Охрана биомов от радиационного загрязнения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Радиационное загрязнение и его характеристика

1.1 Физическая сущность радиоактивности

1.2 Понятие и источники радиационного загрязнения

1.3 Миграция радионуклидов в наземной среде

2. Действие ионизирующей радиации на наземные экосистемы

2.1 Влияние ионизирующего излучения на экологическую систему леса

2.2 Радиационное загрязнение биомов Казахстана

3. Противорадиационная защита биомов

Заключение и выводы

Список литературы

Введение

радиоактивность загрязнение биомы радионуклиды

Актуальность. Среди комплекса проблем, которые выдвигает использование человеком ионизирующих излучений в различных областях деятельности, наиболее важной является проблема влияния радиоактивных загрязнений на биосферу. Основным принципом радиационной защиты природы (антропоцентрический подход), сформулированным ещё в 70-80-е годы прошлого века ведущими международными организациями (МКРЗ, МАГАТЭ) в области радиационной безопасности, явился постулат, согласно которому если радиационными стандартами защищен человек, то в этих условиях защищена от действия ионизирующих излучений и окружающая среда. В настоящее время активно обсуждается другой, экоцентрический подход к радиационной защите биосферы: "Защищенная от вредного действия ионизирующих излучений биосфера обеспечит радиационную безопасность и полноценную жизнеспособность человечества". В частности это связано с возросшей озабоченностью по поводу устойчивости окружающей среды, в том числе необходимости сохранения биологического разнообразия на планете.

В этих условиях важным является, с одной стороны, определение допустимых уровней радиоактивного загрязнения безопасных как для отдельных представителей биоты, так и для природных экосистем в целом, с другой - разработка эффективной системы мониторинга состояния радиоактивно загрязнённых экосистем.

Цель: Ознакомится с последствиями воздействия ионизирующего излучения на биомы и изучить методы их защиты от радиационного загрязнения.

Задачи:

1. изучить сущность радиационного загрязнения;

2. рассмотреть действие ионизирующих излучений на примере экосистемы леса;

3. рассмотреть радиационное загрязнение биомов Казахстана;

4. ознакомиться с приёмами радиационной защиты биомов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Общий радиационный фон планеты складывается из естественного и искусственного фона.

2. Накопление (вынос) радионуклидов растениями зависит от свойства почвы и биологической особенности растений.

3. Лес - одна из наиболее чувствительных к ионизирующей радиации природных экосистем.

1. Радиационное загрязнение и его характеристика

1.1 Физическая сущность радиоактивности

Впервые с явлением радиоактивности столкнулся в 1886 г. французский ученый Анри Беккерель. Он положил несколько фотографических пластинок в ящик стола, придавив их кусками какого-то минерала, содержащего уран. Когда он проявил пластинки, то к своему удивлению обнаружил на них следы каких-то излучений, которые он приписал урану. Анри Беккерель известен ученому миру еще и потому, что положив пробирку с радием в карман, получил ожог кожи, и таким образом он стал одним из первых, кто познакомился с воздействием радиации на ткани живого организма.

В 1895 г. Конрад Рентген открыл названные его именем рентгеновские лучи. В 1897 г. Джозеф Дж. Томсон доложил об открытии новой элементарной частицы-электрона. Это открытие нанесло жестокий удар по многовековым представлениям о неделимости и элементарности атома. В 1898 г. Мария Складовская-Кюри, молодой химик, полька по происхождению вместе с мужем Пьером Кюри обнаружили, что уран после излучения таинственным образом превращается в другие элементы. Один из них супруги назвали полонием в память о родине Марии Кюри, а еще один - радием поскольку по латыни это слово означает «испускающий лучи». В 1899 г. Эрнест Резерфорд открыл альфа и бета-лучи, объяснил их природу и совместно с Ф. Содди создал теорию радиоактивности [1].

Радиоактивность - это самопроизвольные превращения атомных ядер, сопровождающиеся испусканием элементарных частиц или более лёгких ядер. Ядра, подверженные таким превращениям, называют радиоактивными, а процесс превращения - радиоактивным распадом.

Радиоактивный распад возможен только тогда, когда он энергетически выгоден, т.е. сопровождается выделением энергии. Условием этого является превышение массы М исходного ядра суммы масс m_i продуктов распада, т.е. неравенство

M >?m_i.

Из около 3000 известных ядер (большинство из них получено искусственно) лишь 264 не являются радиоактивными. Основными видами радиоактивного распада являются альфа-распад (испускание ядрами альфа-частиц), бета-распад (испускание (или поглощение) электрона, а также антинейтрино, или испускание позитрона и нейтрино), гамма-распад (испускание гамма-квантов) и спонтанное деление (распад ядра на два осколка сравнимой массы). К более редким видам радиоактивного распада относятся испускание ядрами одного или двух нуклонов, а также испускание фрагментов (кластеров) - лёгких ядер от ¹²С до ³²S. Во всех видах радиоактивности (кроме гамма-радиоактивности) изменяется состав ядра - число протонов Z, массовое число А или и то и другое.

Важнейшей характеристикой радиоактивности является закон радиоактивного распада, показывающий как со временем t изменяется (в среднем) число N радиоактивных ядер в образце

N(t) = N₀e-^лt,

где N₀ - число исходных ядер в начальный момент (момент их образования или начала наблюдения), а л - постоянная распада (вероятность распада радиоактивного ядра в единицу времени). Через эту постоянную можно выразить среднее время жизни радиоактивного ядра ф = 1/л, а также период полураспада T_1/2 = ln2/ф. Период полураспада наглядно характеризует скорость распада, показывая за какое время число радиоактивных ядер в образце уменьшится вдвое.

Следует подчеркнуть, что процесс радиоактивного распада (как и все процессы в микромире) это случайный процесс и можно говорить лишь о вероятности его протекания. Так если в образце N радиоактивных ядер, то в единицу времени не обязательно произойдёт лN актов радиоактивного распада. Это число может быть и больше и меньше лN, которое в данном случае является лишь средним (математическим ожиданием).

