Тема: Миграция радионуклидов и динамика уровня ионизирующих излучений

Практическая работа 4

Тема: Миграция радионуклидов и динамика уровня ионизирующих излучений

 

Цель занятия: изучение закономерностей миграции радионуклидов при попадании их в окружающую среду.

Время: 90 минут.

Метод: практическое занятие по расчету уровней излучения в различных средах и условиях.

Виды контроля:

- устный опрос по теме;

- результаты по вычислению доз облучения.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Критическими экосистемами, аккумулирующими радионуклиды и определяющими наибольшие дозовые нагрузки на животных и человека вследствие внешнего облучения и миграции радионуклидов по трофическим цепям, являются лесные биогеоценозы. Радионуклидный состав загрязнения лесов РФ после аварии на Чернобыльской АЭС (Брянская, Калужская, Тульская области) примерно одинаков. Основными дозообразующими радионуклидами является изотоп цезия ¹³⁷Cs. На его долю приходится более 90% от суммарной активности, доля ⁹⁰Sr в общем загрязнении составляет не более 2%. Особенности радиоактивного загрязнения территорий во многом определяет последующее распределение радионуклидов в почве, их биологическая доступность и характер накопления растениями.

Интенсивность снижения мощности экспозиционнойдозы (МЭД)резко замедляется со временем.Это,с однойстороны, обусловлено радиоактивным распадом короткоживущих радиоизотопов и повышением почти до 100% вклада в формирование МЭД долгоживущего ¹³⁷Cs, а с другой – аккумулирующей ролью лесной подстилки, сдерживающей миграцию радионуклидов в минеральные слои почвы.

Линейной зависимости между изменением плотности загрязнения и величиной МЭД во времени не наблюдается. Отмечается лишь некоторое закономерное нарастание величины соотношения плотности загрязнения и МЭД (коэффициент А):

 

А = σ(МЭД_изм - МЭД_фон),

 

где σ – плотность загрязнения, Ки/км²;

МЭД_изм – мощность экспозиционной дозы по результатам измерения, мкР/ч;

 

МЭД_фон –среднестатистический показатель естественногорадиацион-ного фона на исследуемой территории в доаварийный период (≈ 10 мкР/ч).

 

Отсюда становится очевидным, что оценка плотности загрязнения по величине МЭД, несмотря на взаимосвязь между этими показателями, достаточно условна, поскольку зависит от целого ряда динамично меняющихся факторов:

- интенсивности миграционных процессов, т.е. степени заглубления радионуклидов;

- интенсивности биологического круговорота;

- особенностей микрорельефа;

- особенностей радионуклидного состава загрязнения. Первым барьером на пути радиоактивных выпадений из атмосферы является растительный ярус наземных фитоценозов. При стабилизации или прекращении выброса растения препятствуют миграции радионуклидов за пределы зоны загрязнения, вовлекая их в биологический круговорот.

Основная часть выпавших на лес радионуклидов первоначально задерживается кронами древесных растений. Коэффициент задерживания радионуклидов древесным ярусом варьирует от 20 до 100% в зависимости от ряда факторов: видового состава и проективного покрытия фитоценозов, климатических условий и периода вегетации. В наибольшей степени радионуклиды поглощаются кронами хвойных деревьев, а при нейтральных метеорологических условиях и в период максимального развития листовой поверхности кронами деревьев лиственных пород. В период, когда деревья лишены листьев, задерживающая способность древесного яруса лиственных лесов снижается приблизительно в 3 раза.

 

Вторым барьером на пути радиоактивных выпадений является напочвенный растительный покров. По степени перехвата радионуклидов, в частности ¹³⁷Cs, для различных представителей напочвенного покрова был установлен следующий ряд: мхи         лишайники    травянистые растения.

Ещё одной особенностью первичного распределения радионуклидов в лесных экосистемах является так называемый «опушечный эффект», который проявляется в повышенном отложении радионуклидов в кронах деревьев на опушках с наветренной стороны по отношению к источнику радиоактивного выброса. Таким образом, лесные опушки, расположенные с подветренной стороны, экранируют прилегающие к ним безлесные участки от радиоактивных выпадений.

