Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,823

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ИОНИЗАЦИИ ПРИЗЕМНОГО СЛОЯ ВОЗДУХА С УЧЕТОМ ВКЛАДА ПРИРОДНЫХ РАДИОНУКЛИДОВ

Петрова Г.Г. 1 Панчишкина И.Н. 1 Петров А.И. 1 Бураева Е.А. 1 Дергачева Е.В. 1 Кубрина В.К. 1 Колесников И.А. 1 Егоров Е.В. 1
1 Южный федеральный университет
В работе представлены данные по мощности эквивалентной дозы (МЭД) гамма-излучения почв ряда регионов Северного Кавказа. Средняя МЭД гамма-излучения составляет 0,14; 0,14; 0,21 и 0,26 мкЗв/ч для Ростовской области, республик Адыгея, Северная Осетия – Алания и Кабардино-Балкария соответственно. Средние удельные активности радионуклидов в почвах отдельных пунктов региона исследования отличаются в 2–5 раз, в зависимости от типа почв, почвообразующих пород, условий формирования почв, особенностей рельефа и климата. Объемная активность 222Rn в приземном слое воздуха варьирует от 10–15 Бк/м3 в г. Ростове-на-Дону и в высокогорьях Кабардино-Балкарии и до 100 Бк/м3 в республике Адыгея. Плотность ионизации приземного слоя воздуха (интенсивность ионообразования) линейно возрастает в зависимости от содержания естественных и искусственных радионуклидов в почве. Значимый вклад в плотность ионизации приземного воздуха дает радиоактивный газ 222Rn.
естественные радионуклиды
искусственные радионуклиды
активность
ионизация
приземный слой атмосферы
плотность потока 222Rn
1. Березинский Н.А. Влияние процессов подготовки землетрясений на концентрацию радона и электропроводность приземной атмосферы / Н.А. Березинский и др. // Геология и геофизика Юга России. – 2011. – № 2. – С. 14–21.
2. Бураева Е.А., Малышевский В.С., Нефедов В.С., Тимченко А.А., Горлачев И.А., Семин Л.В., Шиманская Е.И., Триболина А.Н., Кубрин С.П., Гуглев К.А., Толпыгин И.Е., Мартыненко С.В. Мощность эквивалентной дозы гамма-излучения природных и урбанизированных территорий Северного Кавказа // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 10–5. – С. 1073–1077.
3. Закау В.В. Ионизация приземной атмосферы излучением почвенных радионуклидов / В.В. Закау и др. // Известия Томского политехнического университета. – 2010. – Т. 317, № 2. – С. 171–175.
4. Морозов В.Н. Математическое моделирование атмосферно-электрических процессов с учетом влияния аэрозольных частиц и радиоактивных веществ. – СПб.: РГГМУ, 2011. – 253 с.
5. Неганова К.С., Бураева Е.А., Давыденко А.М., Нефедов В.С., Дергачева Е.В., Стасов В.В., Аветисян С.Р., Гончарова Л.Ю., Вардуни Т.В., Данилова А.А. Особенности распределения радионуклидов в аллювиальных почвах Северного Кавказа // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 12–1. – С. 131–135.
6. Редин А.А. Математическое моделирование электродинамических процессов в приземном слое в условиях аэрозольного загрязнения атмосферы / А.А. Редин и др. // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2011. – № 8. – С. 111–121.

Электрические процессы в приземном слое воздуха и особенно в системе почва – атмосфера достаточно сложны. Атмосферно-электрические характеристики определяются множеством процессов и факторов: перемешиванием атмосферы, интенсивностью ионизации, загрязненностью и увлажненностью воздуха, наличием таких явлений, как туман, дождь, снег; температура и давление воздуха и так далее – также меняются в течение суток и на протяжении года.

В целом атмосферу можно рассматривать как коллоидную систему, в которой растворителем является смесь газов – воздух, а растворенной субстанцией являются твердые и жидкие примеси – аэрозоли. К аэрозольным компонентам природного происхождения приземного слоя воздуха относятся: минеральная и вулканическая пыль, частицы, образовавшиеся в результате конденсации летучих органических соединений, дым от лесных и степных пожаров, выхлопы автомобилей и промышленные выбросы (дым, сажа, дорожная пыль и др.), продукты химических реакций газов, частицы почвенного происхождения, океанические аэрозоли и пр. Частицы, размером 0,01–0,2 мкм, оказывают существенное влияние на значения величин атмосферного электричества.