На характеристики радиоактивного распада, в частности его скорость (период полураспада), оказывают существенное влияние силы (взаимодействия), вызывающие распад. Альфа-распад изначально вызывается сильным взаимодействием, но его скорость определяется кулоновским барьером (электромагнитным взаимодействием). Бета-распад вызывается слабым взаимодействием, а гамма-распад - электромагнитным.

Соответственно различают следующие виды ионизирующих излучений: альфа - излучение, бета - излучение, нейтронное излучение, гамма - излучение, рентгеновское излучение. Ниже дается краткая характеристика каждого из этих видов излучений (Приложение А, рисунок А.1.).

Альфа-излучение представляет собой поток ядер гелия, испускаемых при распаде радиоактивного вещества или при ядерных реакциях. Энергия альфа-частиц порядка нескольких МэВ. В воздухе эти частицы поглощаются слоем толщиной 8-9 см. Пробег альфа- частиц в живой ткани составляет несколько десятков микрон, а толщина алюминиевой фольги в 10 микрон полностью поглощает поток альфа - излучения. При увеличении энергии альфа- частицы возрастает вызываемая ею ионизация в поглощаемой среде. Вследствие большой массы эти частицы быстро теряют свою энергию, поэтому проникающая способность этого вида излучения невысокая (рис. 1). Практически альфа-излучение не способно проникнуть через наружный слой кожи, образованный отмершими клетками, поэтому оно не опасно, пока радиоактивные вещества не попадут внутрь организма через открытую рану, с пищей или с вдыхаемым воздухом, тогда альфа-излучение в 20 раз опаснее других видов излучения. Удельная ионизация альфа-частиц на воздухе составляет несколько десятков тысяч пар ионов на 1 см пути.

Бета-излучение представляет собой поток электронов (или позитронов), возникающих при радиоактивном распаде. Энергия этих частиц составляет несколько МэВ. Максимальный пробег в воздухе достигает более 15 м, а в живых тканях 2,5 см. Обладая значительно меньшей массой, чем альфа-частицы, бета- частицы имеют более высокую проникающую способность. Ионизирующая способность этого вида излучения меньше, чем у альфа-частиц, и составляет несколько десятков пар на 1 см пути пробега.

Нейтронное излучение преобразует свою энергию в результате соударения с ядрами вещества. При неупругих взаимодействиях возможно возникновение вторичных излучений, которые могут иметь как заряженные частицы, так и гамма-излучения. При упругих столкновениях возможна ионизация вещества. Проникающая способность нейтронов в значительной степени зависит от их энергии.

Рентгеновское излучение возникает при воздействии бета-частиц на окружающую среду или при бомбардировке электронами анодов рентгеновских трубок, ускорителей и т.п. Энергия фотонов рентгеновского излучения составляет примерно 1 МэВ. Рентгеновское излучение, как правило, состоит из тормозного и характеристического. Тормозное излучение имеет непрерывный спектр, а характеристическое - дискретный спектр, зависящий от материала анода. Рентгеновское излучение обладает большой проникающей и малой ионизирующей способностями.

Гамма-излучение, как и рентгеновское, имеет электромагнитную природу и обладает большой проникающей способностью и малым ионизирующим действием. Гамма-излучение возникает в результате естественной радиоактивности, а также в искусственных ядерных реакциях, при соударении частиц высоких энергий. Энергия фотона гамма-излучения может достигать очень больших значений, во много раз превосходящих энергию фотона рентгеновского диапазона. Гамма-излучение, идущее со скоростью света задерживается толстой свинцовой или бетонной плитой. Качественная характеристика проникающей способности различных видов излучения представлена на рисунке 1.

Почти все первые исследователи жертвовали своим здоровьем в работе с радиоактивными элементами. 336 человек, работавшие в то время с радиоактивными материалами, умерли в результате облучения. Среди них и Мария Кюри, которая ушла из жизни от одного из злокачественных заболеваний крови. Несмотря на это, молодая группа ученых направила свои усилия на разгадку радиации. К сожалению, результатам их поисков в 1945 г. суждено было воплотиться в атомную бомбу. Практическим воплощением их исследований явилось также создание в 1954 г. первой промышленной атомной электростанции в СССР. Таким образом, с одной стороны атом оказался на службе у человека, а с другой - он способствует радиоактивному загрязнению планеты [2].

Рисунок 1 Проникающая способность различных видов излучения

1.2 Понятие и источники радиационного загрязнения

Радиоактивное загрязнение - это превышение естественного уровня содержания в окружающей среде радиоактивных веществ. Оно может быть вызвано ядерными взрывами и утечкой радиоактивных компонентов в результате аварий на АЭС или других предприятиях, при разработке радиоактивных руд и т.п.

Говоря о радиоактивном загрязнение необходимо определить источники, формирующие естественный радиоактивный фон. Они многочисленны и разнообразны и по своему суммарному воздействию к числу важнейших относятся космические лучи. Все организмы, живущие в приземных слоях атмосферы, в водах океанов и на поверхности суши, надежно защищены от избыточного космического излучения толщей воздуха. Население Казахстана, проживающее на равнинах, получает за счет космического излучения дозу облучения, равную в среднем 0,05 бэр/год (бэр - биологический эквивалент рентгена, доза любого вида ионизирующего излучения, которая вызывает в организме те же изменения, что и доза в один рентген). Это очень небольшая доза, которая не грозит какими-либо нарушениями функций живых организмов. С увеличением высоты над уровнем моря интенсивность излучения увеличивается. Например, в горах на высоте 3 км она выше, чем вблизи экватора (на уровне моря) в 3 раза. Интенсивность космического излучения зависит также от напряженности электромагнитного поля Земли, отклоняющего заряженные космические частицы. Это отклонение наибольшее на экваторе и наименьшее на полюсах. Поэтому интенсивность космического излучения увеличивается от экватора к полюсам (Приложение А, рисунок А.2).

