистемах жителі вживають продукти, завезені з місць, де відсутній або низький рівень радіаційного забруднення. Питну воду споживають чисту артезіан­ську, а не з неглибоких колодязів, в атмосферному повітрі при належному зволожуванні вулиць і відповідному режимі провітрю­вання приміщень міститься мінімальна кількість радіонуклідів. Відтак радіаційна небезпека в урбоекосистемах значно послаблена за умов своєчасного і кваліфікованого здійснення комплексу проти­радіаційних заходів. Вивчення складної радіаційної обстановки в межах урбоекосистем потребує проведення спеціальних досліджень з метою організації дієвої системи радіоекологічного контролю. Завдання такого радіоекологічного контролю урбоекосистем полягає у кількісній та якісній оцінці параметрів радіаційної ситуації, зумов­леної наявністю природних і техногенних джерел радіації з метою оптимізації режиму проживання і господарювання в міському середовищі.

Після вибуху на ЧАЕС було забруднено 3,5% території Вінницької області – дев’яносто тисяч гектарів землі. Найбільш постраждали села в Гайсинському, Тиврівському, Томашпільському, Шаргородському районах – на їх територію упав радіоактивний пил. Так, у селі Бушинка Тиврівського району рівень радіації становив п’ять кюрі на кілометр квадратний. Для порівняння – у зоні відселення (ще не “мертва зона”) цей показник становить 15 кюрі на кілометр квадратний, норма – до 1 кюрі. На сьогоднішній день – 3,5 кюрі. Північ області біда оминула. Так, у 1986 році радіоактивний фон Хмільницького району був у сорок разів нижчий ніж у Чечельницькому. м. Вінниця також порівняно не постраждала. Після вибуху гамма-фон у Вінниці зріс практично в тринадцять разів: із 13 мікрорентген на годину до 170. Сьогодні цей показник становить 15 мікрорентген. Тоді такий фон дали короткоживучі радіоізотопи, такі, як йод: у нього період напіврозпаду – вісім днів, тобто буквально за тиждень ситуація нормалізувалася. Сьогодні фон визначають ізотопи з великим терміном розпаду. Так, так період напіврозпаду стронцію-90 – 28 років, цезію-137 – тридцять років.

Для проведення екологічного дослідження дії іонізуючого випромінювання на довкілля необхідне розуміння радіаційного поля, тобто простору, в якому реєструється це випромінювання. Специфіку радіаційного поля аналізують методами радіометрії. До основних радіометричних параметрів, які вивчаються за допомогою лабораторних методів, відносять (Гродзинський, 2000):

- кількість альфа- і бета-частинок випромінених, перенесених або поглинутих опромінюваним об’єктом;

- потік іонізуючих частинок або випромінювання;

- щільність потоку іонізуючих частинок та випромінювання;

- міграція іонізуючих частинок або випромінювання;

- енергія іонізуючого випромінювання.

Система радіоекологічного контролю великого міста передбачає вимірювання гамма-фону, ступеня радіаційної чистоти та рівня індивідуальної дози іонізуючого випромінювання за допомогою дозиметра-радіометра.

Оцінка радіогеохімічного забруднення. Особливості міграції і акумуляції радіонуклідів в екосистемах аналогічні особливостям міграції та акумуляції інших хімічних елементів (Малишева, 1998). Зважаючи на цю закономірність, для визначення рівнів геохіміч­ного, в тому числі й радіаційного, забруднення екосистеми найкраще використовувати метод емісійного спектрального аналізу на вміст важких металів з паралельним проведенням радіоекологіч­ного контролю досліджуваної території.

За результатами ландшафтно-геохімічних досліджень стає можливим визначення показників хімічного і радіоактивного забруд­нення екосистеми. Різний рівень забруднення радіонуклідами, який залежить від умов міграції речовини, дає змогу розрахувати для досліджуваних екосистем коефіцієнт міграції радіогеохімічного забруднення (К_м) (Іванов, 1999, 2001). Значення К_м = 1 відповідає середньому рівню дозових навантажень даної екосистеми. При Км > 1 відбувається акумуляція хімічних і радіоактивних елементів, а при К_м < 1 – їхнє винесення або змив.