Основными ионизаторами приземной атмосферы в рамках всего земного пространства являются радиоактивные излучения естественных и искусственных радионуклидов, содержащихся в литосфере и атмосфере, солнечная радиация и космическое излучение. Причем в зависимости от геолого-географической характеристики региона вклады земной и космогенной составляющей в процессы ионизации атмосферы могут существенно варьировать.

Целью работы является оценка вклада природных радионуклидов в ионизацию приземного слоя воздуха.

Материалы и методы исследования

Северный Кавказ расположен на крайнем юго-западе России (между 47°12′ и 41°11′ с.ш. и 36°32′ и 48°35′ в.д.) на стыке умеренного и субтропического климатических поясов. На территории Северного Кавказа расположены 7 Республик: Адыгея, Карачаево-Черкесия, Кабардино-Балкария, Северная Осетия – Алания, Ингушетия, Чеченская республика, Дагестан; 2 края: Краснодарский, Ставропольский; а также частично районы Ростовской области и Калмыкии. В природном отношении Северный Кавказ включает в себя два различных типа территорий – равнины бассейна Дона и Предкавказья и горная и предгорная части Кавказа.

Исследования проводились в различных регионах Северного Кавказа, преимущественно в горных районах: Республики Адыгея, Северная Осетия, Кабардино-Балкария и на ряде степных территорий Ростовской области. Измерения мощности эквивалентной дозы гамма-излучения (МЭД, мкЗв/ч), объемной активности 222Rn в воздухе и отбор почвенных проб были проведены в экспедициях 2013–2015 годов.

Мощность эквивалентной дозы гамма-излучения определяли дозиметрами-радиометрами СРП-88н, ДРБП-03, ДКС-96; радионуклидный состав почв – гамма-спектрометрическим методом с использованием сцинтилляционного спектрометра «Прогресс-Гамма». Для измерения объемной активности 222Rn в воздухе применяли радиометры радона РРА-01М-03 с пробоотборным устройством ПОУ-04. Методики отбора и подготовки проб использовали стандартные.

Результаты исследования и их обсуждение

В табл. 1 приведены сводные данные по мощности эквивалентной дозы гамма-излучения территорий Северного Кавказа, определенные в экспедициях 2013–2014 годов.

С увеличением высоты над уровнем моря, по сравнению с равнинными территориями, МЭД в высокогорье возрастает, как видно по нашим данным, почти вдвое [2]. Это обусловлено возрастанием интенсивности космического излучения в высокогорных районах. Также для горных территорий характерны выходы пород с повышенным содержанием естественных радионуклидов. Горным породам присуща повышенная эманация 222Rn, особенно на территориях с тектоническими нарушениями (разломы и трещины земной коры). В табл. 2 приведены средние удельные активности естественных радионуклидов и искусственного 137Cs в верхнем (0–5 см) слое почвы на различных территориях Северного Кавказа.

Таблица 1

Мощность эквивалентной дозы (МЭД) на различных территориях

Регион

Высота над уровнем моря, м

Количество измерений

МЭД, мкЗв/ч

Минимум

Максимум

Среднее арифметическое

Ростовская область (степные районы)

10–200

1168

0,05

0,29

0,13

Республика Адыгея (горные районы)

500–800

977

0,02

0,35

0,14

Республика Северная Осетия – Алания (Дигорский район)

2000–2200

3722

0,14

0,43

0,21

Республика Кабардино-Балкария (пики Чегет и Терскол)

3050–3150

1248

0,11

0,57

0,26

Таблица 2

Средние удельные активности радионуклидов в 0–5 см почвенном слое

Район

Средняя удельная активность ± Погрешность, Бк/кг

137Cs

226Ra

232Th

40K

Ростовская область (степные районы)

34,9 ± 3,5

22,3 ± 2,4

25,1 ± 2,6

380,4 ± 40,1

Республика Адыгея (горные районы)

42,0 ± 3,8

29,8 ± 2,7

30,8 ± 3,1

447,3 ± 45,5

Республика Северная Осетия – Алания (Дигорский район)