Сразу после выпадений адсорбция радиоактивных частиц поверхностью растений довольно слаба, они легко сдуваются ветром, смываются осадками и становятся источниками вторичного загрязнения. Активные ростовые процессы также способствуют самоочищению крон: радионуклиды удаляются вместе с опадающими на поверхность почвы покровными чешуйками почек, листьями, корой и побегами.

Начальный послеаварийный период характеризуется интенсивной миграцией радионуклидов из растительного яруса на поверхность почвы в результате смывания осадками и стряхивания ветром. Во втором периоде, с одной стороны, активизируются процессы биологического самоочищения, а с другой – нарастает роль корневого поступления. В третьем периоде постепенно достигается квазиравновесное состояние в системе «почва-растение».

Распределение радионуклидов по структурным компонентам древостоя характеризуется высокой специфичностью. Индикаторными органами, характеризующими загрязнение древесных пород в целом, для разных радионуклидов являются разные компоненты: для ¹³⁷Cs - наиболее физиологически активно растущие (ассимилирующие органы текущего года формирования); для ⁹⁰Sr - омертвевшие и стареющие (кора наружная и хвоя прошлых лет). На основании особенностей распределения радионуклидов по компонентам лесного фитоценоза ⁹⁰Sr отнесён к нуклидам «остаточного» накопления, а ¹³⁷Cs – «динамического». Следовательно, в многолетней динамике содержания ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в древесине для ⁹⁰Sr будет наблюдаться кумулятивный эффект, а для ¹³⁷Cs, наоборот, наблюдается постепенное снижение его содержания.

 

I. Коэффициенты перехода ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr компоненты древесного яруса

При расчёте коэффициента перехода(КП) содержание радионуклида в растении приводится к содержанию его в почве:

 

 

 

или к плотности загрязнения почвы:

 

 

Второй вариант расчета позволяет выявить зависимостьнакопления радионуклидов от почвенно-экологических условий, видовых особенностей растений и других факторов.

В этом случае величина КП характеризует различия в биологической доступности радионуклидов.

Содержание радионуклидов характеризуется не только значительной пространственной, но и временной (сезонной, многолетней) изменчивостью.

Сезонная динамика связана с интенсивностью физиологических и биогеохимических процессов в экосистемах, которая максимальна весной и существенно снижается к осени.

Многолетняя динамика КП радионуклидов в лесную растительность на территории зоны радиоактивного загрязнения характеризуется значительными колебаниями по отдельным годам и имеет неоднозначный тренд изменения в различных ценозах. На коэффициент перехода ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в растения влияют следующие факторы:

- физико-химическая форма выпадений, дисперсность и растворимость частиц;

- гидрологические условия (растения, произрастающие в условиях повышенного увлажнения накапливают радионуклидов значительно больше, чем те же виды, произрастающие на более возвышенных участках мезорельефа);

- тип почв (наибольшей доступностью радионуклидов характеризуются торфяно-глеевые почвы, затем идут дерново-подзолистые и чернозёмы оподзоленные);

- тип фитоценоза (в одновидовых фитоценозах, например, ельниках, наблюдаются в 5-10 раз большие КП ¹³⁷Cs во все структурные компоненты древостоя, чем в смешанных (лиственно-хвойных) лесах);

- видовая принадлежность растений (растения имеют неодинаковую способность к усвоению различных химических элементов);

- возраст древостоя (практически все структурные органы молодых деревьев, за исключением коры наружной и хвои, имевшейся на момент выпадений, загрязнены в большей степени, чем полновозрастных);

- климатические условия (главным образом количество выпадающих осадков).

 

Произрастание травянистых растений и кустарников под пологом леса делает возможным их вторичное загрязнение радиоактивными частицами, поступающими с древесного яруса в процессе его самодезактивации. По сравнению с ассимилирующими органами древесных пород в составе загрязнения травянистых видов в течение более длительного периода присутствуют такие радионуклиды, как ¹⁴⁴Ce, ⁹⁵Zr, ⁹⁵Nb и ¹⁰⁶Ru, наличие которых в растениях связано с внешним загрязнением.