Радіоекологічний контроль у межах екосистеми слід проводити одночасно з відбором проб для спектрального аналізу хімічних елементів, враховуючи умови її положення в ряду геохімічного сполучення. Для оцінки загального радіогеохімічного забруднення екосистеми обчислюється показник сумарної забрудненості (D) стосовно ГДК хімічних і радіоактивних елементів (Іванов, 1999, 2001; Малишева, 1998):

(5.4)

де Км – коефіцієнт міграції радіогеохімічного забруднення;

n – кількість хімічних і радіоактивних елементів;

k_i та ГДК_і – вміст та ГДК і-го елемента в екосистемі.

Для вимірювання іонізуючих випромінювань створено багато різних приладів і установок, які поділяються на три типи:

1. Радіометри – призначені для вимірювання щільності потоку IB й активності радіонуклідів.

2. Спектрометри – для вивчення розподілу випромінювань за енергіями, зарядами, масами частинок IB (тобто для аналізу зразків будь-яких матеріалів, джерел IB).

3. Дозиметри – для вимірювання доз, потужностей доз та інтенсивності IB.

Серед вказаних є універсальні прилади, що поєднують ті або інші функції. Існують прилади для вимірювання активності речовини (тобто кількості розпадів за секунду), прилади для реєстрації альфа-, бета- та інших випромінювань і т.д.

Є спеціальні польові, або пошукові прилади, призначені для пошуку, виявлення джерел іонізуючого випромінювання, оцінки фону і т.п., здатні фіксувати гамма і бета-випромінювання й оцінювати його рівень (рентгенометри, радіометри і т.п.). Основні вітчизняні дозиметри призначені для вимірювання потужності дози рентгенівського і гамма-випромінювання і можуть бути переносними або малогабаритними (кишеньковими). Тому виявлення з їхньою допомогою і замірювання потужності гамма-випромінювання зовсім не означає, що в цьому місці присутнє альфа і бета-випромінювання. І навпаки, відсутність рентгенівського і гамма-випромінювання зовсім не означає, що відсутні альфа- і бета-випромінювачі.

Прилади дозиметричного контролю іонізуючих випромінювань призначені для вимірювання потужності іонізуючих випромінювань (рівня радіації) і ступеня радіоактивного забруднення різних предметів. В сучасних дозиметричних приладах найбільш розповсюджений іонізаційний метод знаходження та вимірювання іонізуючих випромінювань. Він оснований на використанні однієї з властивостей радіоактивних речовин іонізувати середовище, в якому вони розповсюджуються (тобто розщеплювати нейтральні молекули або атомні пари: додатні іони і від'ємні – електрони). Якщо взяти замкнений об'єм газу і надати йому електричний струм, то ті електрони та іони, що утворюються при опроміненні прийдуть до упорядкованого руху: одні будуть переміщуватись до анода, інші – до катода. В результаті між електродами (анодом і катодом) виникає так званий іонізаційний струм, величина якого прямо пропорційна потужності дози іонізуючого випромінювання. За значенням сили іонізаційного струму можна судити про інтенсивність випромінювань.

Під час виконання цієї практичної роботи буде використовуватись д озиметр-радіометр
МКС-05 “ТЕРРА”, який застосовують в побутових цілях для:

- контролю радіаційної чистоти:

o місць проживання, роботи та відпочинку;

o предметів побуту та одягу;

o поверхні грунту на присадибних ділянках; та будматеріалів

o транспортних засобів;

- оцінки радіаційного забруднення продуктів харчування.

Призначення

Ø Вимірювання потужності еквівалентної дози гамма-випромінення.

Ø Вимірювання еквівалентної дози гамма-випромінення.

Ø Оцінка поверхневої забрудненості бета-радіонуклідами.

Особливості

Ø Наявність трьох незалежних вимірювальних каналів з почерговим виведенням інформації на один рідкокристалічний індикатор.