230,2 ± 24,2

41,1 ± 3,9

38,7 ± 3,5

667,3 ± 63,2

Республика Кабардино-Балкария (пики Чегет и Терскол)

53,6 ± 5,4

39,8 ± 4,1

58,2 ± 5,4

681,0 ± 70,5

Содержание естественных радионуклидов 226Ra, 232Th и 40К в высокогорных районах Северной Осетии и Кабардино-Балкарии почти в два раза выше, чем в степях Ростовской области, что обусловлено влиянием радионуклидного состава почвообразующих пород на радиоактивность почв [5]. В горных районах имеют место выходы пород с высоким содержанием естественных радионуклидов (граниты, гранодиориты и др.). На высокое содержание 226Ra в почвах может оказывать влияние повышенное содержание урана в почвообразующих породах, характерное для территорий с тектоническими нарушениями.

Значимые вариации искусственного 137Cs связаны как с неравномерностью выпадений данного радионуклида после аварии на Чернобыльской АЭС и испытаний ядерного оружия, так и с влиянием особенностей рельефа и процессов почвообразования в регионах исследования.

Одним из наиболее важных атмосферно-электрических параметров является электропроводность атмосферы, которая для приземного слоя, толщиной в несколько десятков метров, на 80 % обеспечивается мгновенным значением концентрации ионов в воздухе, образованных полями ионизирующих излучений, генерируемых при распаде радиоактивных элементов, находящихся в почве и атмосфере [1, 6].

В данной работе для оценки зависимостей плотности ионизации атмосферы от удельной активности почвенных радионуклидов и плотности ионизации от высоты над поверхностью земли была использована модель [3]. Вертикальные распределения плотности ионизации атмосферы за счет почвенных радионуклидов были аппроксимированы функцией

Buraeva01.wmf (1)

где B – переменный коэффициент, зависящий от типа i-го радионуклида и его удельной активности Ai, Бк/кг; C, D и E – постоянные коэффициенты, зависящие от типа i-го радионуклида.

Из рис. 1 видно, что плотность ионизации линейно возрастает в зависимости от удельной активности естественных радионуклидов. Максимальное влияние на ионизацию оказывают 226Ra и 40K. Значение плотности ионизации, обусловленной радионуклидами 232Th и 137Cs, примерно в два раза меньше. Ниже приведены особенности высотного распределения плотности ионизации, обусловленной разными радионуклидами на различных территориях.

pic_21_1.tif pic_22_1.tif

pic_23.tif pic_24.tif

Рис. 1. Графики зависимости функции плотности ионизации от удельной активности почвенных радионуклидов

pic_25.tif pic_26.tif

pic_27.tif pic_28.tif

Рис. 2. Графики зависимости плотности ионизации от природных радионуклидов и 137Cs от высоты над земной поверхностью: 1 – Адыгея; 2 – Ростовская область; 3 – Кабардино-Балкария; 4 – Северная Осетия

Снижение плотности ионизации с ростом высоты над поверхностью земли может быть обусловлено длиной пробега ионизирующих частиц в приземном слое атмосферы.

Также имеет место эманация 222Rn. Авторы работы [1] предлагают следующую модель интенсивности ионообразования от 222Rn:

qRn = kRn, (2)

где Rn – концентрация 222Rn, Бк/м3; k – коэффициент, показывающий, сколько пар ионов образуется в 1 см3 за 1 с при одном α-распаде, то есть при Rn = 1 Бк/м3 (1 Бк = 1 распад/с).

Buraeva02.wmf пар ионов/сБк,

где Е – энергия α-частиц (3 МэВ); ω ≈ 33 эВ – средняя энергия ионообразования; τ ≈ 3,8 дней – период полураспада 222Rn [4].

На территории Республик Адыгея и Кабардино-Балкария объемную активность 222Rn измеряли на высоте 1 м от поверхности земли, на территории г. Ростова-на-Дону – на высоте 15 м от поверхности земли (табл. 3). В целом интенсивность ионообразования в приземном слое воздуха максимальна на территориях с высоким содержанием 222Rn.