Помимо космических лучей, биосфера постоянно подвергается воздействию радиоактивных элементов горных пород. Особенно широко распространены в земной коре такие радиоактивные элементы, как уран, торий, радий, и некоторые другие. Их содержание максимально в кислых магматических породах. Уровень ионизирующего излучения осадочных пород обычно в несколько раз ниже, чем гранитов и базальтов [3].

Интенсивность естественной радиации, обусловленной радиоактивными элементами горных пород, меняется в соответствии с ландшафтом. Чем мощнее толща осадочных слоев, залегающих над гранитами или базальтами, тем ниже при прочих равных условиях природный радиационный фон. Например, в ландшафтах пластовых и аккумулятивных равнин он в 3-7 раз ниже, чем на цокольных равнинах. Мощная толща воды в океане препятствует проникновению ионизирующего излучения базальтов океанического дна. Поэтому естественная радиоактивность нижних слоев воздуха над океаном примерно в 100 раз ниже, чем над сушей. На уровень радиационного фона влияет и снеговой покров. Слой свежевыпавшего снега высотой 50 см снижает интенсивность излучения вдвое.

Содержание радиоактивных веществ в почвах определяется породами, на которых они формируются. В результате радиоактивного распада радия и тория в них скапливаются радиоактивные газы радон и торон.

Величины естественного радиоактивного фона различны в разных географических регионах. Широта места, его высота над уровнем моря, литология коренных пород и осадочных толщ, тектоническое строение, типы почв и их геохимические особенности, химический состав и гидрологический режим поверхностных и грунтовых вод, характер выпадения атмосферных осадков - это далеко не полный перечень условий, сочетание которых определяет местные особенности природного радиоактивного фона. Ландшафты разного типа отличаются друг от друга сочетанием этих факторов, а следовательно, уровнем естественного радиоактивного фона.

Помимо внешнего облучения, все живые организмы, в том числе и человек, подвергаются внутреннему облучению за счет радиоактивных веществ, усвоенных вместе с пищей. Прежде всего, это относится к калию-40 и углероду-14. Внутреннее облучение суммируется с внешним.

Все животные и растения могут благополучно существовать только в условиях естественных параметров радиоактивного фона. Их изменение как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения приводит к неблагоприятным последствиям.

За последние десятилетия возникла и становится все более острой качественно новая экологическая проблема - защита биосферы от радиоактивных загрязнений. Эти загрязнения непосредственно затрагивают все сферы географической оболочки и все ее компоненты. Кроме того, они сохраняют свое негативное воздействие в течение длительного времени - десятков и сотен лет.

Основными источниками радиоактивного загрязнения природной среды являются производство и испытания ядерного оружия. До 2000 г. в мире было проведено около 2 тыс. испытательных взрывов. Из них на долю США приходится 50,5% взрывов, СССР, России- 35,1%, Франции - 10,1%, Англии - 2,3%, Китая - 1,8% взрывов. Значительная часть этих испытаний сопровождалась существенными поступлениями в окружающую среду радиоактивных веществ [4].

При ядерных взрывах образуются две группы радиоактивных изотопов.

К первой группе относятся изотопы с коротким периодом полураспада (Период полураспада - время, за которое первоначальное количество изотопов уменьшается вдвое) (иод-131, барий-140 и др.). Они создают наибольшую опасность в ближайший период времени после взрыва и в непосредственной близости от места ядерного взрыва, так как за ограниченное время своего существования не успевают далеко распространиться.

Ко второй группе относятся изотопы с периодом полураспада от нескольких десятилетий до нескольких тысяч лет. Это, в частности, изотоп углерода - углерод-14 с периодом полураспада свыше 5 тыс. лет. Вместе с пищей углерод-14 попадает в животные и растительные организмы и постепенно накапливается в них. В результате внутреннее облучение возрастает, что чревато генетическими мутациями разного рода, в том числе и вредными, которые могут проявиться через несколько поколений.

К числу наиболее опасных долгоживущих продуктов ядерных взрывов относится изотоп стронция - стронций-90. Период его полураспада равен 28 годам. По своим химическим свойствам стронций близок к кальцию и поэтому замещает его в биологических процессах обмена веществ. С продуктами питания стронций-90 усваивается животными, накапливается в их костях. При значительных концентрациях стронция-90 может возникнуть угроза заболевания лейкемией. При нехватке в пище кальция потребность в нем удовлетворяется за счет стронция. Почвы разных типов отличаются по составу кальция. Поэтому при одинаковом количестве выпавшего после ядерного взрыва стронция-90 степень радиационной опасности в разных районах будет неодинаковой. Чем выше содержание кальция в почвах, тем меньшими относительными величинами будет характеризоваться их загрязнение стронцием-90, и наоборот. В северных районах Евразии, где преобладают дерново-подзолистые почвы с малым содержанием кальция, относительная концентрация в почве стронция-90 увеличивается значительно быстрее, чем в южных. В этих районах внесение кальция в почву при известковании имеет значение не только для повышения урожайности полей, но и как средство борьбы с загрязнениями среды стронцием-90. В ландшафтах, где господствуют кислые почвы, бедные кальцием, растения и животные отличаются повышенным содержанием стронция-90 [5].

Близок к стронцию-90 по основным свойствам изотоп цезия - цезий-137. Его накопление в организме сопровождается тяжелыми последствиями - формированием наследственных дефектов, проявляющихся у последующих поколений.

В результате всех проведенных ядерных взрывов в биосферу попало огромное количество радиоактивных веществ, вследствие чего радиоактивный фон вырос в среднем на 3%. Этот новый уровень фоновой радиоактивности не представляет какой-либо опасности для живых организмов. Но в ряде регионов земного шара накопление антропогенных радиоактивных веществ может существенно превосходить средние величины и достигать критических размеров.

При наземных или воздушных ядерных взрывах радиоактивные вещества поднимаются высоко в воздух. Примерно 35-40% этих веществ попадает в тропосферу. В тропосфере они переносятся на большие расстояния и при этом постепенно выпадают на землю с дождями и туманами. Их полное удаление из тропосферы осуществляется за период от 1 до 3 месяцев. Около 60% продуктов атомных взрывов попадает в стратосферу. Их удаление из стратосферы занимает гораздо больше времени - до 10 лет. Поэтому как бы далеко от мест ядерных взрывов ни находилась территория, она не будет защищена от радиоактивного загрязнения.