Таблица 1

Диапазоны колебаний КП ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в структурные компоненты древостоя лесов (на 1992 г.), n·10^-3м²/кг (Щеглов А.И., 1999)

 

Регион		КП 137Cs	КП 90Sr
Древесина
Брянская область		0,15–4,4	1,5–12,1
Кора внутренняя
Тульская область		0,1–0,4	2,5
Кора наружная
Киевская область		0,8–30,6	0,4–36,7
Ветви крупные
Тульская область		0,2–2,3	3,3
Ветви мелкие
Тульская область		0,06–0,4	4,3
Хвоя прошлых лет
Тульская область		0,2	3,3
Брянская область		0,2–32,2	1,9–8,1
Прирост хвои / листья
Киевская область		0,3–111,0	0,2–32,2
Генеративные органы
Тульская область		0,5–1,7	0,6
Киевская область		1,6–88,5	0,02–2,2
Брянская область		0,9–39,4	0,5–2,2

 

Ярусе лесных биогеоценозов

В структуре напочвенного растительного покрова максимальными уровнями накопления радионуклидов, в том числе ¹³⁷Cs, характеризуются мхи. Мхи, а также лишайники, в отличие от высших растений, обладают рядом морфофизиологических свойств, приводящих к значительной аккумуляции в них химических элементов. Они быстро реагируют на изменение концентрации радионуклидов в почве, что позволяет отнести мхи и лишайники к растениям-индикаторам радиоактивного загрязнения среды. Содержание ¹³⁷Cs у плауновых почти такое же, что и у папоротников, а наименьшее накопление радионуклидов в напочвенном растительном покрове характерно для высших цветковых растений. Таким образом, мохово-лишайниковый покров является выраженным биогеохимическим барьером на пути вертикальной и горизонтальной миграции радионуклидов в лесных биогеоценозах.

Примечание: на способности некоторых растений к гипераккумуляции радионуклидов и тяжёлых металлов основаны методы фиторемедиации –дезактивации загрязнённых территорий(наземных экосистем и водоемов) с помощью растений.

Задачи

1. Удельная активность золы клевера по ⁹⁰Sr составляет 300 кБк/кг. КП ⁹⁰Sr из почвы в растение в Киевской области равен 30. Рассчитайте плотность загрязнения почв.

 

2. Удельная активность почвы по ¹³⁷Cs – 670 Бк/кг, а его содержание в кукурузе – 23 кБк/кг. Рассчитайте КП ¹³⁷Cs из почвы в растение.

 

3. Плотность загрязнения почвы по ¹³⁷Cs 900 Бк/м². КП ¹³⁷Cs в листья липы составляет 42. Определите удельную активность листьев.

 

4. Составьте схему первичного и вторичного распределения радионуклидов в лесном биогеоценозе.

5. Составьте схему, иллюстрирующую зависимость многолетней динамики КП радионуклидов в компоненты растительности, учитывая как можно большее число факторов, влияющих на неё.

 

Практическая работа 4

Тема: Миграция радионуклидов и динамика уровня ионизирующих излучений

 

Цель занятия: изучение закономерностей миграции радионуклидов при попадании их в окружающую среду.

Время: 90 минут.

Метод: практическое занятие по расчету уровней излучения в различных средах и условиях.

Виды контроля:

- устный опрос по теме;

- результаты по вычислению доз облучения.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Критическими экосистемами, аккумулирующими радионуклиды и определяющими наибольшие дозовые нагрузки на животных и человека вследствие внешнего облучения и миграции радионуклидов по трофическим цепям, являются лесные биогеоценозы. Радионуклидный состав загрязнения лесов РФ после аварии на Чернобыльской АЭС (Брянская, Калужская, Тульская области) примерно одинаков. Основными дозообразующими радионуклидами является изотоп цезия ¹³⁷Cs. На его долю приходится более 90% от суммарной активности, доля ⁹⁰Sr в общем загрязнении составляет не более 2%. Особенности радиоактивного загрязнения территорий во многом определяет последующее распределение радионуклидов в почве, их биологическая доступность и характер накопления растениями.