Ø Автоматичний вибір інтервалів та діапазонів вимірювань.

Ø Звукова сигналізація кожного зареєстрованого гамма-кванта чи бета-частинки.

Ø Програмування порогових рівнів спрацьовування звукової сигналізації по потужності дози гамма-випромінення.

Ø Вмонтований гамма-, бета-чутливий лічильник Гейгера-Мюллера.

Детектор дозиметра-радіометра МКС-05 “Терра” - та -випромінювань перетворює іонізуюче випромінювання в послідовність імпульсів напруги, кількість яких пропорційна інтенсивності випромінювання, що реєструється.

Таблиця 5.2 – Технічні характеристики Дозиметра-радіометра МКС-05 “ТЕРРА”

Детектор	Лічильник Гейгера-Мюллера
Діапазони вимірювань та відносні основні похибки:
- потужності еквівалентної дози гамма-випромінення	0,1... 9999; ±25%	мкЗв/год
- еквівалентної дози гамма-випромінення	0,001... 9999; ±25%	мЗв
- щільності потоку бета-частинок, в якому можлива оцінка поверхневої забрудненості бета-радіонуклідами (90 Sr+ 90Y):	10... 100 000	1/(см2 ·хв)
Енергетичні діапазони вимірювань та енергетична залежність:
- гамма- та рентгенівського випромінень	0,05... 3,0; ±25%	МеВ
- бета-випромінення	0,5... 3,0	МеВ
Час установлення робочого режиму дозиметра, не більше		хвилин
Час безперервної роботи від нових елементів живлення	2 000	години
Діапазон робочих температур	-25... +50	°С
Живлення	2 елементи типорозміру ААА
Маса	0,15	кг
Габарити	55 х 26 х 120	мм

Хід роботи

1. Проведіть відповідно до завдання викладача дозиметричне дослідження різних частин урбоекосистеми. У кожній досліджуваній точці виміряйте 10 значень потужності еквівалентної дози гамма-випромінювання і щільність потоку бета-випромінювання. Потужність еквівалентної дози являє собою швидкість накопичення дози на одиницю часу (мкЗв/год.). Радіометричні вимірювання проведіть на двох висотах: на рівні ґрунтового або техногенного покриву та на висоті 1,2–1,5 м з метою вивчення впливу відстані від земної поверхні, як головного джерела техногенної радіації в урбоекосистемах, на рівень забруднення радіонуклідами. Результати оформіть у вигляді таблиць 5.3-5.4.

 

Таблиця 5.3 – Результати дослідження ПЕД гамма- та рентгенівського випромінювань

Значення ПЕД, мкЗв/год	№ вимірювань
1.
2.
3.
max
середнє
min

 

Таблиця 5.4 – Результати дослідження поверхневої щільності потоку бета-випромінювання

Значення щільності, 1∙103/(см2 ·хв)	№ вимірювань
1.
2.
3.
max
середнє
min

 

1. Зробіть висновок прорівень забруднення радіонуклідами різних районів урбоеко­системи. Згідно сучасним Нормам радіаційної безпеки України (1997) дозове наванта­ження не повинно перевищувати 1 мЗв/рік (9,5 мКі/км²), ПЕД – 30 мкЗв/год. Бета-щільність – (фон + 0,020)∙10³ / (см² ·хв)

Контрольні запитання

1. Наведіть визначення та основні види іонізуючого випромінювання.
2. Проаналізуйте основі характеристики радіоактивного розпаду.
3. Опишіть основні види доз іонізуючого випромінювання.
4. Дайте характеристику природним джерелам радіоактивного випромінювання.
5. Проаналізуйте техногенні джерела радіації.
6. Опишіть радіаційну ситуацію у м. Вінниці та Вінницькій області.
7. Проаналізуйте методику оцінка радіогеохімічного забруднення.
8. Дайте характеристику основним типам приладів, призначених для вимірювання іонізуючих випромінювань.
9. Опишіть принцип роботи дозиметра-радіометра МКС-05 “ТЕРРА”.