Накопление продуктов ядерных взрывов в разных географических поясах земного шара неодинаково. В экваториальном поясе при господстве восходящих токов воздуха уровень радиоактивных загрязнений в целом невелик. В тропиках господствуют нисходящие токи воздуха, что приводит к попаданию в тропосферу радиоактивных веществ из стратосферы. В умеренных широтах в связи со значительным количеством осадков радиоактивные вещества быстро достигают земной поверхности. В целом максимум выпадения радиоактивных веществ приурочен к умеренным широтам, минимум - к экватору. Северное полушарие загрязнено в 3-4 раза больше Южного, так как здесь произведено больше испытательных взрывов. Независимо от времени проведения испытания максимум выпадения радиоактивных осадков падает на весну и начало лета. По-видимому, в это время происходит максимальный обмен воздушными массами между стратосферой и тропосферой, что приводит к интенсивному поступлению продуктов ядерных взрывов из стратосферы.

Степень накопления радиоактивных изотопов растениями и животными зависит от вида геосистемы. Так, растительность моховых болот, верещатников, альпийских лугов и тундр интенсивно аккумулирует радиоактивные вещества [6].

Ядерные взрывы влияют не только на повышение уровня радиоактивного фона. Они, по-видимому, оказывают воздействие на метеорологические процессы. Анализ метеорологических и геофизических наблюдений свидетельствует об опосредованном влиянии ядерных взрывов на погоду в глобальном масштабе. Взрывы являются причиной изменения направления ветров, внезапных ливней, бурь и паводков. Все эти аномальные проявления атмосферных процессов чаще всего возникают не сразу, а через некоторое время после ядерных испытаний. Отечественными и американскими учеными установлено, что с 1945 г. электропроводность атмосферы значительно возросла. Последствиями этого явились климатические нарушения, в частности, усиление меридионального переноса воздушных масс.

Подземные ядерные взрывы в ряде случаев могут служить причиной крупных сейсмических нарушений. Если они проводятся в пределах геологических структур, находящихся в состоянии неустойчивого равновесия, то могут привести к землетрясениям. Так, по мнению ряда американских сейсмологов, сильное землетрясение в районе Лос-Анджелеса в Калифорнии (1971 г.) явилось следствием ядерных испытаний.

Испытательные ядерные взрывы могут воздействовать на очень крупные геосистемы. Например, в Прикаспии за последние 30 лет было проведено 47 подземных ядерных взрывов в хозяйственных и военных целях. В результате произошла разгерметизация зон аномально высоких пластовых давлений и начал подниматься уровень подземных вод в верхних горизонтах. Постепенное прохождение через Каспийскую котловину волны тектонических деформаций, вызванной этими взрывами, привело к разгрузке в Каспий подземных вод в объеме от 40 до 60 км³ в год. Подобная разгрузка начала происходить с 1978 г. По мнению некоторых ученых, это стало одной из причин (среди ряда других природных факторов) подъема уровня Каспия.

При ядерных взрывах возникает опасность нарушения озонового экрана Земли. Взрыв ядерной бомбы может сопровождаться разрушением верхних слоев озона. Это приведет к усилению интенсивности ультрафиолетового излучения, что может губительно сказаться на живых организмах.

1.3 Миграция радионуклидов в наземной среде

Почва. Почва играет двоякую роль с точки зрения формирования радиоактивности. С одной стороны, она является основным источником естественных радионуклидов, которые из литосферы через почву попадают в атмосферу и гидросферу. С другой стороны, искусственные радионуклиды, либо оседая на поверхность земли из атмосферы, либо попадая из водоемов, накапливаются в почве. В этих процессах миграции радионуклидов в почве важную роль играют биохимические процессы: живые организмы поднимают радионуклиды в верхние горизонты, а диффузия и фильтрационный ток воды передвигают их вниз. Твердая фаза почвы прочно сорбирует большинство искусственных радионуклидов, снижая их доступность для растений, но это же приводит к длительному удержанию их в верхнем корнеобитаемом слое и препятствует выносу за пределы зоны распространения корней, что наиболее характерно для радионуклидов, попавших на поверхность почвы из атмосферы.

Для первичных природных радионуклидов распределение в почве можно считать однородным по глубине. Такое же распределение можно принять для вспаханной земли до глубины почвы в 30 см.

Для искусственных радионуклидов с короткими периодами распада, выпавших на поверхность земли из атмосферы, можно считать, что они не успевают распространяться на существенную глубину, и, таким образом, принимается загрязнение поверхностного слоя почвы до глубины не более 3 см. Между этими двумя крайними ситуациями могут быть случаи с различными неравномерными профилями концентрации [7].

Для большого набора почв и радионуклидов, когда ведущим в процессе миграции является диффузионный перенос, распределение активности по глубине может быть получено с использованием закона Фика с коэффициентами диффузии 10^-8... 10^-6 см²/с.

Для радионуклидов, выпавших на поверхность почвы от выбросов при ядерных испытаниях в атмосфере и в результате аварии на ЧАЭС, принимается экспоненциальный закон уменьшения активности с ростом глубины почвы с длинами релаксации 0,1; 1,0 и 3,0 см для радионуклидов с периодами полураспада менее 30, 30-100 и более 100 дней.

Более сложные модели основаны на камерных представлениях, в которых почва делится на 4 камеры с глубинами 0...1; 1…5; 5...15; 15…30 см. Принимается равномерное распределение в каждой камере, а процесс перехода активности из камеры в камеру описывается простыми коэффициентами переноса, различными для разных нуклидов.

Растительный покров, в частности, корневое питание, может оказать влияние на миграцию радионуклидов в почве, однако учесть эти процессы довольно затруднительно.

В последнее время из анализа данных, полученных в результате аварии на Чернобыльской АЭС, показана разница в миграции нуклидов на природных участках и в урбанизированной местности.