Интенсивность снижения мощности экспозиционнойдозы (МЭД)резко замедляется со временем.Это,с однойстороны, обусловлено радиоактивным распадом короткоживущих радиоизотопов и повышением почти до 100% вклада в формирование МЭД долгоживущего ¹³⁷Cs, а с другой – аккумулирующей ролью лесной подстилки, сдерживающей миграцию радионуклидов в минеральные слои почвы.

Линейной зависимости между изменением плотности загрязнения и величиной МЭД во времени не наблюдается. Отмечается лишь некоторое закономерное нарастание величины соотношения плотности загрязнения и МЭД (коэффициент А):

 

А = σ(МЭД_изм - МЭД_фон),

 

где σ – плотность загрязнения, Ки/км²;

МЭД_изм – мощность экспозиционной дозы по результатам измерения, мкР/ч;

 

МЭД_фон –среднестатистический показатель естественногорадиацион-ного фона на исследуемой территории в доаварийный период (≈ 10 мкР/ч).

 

Отсюда становится очевидным, что оценка плотности загрязнения по величине МЭД, несмотря на взаимосвязь между этими показателями, достаточно условна, поскольку зависит от целого ряда динамично меняющихся факторов:

- интенсивности миграционных процессов, т.е. степени заглубления радионуклидов;

- интенсивности биологического круговорота;

- особенностей микрорельефа;

- особенностей радионуклидного состава загрязнения. Первым барьером на пути радиоактивных выпадений из атмосферы является растительный ярус наземных фитоценозов. При стабилизации или прекращении выброса растения препятствуют миграции радионуклидов за пределы зоны загрязнения, вовлекая их в биологический круговорот.

Основная часть выпавших на лес радионуклидов первоначально задерживается кронами древесных растений. Коэффициент задерживания радионуклидов древесным ярусом варьирует от 20 до 100% в зависимости от ряда факторов: видового состава и проективного покрытия фитоценозов, климатических условий и периода вегетации. В наибольшей степени радионуклиды поглощаются кронами хвойных деревьев, а при нейтральных метеорологических условиях и в период максимального развития листовой поверхности кронами деревьев лиственных пород. В период, когда деревья лишены листьев, задерживающая способность древесного яруса лиственных лесов снижается приблизительно в 3 раза.

 

Вторым барьером на пути радиоактивных выпадений является напочвенный растительный покров. По степени перехвата радионуклидов, в частности ¹³⁷Cs, для различных представителей напочвенного покрова был установлен следующий ряд: мхи         лишайники    травянистые растения.

Ещё одной особенностью первичного распределения радионуклидов в лесных экосистемах является так называемый «опушечный эффект», который проявляется в повышенном отложении радионуклидов в кронах деревьев на опушках с наветренной стороны по отношению к источнику радиоактивного выброса. Таким образом, лесные опушки, расположенные с подветренной стороны, экранируют прилегающие к ним безлесные участки от радиоактивных выпадений.

Сразу после выпадений адсорбция радиоактивных частиц поверхностью растений довольно слаба, они легко сдуваются ветром, смываются осадками и становятся источниками вторичного загрязнения. Активные ростовые процессы также способствуют самоочищению крон: радионуклиды удаляются вместе с опадающими на поверхность почвы покровными чешуйками почек, листьями, корой и побегами.

Начальный послеаварийный период характеризуется интенсивной миграцией радионуклидов из растительного яруса на поверхность почвы в результате смывания осадками и стряхивания ветром. Во втором периоде, с одной стороны, активизируются процессы биологического самоочищения, а с другой – нарастает роль корневого поступления. В третьем периоде постепенно достигается квазиравновесное состояние в системе «почва-растение».