Таблица 3

Интенсивность ионообразования в приземном слое воздуха от 222Rn на различных территориях (дневные часы)

Район

Объемная активность 222Rn, Бк/м3

Интенсивность ионообразования, см–3с–1

г. Ростов-на-Дону

10–15

2–3

Республика Адыгея (горные районы)

50–110

10–22

Республика Кабардино-Балкария (пики Чегет и Терскол)

10–20

2–4

По литературным данным [1] вклад в ионизацию приземного слоя воздуха от почвенных радионуклидов составляет 35–45 %. В данной работе был оценен вклад от почвенных радионуклидов (естественного и искусственного происхождения) в плотность ионизации приземного слоя воздуха. Использовали средние арифметические удельные активности радионуклидов в 0–5 см почвенном слое без учета их вариаций по площади.

Как видно из рис. 3, вклад естественных радионуклидов 226Ra, 232Th, 40K и искусственного 137Cs в плотность ионизации приземного слоя воздуха на уровне земли в зависимости от удельной активности радионуклидов в верхнем почвенном слое может достигать от 20–25 % (для республики Адыгея) до 50 % (для республики Кабардино-Балкария). Причем значимую роль в ионизации приземной атмосферы могут играть α-излучающий радионуклид 226Ra и β-излучающий 40К. Так как плотность ионизации практически линейно возрастает в зависимости от содержания радионуклидов в почве, вклады данных элементов в ионизацию приземного слоя воздуха могут существенно варьировать.

pic_29.wmf pic_30.wmf

pic_31.wmf

Рис. 3. Вклад почвенных радионуклидов в плотность ионизации приземного слоя воздуха

В целом в почвах Северного Кавказа удельная активность 226Ra может достигать нескольких сотен Бк/кг, а 40К – нескольких тысяч Бк/кг. Также необходимо учитывать и α-излучающий радионуклид земного происхождения 232Th на территориях с ториевыми аномалиями. А в регионах со значительными загрязнениями искусственным радионуклидом 137Cs наземных экосистем при фоновом содержании земных радионуклидов, вклад радиоцезия в плотность ионизации приземного слоя воздуха может оказаться существенным.

Также в работе не учитывался вклад в ионизацию приземного слоя воздуха от остальных радионуклидов, входящих в семейства урана (238U), актиноурана (235U) и тория (232Th) – 234Th, 224Ra, 210Pb, 228Ac, 225Ac, 210Po, 212Pb, 214Pb, 212Bi, 214Bi, 208Tl и др., а также радиоактивных газов торона и актинона (220Rn, 219Rn).

Заключение

В работе проанализированы данные по мощности эквивалентной дозы гамма-излучения Северного Кавказа. Средняя МЭД гамма-излучения составляет 0,14; 0,14; 0,21 и 0,26 мкЗв/ч для Ростовской области, республик Адыгея, Северная Осетия и Кабардино-Балкария соответственно. Подобное распределение МЭД гамма-излучения обусловлено излучением почвенных радионуклидов, эманацией 222Rn и космическим излучением на исследуемых территориях.

Средние удельные активности естественных и искусственных радионуклидов в почвах отдельных пунктов региона исследования отличаются в 2–5 раз, в зависимости от типа почв, почвообразующих пород, условий формирования почв, особенностей рельефа и климата. Объемная активность 222Rn в приземном слое воздуха г. Ростова-на-Дону и в высокогорьях Кабардино-Балкарии составляет 10–15 Бк/м3, в республике Адыгея может достигать 100 Бк/м3.

Плотность ионизации приземного слоя воздуха линейно возрастает в зависимости от содержания естественных и искусственных радионуклидов в почве. Доля радионуклидов земного происхождения и искусственного радиоцезия в суммарной плотности ионизации атмосферы может составлять от 20 до 50 % и существенно зависит от радиоактивности почв территорий исследования. Значимый вклад в плотность ионизации приземного воздуха вносит радиоактивный газ 222Rn.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ), грант 16-05-00930 А.


Библиографическая ссылка

Петрова Г.Г., Панчишкина И.Н., Петров А.И., Бураева Е.А., Дергачева Е.В., Кубрина В.К., Колесников И.А., Егоров Е.В. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ИОНИЗАЦИИ ПРИЗЕМНОГО СЛОЯ ВОЗДУХА С УЧЕТОМ ВКЛАДА ПРИРОДНЫХ РАДИОНУКЛИДОВ // Успехи современного естествознания. – 2016. – № 12-2. – С. 280-285;
URL: http://www.natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36300 (дата обращения: 17.04.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074