Растительный покров. Растительность является первичным звеном в накоплении и дальнейшей миграции радионуклидов по пищевым цепям в любой экологической системе.

Накопление радионуклидов растениями может происходить двумя путями: непосредственное (аэральное) поступление выпадающих из атмосферы радионуклидов на надземные части растений (внекорневое накопление) и усвоение радионуклидов из почвы путем сорбции на корневой системе (корневое поступление). Соотношение между этими путями накопления радионуклидов зависит от многих факторов (биологические характеристики растений, концентрации радионуклидов в атмосфере и почве, физико-химические особенности радионуклидов и т.д.). Следует лишь отметить, что значимость внекорневого пути поступления радионуклидов не зависит от периода полураспада радионуклида, а корневое поступление может быть существенным лишь для относительно долгоживущих радионуклидов, не успевающих распасться до усвоения их корнями растений.

Внекорневое накопление радионуклидов может происходить Двумя путями: при выпадении радионуклидов из атмосферы непосредственно на растительность и отложение на растительности радионуклидов, попавших первоначально на почву, а затем за счет вторичного пылеобразования осевших на растительности [8].

Непосредственное осаждение на растительность определяется задерживающей способностью растений, которую можно характеризовать коэффициентом задерживания, равным отношению сорбированной на поверхности растений активности к осевшей. При глобальных выпадениях у травянистой растительности зоны умеренного климата этот коэффициент в среднем равен 25%.

Сразу после осаждения начинается процесс удаления активности с растений ветром и дождем. Процесс удаления с растений первоначально выпавшей активности описывается экспоненциальным законом е^-t/ф, в котором t - время, отсчитываемое от момента первоначальных выпадений, а ф - эмпирическая константа, равная 2 неделям в период роста растений и примерно 8 неделям в зимний период. В дождливую погоду эта константа уменьшается.

Проведенные исследования показали, что вторичный ветровой подъем и поступление радионуклидов на травянистую растительность с частицами почвы, поднимаемыми дождевыми каплями, не существенны по сравнению с процессом непосредственного осаждения.

Осевшие на надземных частях растений радионуклиды инкорпорируются во внутренние ткани в результате биологических процессов и накапливаются в растениях. Процесс накопления радионуклидов таким путем зависит от стадии развития растения, а она в свою очередь от времени года, когда произошли выпадения.

Характеристикой накопления радионуклидов в результате непосредственного осаждения служит коэффициент накопления, равный отношению концентрации радионуклида в растении в Бк/кг сухой массы к скорости выпадения его на поверхность почвы в Бк/м² в сутки. Для травянистой растительности для ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs этот коэффициент меняется в диапазоне от 20 до 40 (Бк/кг)/(Бк/м²*сут.).

Для долгоживущих радионуклидов с течением времени после выпадения радионуклидов на почву и их миграции в почве к корневой системе растений приобретает значение накопление радионуклидов через корни растений.

Характеристикой накопления радионуклидов почвенным путем через корневую систему служит коэффициент накопления, равный отношению концентрации радионуклида в растении в Бк/кг к его концентрации в почве в Бк/кг сухой почвы. Эта величина сильно меняется в зависимости от почвы, вида растительности и условий окружающей среды, С течением времени он может увеличиваться по мере достижения радионуклидом оптимального положения относительно корневой системы, затем уменьшаться при изменении физико-химического состояния радионуклида и перехода радионуклида в почве ниже корневой системы. Основными параметрами почвы, оказывающими влияние на поступление радионуклидов в растения, являются ее кислотность, соотношение глинозема и органики и др., параметрами радионуклида - его подвижность в почве. Все это может приводить к различию в накоплении для сельскохозяйственных растений в 3 - 6 порядков. Этими же причинами объясняется большее поступление ⁹⁰Sr по сравнению с ¹³⁷Cs и рост отношения их активностей в растениях с течением времени.

С точки зрения дозовых нагрузок на человека, важным моментом является, какие части растений входят в рацион питания человека и животных. В этом случае приобретает значение миграция радионуклидов из корней в надземную часть и обратно.

Животные. Основными путями поступления радионуклидов в организм животных, как и в организм человека, являются поступление через дыхательные пути с загрязненным воздухом и через желудочно-кишечный тракт с водой и пищей. Судьба радионуклида, попавшего в организм животного, определяется характером его участия в минеральным обмене, определяющем избирательное накопление разных нуклидов в различных тканях и органах животных.

Кинетика накопления радионуклидов в отдельных органах и в организме в целом, помимо режима его поступления (разовое или хроническое), зависит и от скорости выведения радионуклида из организма, которая определяется эффективным периодом полувыведения Т_эф = Т_бТ_1/2(Т_б + Т_1/2), где Т_б - биологический период полувыведения; Т_1/2 - период полураспада радионуклида. При разовом поступлении радионуклида характерен быстрый рост его концентрации в тканях и органах с последующим резким ее снижением. При хроническом поступлении динамика накопления определяется сложными процессами десорбции и выведения, приводя в итоге к равновесному состоянию.

Как правило, ведущая роль в поступлении радионуклидов в организм животного принадлежит пищевой цепочке, поэтому рацион питания и содержание в нем тех или иных радионуклидов определяет и их накопление в организме [9].

Здесь следует отметить, что животные в дикой природе, для которых рацион питания в известной степени постоянен и ограничен ареалом обитания, в аварийных случаях, связанных с радиоактивным загрязнением территорий обитания, не имеют возможности его изменить, что приводит к избыточному поступлению радионуклидов в организм животного, резкому увеличению дозовых нагрузок за счет внутреннего облучения, что в итоге может даже привести к смертельному исходу при длительном пребывании на загрязненной территории. С этой точки зрения экологические изменения, которые могут иметь место при аварийном радиоактивном загрязнении экосистем, могут значительно превосходить изменения в человеческой популяции, проживавшей в этой экосистеме, но покинувшей ее при аварийной ситуации.

2. Действие ионизирующей радиации на наземные экосистемы

2.1 Влияние ионизирующего излучения на экологическую систему леса

Лес - одна из наиболее чувствительных к ионизирующей радиации природных экосистем. Его поражение наблюдается при меньших поглощённых дозах облучения, чем у естественных и культурных биогеоценозов других типов. Особенно неустойчивы к ионизирующей радиации хвойные леса. Ранние признаки радиационного повреждения хвойных пород, обладающих крупными хромосомами (мишенями радиационного воздействия), обнаруживаются уже при дозах 2 - 3 Гр (грей - единица поглощённой дозы ионизирующего излучения, соответствует энергии в 1 Дж, поглощённой 1 кг ткани). Лиственные леса более устойчивы к облучению, чем хвойные. В ряду деревья - кустарники - полукустарники - травы устойчивость к облучению повышается. Населяющие лес млекопитающие и птицы по чувствительности к ионизирующим излучениям близки или даже превосходят древесные растения (в том числе хвойные). Самые радиоустойчивые организмы в лесу -- мелкие беспозвоночные, обитающие в подстилке и верхних слоях почвы, а также водоросли, мхи и лишайники, микроорганизмы. Они выдерживают без признаков лучевого повреждения дозы в 1000 - 10000 Гр. Дождевые черви, пропускающие через кишечник почву, содержащую радионуклиды, оказываются наиболее чувствительными организмами среди беспозвоночных [10].

Принято выделять первичные лучевые реакции леса, непосредственно связанные с воздействием ионизирующих излучений (например, гибель деревьев, угнетение их роста и развития), и вторичные, обусловленные опосредованным действием ионизирующих излучений (например, ослабление и угнетение деревьев вследствие радиации могут быть причиной вспышки массового размножения насекомых-вредителей). Степень лучевого повреждения определяется поглощённой дозой в различных компонентах леса - прежде всего в древесном ярусе - фазой развития растений (весной и летом, то есть в период активного роста, древесные растения повреждаются в 1,5 - 2 раза сильнее, чем осенью и зимой), экологическими факторами (например, засуха способствует усилению поражающего влияния ионизирующих излучений на лес).

Прекращение облучения или снижение мощности дозы приводит к пострадиационному восстановлению лесного биогеоценоза. Небольшие дозы ионизирующих излучений оказывают стимулирующее действие на растения (облучение семян древесных растений применяют для ускорения их роста и развития), более высокие - мутагенное, что используется в радиационном мутагенезе древесных и кустарниковых пород [11].

Источником облучения леса могут быть радиоактивные вещества, поступающие в биосферу в результате ядерных взрывов, аварий на предприятиях атомной промышленности, а также с радиоактивными отходами, сбрасываемыми в окружающую среду. Наибольшую опасность представляют биогенно-подвижные радионуклиды ⁹⁰Sr (стронций), ¹²⁹I (йод), ¹³⁷Cs (цезий) и др. Распределение радионуклидов в лесу зависит от их физико-химических свойств и путей поступления радиоактивных веществ в лесные насаждения, а также от типа леса и структуры насаждений. При поступлении радионуклидов из воздуха (наиболее значимый источник радиационного поражения лесов) основная масса их первоначально задерживается на поверхности крон и стволов деревьев, а позднее - в лесной подстилке, на поверхности почвы. Самоочищение надземных частей деревьев от радиоактивных веществ происходит медленнее в хвойных лесах, где «фильтр» из хвои действует круглогодично, чем в лиственных, где важное значение имеет листопад. Основное количество радионуклидов в лесу локализуется в растениях, роль животных в этом отношении менее существенна. Лиственные породы накапливают, как правило, существенно больше радионуклидов, чем хвойные. Повышенные концентрации радиоактивных веществ характерны для лесной подстилки, верхних горизонтов почвы, зелёных частей древесных и травянистых растений. Концентрация радионуклидов в древесине, как правило, незначительна. С пищевыми продуктами из леса (мясо промысловых животных, грибы, ягоды и т. д.) радионуклиды могут поступать в организм человека.

Методы по дезактивации леса отсутствуют. Изучена продолжительность периода лесной вертикальной миграции, перераспределяющей Cs - Sr - радиоизотопный состав с поверхностей загрязнений на глубину 10 - 15 см и включающей изотопы в активный метаболизм лесных биоценозов. Она составляет около 1 года для лиственных и около 3 - 5 лет для хвойных лесов. Основную часть радионуклидов забирает мелкая корневая система, расположенная на глубине до 15 см и выполняющая основную роль в обеспечении минерального питания леса. Наиболее активно здесь захватывается ⁹⁰Sr, накапливающийся в последующем в стволах и крупных ветвях деревьев. Цезиевый метаболизм более динамичен. Изотоп включается листву, формируя в последующем основную активность листового опада. В целом круговорот радионуклидов представляет многократно повторяющийся циклический процесс, стабилизирующийся спустя 4 - 5 лет в лиственных и 10 - 12 - в хвойных лесах после загрязнения среды. Основная часть радионуклидов накапливается в лесной подстилке, являющейся кумулятором радиоактивного загрязнения леса. Из недревесных продуктов леса наиболее опасно лекарственное сырье, как, впрочем, ягоды и грибы. Особое внимание уделяется пожароопасности радиоактивных лесов в связи с высоким риском массивного повторного загрязнения среды от сгорания лесных массивов [12].

Наибольшей радиоактивностью обладает березовая древесина, причем распределение внутри ствола (от периферии к центру) равномерное, без существенных различий радиоактивности годичных колец. Радиоактивность же сосны при одинаковом содержании радионуклидов в лесных почвах в 2,5 раза ниже. Распределение излучателей внутри ствола неравномерно, в периферических годичных кольцах выше, чем в ядре, в 2 - 3 раза. Накопление радиоактивности другими видами идет в убывающем порядке: береза, дуб, осина, ольха, сосна.

Лесопосевные работы проводятся на радиоактивных территориях с целью стабилизации почв, почвенного радиационного метаболизма и тем самым предупреждения труднопредсказуемой миграции. Проводится частая посадка смешанного типа с использованием биологически устойчивых древесных и кустарниковых пород с запретом на дальнейшее использование их продукции. Особое значение такие работы приобретают около водоемов, т. к. при проточном функционировании некоторых из них радионуклиды могут вынестись за пределы площади основного поражения. К тому же это предупредит источник высокой радиоактивности непроточных водоемов (кроме обязательного здесь повышенного содержания растворенного радона и радионуклидов от непосредственных радиоактивных выпадений на поверхность водоемов). Это есть - постоянные стоки дождевых вод, вымывающие радионуклиды из загрязненных почв побережья водоемов и особенно почв без проведения биологической фиксации радионуклидов и высадки быстрорастущей многолетней растительности.

Для построения объективных представлений о процессах в экосистемах, вызванных внесением в состав среды, многоуровневые звенья ее метаболизма экологически новейших, биологически активных в крайне незначительных микроколичествах факторов требует постоянного многоуровневого мониторинга, регистрирующего динамику радио-, токсико-, стрессорногенных процессов. именно такой, «биосферный» (по Н, В. Тимофееву-Ресовскому) подход к решению проблемы и может дать объективное представление о характере, направленности реакций, сделает возможными их прогноз, выработку стратегии профилактики последствий радиоактивного загрязнения среды.

2.2 Радиационное загрязнение биомов Казахстана

Одной из сложнейших экологических проблем на территории Казахстана является радиационное загрязнение. Ядерные испытания, проводившиеся с 1949 года на Семипалатинском полигоне привели в заражению огромной территории в Центральном и Восточном Казахстане. В республике еще имелось 5 полигонов, где проводились ядерные испытания, в непосредственной близости от ее границ находится китайский полигон Лоб-Нор. Радиационный фон в РК повышается так же в результате образования озоновых дыр при запуске космических кораблей с космодрома Байконур. Огромную проблему для РК представляют радиоактивные отходы. Так, Ульбинский комбинат накопил около 100 тысяч тонн отходов, загрязненных ураном, торием, причем хранилища отходов находятся в городской черте Усть-Каменогорска (Приложение Б, рисунок Б.1).

Именно серьезность проблемы радиационного загрязнения привела к тому, что один из первых законов суверенного Казахстана стал Указ от 30.08.1991 г. о запрещении испытаний на Семипалатинском полигоне. (Приложение Б, рисунок Б.2).

При всем разнообразии факторов формирующих радиоэкологическую обстановку на территории республики, определяющими по состоянию на 1999 г. остаются:

ь деятельность бывшего Семипалатинского испытательного ядерного полигона;

ь ядерные взрывы, выполненные для народнохозяйственных задач, произведенные в 1949-1961 гг;

ь деятельность предприятий атомно-промышленного комплекса;

ь деятельность китайского полигона "Лоб-Нор " и глобальные выпадения;

ь природные радиоактивные аномалии.

Мониторинг за радиоактивным загрязнением осуществляется в последние годы эпизодически, но по наблюдениям в 1996 г. (40 станций Казгидромета) установлено, что:

ь основной вклад в радиоактивное загрязнение вносят радионуклиды, присутствие которых в приземной атмосфере обусловлено;

ь ветровым переносом радиоактивных частиц с подстилающей поверхности;

ь концентрации радионуклидов как естественного, так и техногенного происхождения варьирует в пределах меньших чем ПДК, утвержденных Нормами радиационной безопасности;

ь атмосферный привнос цезия-137 незначителен, в среднем по территории Казахстана величины плотностей выпадения составили 0,5 Бк/ кв.м;

ь радиационный фон на территории РК составил 11-18 мкР/час, при этом из числа продуктов ядерных испытаний основной вклад в МЭД вносит только цезий-137;

ь подземные ядерные испытания 1996 г. на Китайском полигоне Лобнор не повлияли на радиационную обстановку территории Республики Казахстан;

ь на территории Семипалатинского полигона имеет место распространение искусственных радиоизотопов - цезия-137, стронция-90, европия-152, 155; америция-241, плутония-239, 240; кобальта-60, что по оценке экспертов Национального ядерного центра Республики Казахстан совместно с учеными и специалистами США, Франции, России, МАГАТЭ представляет большую опасность для жизнедеятельности полигона.

Активное развитие нефтепромысловой отрасли в Мангистауской и Атырауской областях Республики Казахстан привело к техногенному радиоактивному загрязнению участков добычи нефти и прилегающих районов, зафиксированы зоны кризисных ситуаций. Двенадцать городов и населенных пунктов этих областей с численностью 100 тыс. человек подвержены радиоактивной опасности.

На участках 22 наиболее крупных месторождений, где в настоящее время производится добыча нефти, были выявлены 267 участков радиоактивного загрязнения с мощностью радиоактивного излучения от 100 до 17000 мкр/час.

Проблема захоронения источников ионизирующих излучений частично решается введением в эксплуатацию первой очереди приема ампульных источников на стендовом комплексе “Байкал-1”, а проблема захоронения отходов ядерных установок и ураноперерабатывающей промышленности - функционированием ведомственных хранилищ радиоактивных отходов. При этом ряд предприятий, преимущественно бюджетные организации, не имеют средств доставки их на “Байкал-1”.

Урановые месторождения Казахстана, оцениваемые как 1/4 часть мировых запасов определяют повышенные концентрации естественных радиоактивных элементов в природных водах, в газовых почвенных эманациях на значительных территориях. Выявлено более 700 природных источников с повышенным содержанием радионуклидов, требующих контроля и ограничения хозяйственного использования. Более половины территории республики необходимо обследовать на радоноопасность.

В радиационное загрязнение территории Республики Казахстан определенный вклад вносит деятельность полигона «Лобнор», который осуществил более 25 взрывов. Установлено, что продукты распада ядерных взрывов, полигона «Лобнор» имеют перемещения в двух направлениях.

1. Восточное - через 2-3 дня после взрыва продукты распада загрязняют приземную атмосферу Приморского края, Камчатки, Сахалина России. Далее, обогнув земной шар, радиоактивные облака проходят над Европейской территорией, Средней Азией и Казахстаном в пределах 40-50^осеверной широты.

2. Западное (реже 10 из 100) радиоактивные отходы загрязняют Восточный Казахстан и северные территории Средней Азии.

Влияние полигона «Лобнор» проявляется в кратковременном резком повышении концентрации короткоживущих радионуклидов в 100-200 раз и увеличении уровня фона. Большую проблему продолжают представлять источники ионизирующего излучения (ИИИ). В Восточно-Казахстанском областном управлении в 1999г. выявлено 2162 неучтенных источника ионизирующего излучения в радиоизотопных извещателях дыма, которые разрешалось приобретать без согласования с органами госсаннадзора. Из них 2146 - ампульные источники плутония-239; 1444 источника были захоронены.

Захоронение отработанных источников ионизирующего излучения на единственном долговременном хранилище «Байкал-1» становится основной проблемой для многих предприятий.

В Западно-Казахстанской области на предприятиях и в организациях имеются (по оперативным данным) 44,9 тыс. шт. люминисцентных, ртутных ламп, из которых более 23 тыс. штук отработанные и хранятся в отдельных помещениях согласно разработанным правилам.

В г.Уральске открыт пункт приема (собрано 3000 шт.) использованных люминисцентных, ртутных ламп и приборов для централизованного сбора, хранения и последующей утилизации.

В 1999 году специалистами Института ядерной физики (ИЯФ), Национального ядерного центра (НЯЦ) РК с участием представителя Западно-Казахстанского ОУООС был проведен комплекс работ по ликвидации пятен радиоактивного загрязнения на приустьевых площадках подземных полостей ТК-4 и ТК-5 объекта «Лира». В результате выполнения работ МЭД на данных участках приблизился к уровню естественных значений для данной местности.

Совершенно неразрешенной остается проблема рекультивации радиоактивных отвалов горных выработок, в которых сосредоточено ~ 50 млн.т радиоактивных отходов общей активностью более 50 тыс. Кюри. Сложившаяся радиоэкологическая ситуация в местах размещения этих отвалов представляет потенциальную опасность для здоровья населения, т.к. отвалы в большинстве случаев безнадзорны, используются местным населением для жилищного и дорожного строительства (Акмолинская, Алматинская, Северо-Казахстанская и др. области). Зафиксированы случаи выщелачивания из них радиоактивных веществ под действием атмосферных осадков в грунты и грунтовые воды.

Серьезную реальную угрозу экологической безопасности РК представляет радиоактивное загрязнение, источники которого подразделяются на 4 основные группы:

ь Отходы неработающих предприятий уранодобывающей и перерабатывающей промышленности (урановых рудников, самоизливающиеся скважины, хвостохранилища);

ь Демонтированное оборудование технологических линий;

ь Территории, загрязненные в результате испытаний ядерного оружия;

ь Отходы нефтедобывающей промышленности и нефтяного оборудования; отходы, образовавшиеся в результате работы ядерных реакторов, и радиоизотопная продукция (отработанные источники ионизирующего излучения).

В РК имеются 6 крупных ураноносных провинций, множество мелких месторождений и рудопроявлений урана, которые обуславливают повышенный уровень естественной радиоактивности, отходы, накопленные на уранодобывающих предприятиях, и в местах проведения ядерных взрывов.

3. Противорадиационная защита биомов

Нормирование радиационного фактора с учетом реакций экосистем представляет серьезную и нерешенную проблему вследствие незначительного накопленного материала «радиационных стрессов», экосистем и отсутствия теоретических разработок такого ряда. Считается, что максимальным накопителем радионуклидов, загрязняющих среду, и максимально радиочувствительным (критическим) звеном биоценозов является человек. Ввиду этого (во многом оправданного положения), принятые нормы радиационной безопасности (НРБ), являются правомерными для переноса в экосистемы в целом. Вместе с тем в ряде ситуаций экосистемного метаболизма радионуклидов, критическим звеном могут быть труднопредсказуемые без специальных исследований виды и их совокупности. Так, скорость накопления радионуклидов елью, сосной в 20 раз превышает скорость накопления радиационного фактора человеком, что лежит, по всей вероятности, в болезненности хвойных лесов, прилегающих к АЭС (регистрируемой в промышленных центрах США, Европы). Чрезвычайно большие лучевые нагрузки, по сравнению с человеком, формируются на радиационных территориях у оленей, лосей, коров при свободном выпасе, что связано с максимальным накоплением радионуклидов в травах.

Сравнивая предельные радиационно-гигиенические дозы с радиационно-экологическими, следует иметь в виду, что при разработке антропогенных норм радиационных воздействий в них закладывается высокий коэффициент запаса: доза, вызывающая непосредственные соматические радиогенные реакции у человека, в 100 - 1000 раз выше принятых ПДД. Экологические разработки, указывающие на размеры «радиологической емкости» экосистем, отсутствуют. Поэтому основным ориентиром допустимых пределов радиоактивности среды должны оставаться НРБ с учетом регистрируемых и расчетных величин лучевых нагрузок при нахождении в составе биоценоза [15].

Эксплуатация источников ионизирующих излучений и особенно ядерно-энергетических установок, ведет к неизбежному риску аварий и последующего радиоактивного загрязнения среды. Особенно это касается радиохимических заводов и АЭС на первых этапах их работы из-за неотработанной технологии. Для принятия экстренных мер по профилактике последствий национальными организациями по радиационной защите (НКДАР, МАГАТЭ, ООН) разработаны организационные и методические аспекты предпринимаемых действий с учетом характера радиоактивных загрязнений, мощности выброса радионуклидов в окружающую среду, площади радиоактивных загрязнений.

Разработка и совершенствование мероприятий по ликвидации последствий аварии является наиболее сложной проблемой. Решение ее основывается на многолетнем опыте по изучению закономерностей формирования лучевых нагрузок на население, экосистему и ее составляющие с учетом характера миграции радионуклидов, зависимостей доза-эффект [16].

...