Распределение радионуклидов по структурным компонентам древостоя характеризуется высокой специфичностью. Индикаторными органами, характеризующими загрязнение древесных пород в целом, для разных радионуклидов являются разные компоненты: для ¹³⁷Cs - наиболее физиологически активно растущие (ассимилирующие органы текущего года формирования); для ⁹⁰Sr - омертвевшие и стареющие (кора наружная и хвоя прошлых лет). На основании особенностей распределения радионуклидов по компонентам лесного фитоценоза ⁹⁰Sr отнесён к нуклидам «остаточного» накопления, а ¹³⁷Cs – «динамического». Следовательно, в многолетней динамике содержания ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в древесине для ⁹⁰Sr будет наблюдаться кумулятивный эффект, а для ¹³⁷Cs, наоборот, наблюдается постепенное снижение его содержания.

 

I. Коэффициенты перехода ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr компоненты древесного яруса

При расчёте коэффициента перехода(КП) содержание радионуклида в растении приводится к содержанию его в почве:

 

 

 

или к плотности загрязнения почвы:

 

 

Второй вариант расчета позволяет выявить зависимостьнакопления радионуклидов от почвенно-экологических условий, видовых особенностей растений и других факторов.

В этом случае величина КП характеризует различия в биологической доступности радионуклидов.

Содержание радионуклидов характеризуется не только значительной пространственной, но и временной (сезонной, многолетней) изменчивостью.

Сезонная динамика связана с интенсивностью физиологических и биогеохимических процессов в экосистемах, которая максимальна весной и существенно снижается к осени.

Многолетняя динамика КП радионуклидов в лесную растительность на территории зоны радиоактивного загрязнения характеризуется значительными колебаниями по отдельным годам и имеет неоднозначный тренд изменения в различных ценозах. На коэффициент перехода ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в растения влияют следующие факторы:

- физико-химическая форма выпадений, дисперсность и растворимость частиц;

- гидрологические условия (растения, произрастающие в условиях повышенного увлажнения накапливают радионуклидов значительно больше, чем те же виды, произрастающие на более возвышенных участках мезорельефа);

- тип почв (наибольшей доступностью радионуклидов характеризуются торфяно-глеевые почвы, затем идут дерново-подзолистые и чернозёмы оподзоленные);

- тип фитоценоза (в одновидовых фитоценозах, например, ельниках, наблюдаются в 5-10 раз большие КП ¹³⁷Cs во все структурные компоненты древостоя, чем в смешанных (лиственно-хвойных) лесах);

- видовая принадлежность растений (растения имеют неодинаковую способность к усвоению различных химических элементов);

- возраст древостоя (практически все структурные органы молодых деревьев, за исключением коры наружной и хвои, имевшейся на момент выпадений, загрязнены в большей степени, чем полновозрастных);

- климатические условия (главным образом количество выпадающих осадков).

 

Произрастание травянистых растений и кустарников под пологом леса делает возможным их вторичное загрязнение радиоактивными частицами, поступающими с древесного яруса в процессе его самодезактивации. По сравнению с ассимилирующими органами древесных пород в составе загрязнения травянистых видов в течение более длительного периода присутствуют такие радионуклиды, как ¹⁴⁴Ce, ⁹⁵Zr, ⁹⁵Nb и ¹⁰⁶Ru, наличие которых в растениях связано с внешним загрязнением.

Таблица 1

Диапазоны колебаний КП ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в структурные компоненты древостоя лесов (на 1992 г.), n·10^-3м²/кг (Щеглов А.И., 1999)

 

Регион		КП 137Cs	КП 90Sr
Древесина
Брянская область		0,15–4,4	1,5–12,1
Кора внутренняя
Тульская область		0,1–0,4	2,5
Кора наружная
Киевская область		0,8–30,6	0,4–36,7
Ветви крупные
Тульская область		0,2–2,3	3,3
Ветви мелкие
Тульская область		0,06–0,4	4,3
Хвоя прошлых лет
Тульская область		0,2	3,3
Брянская область		0,2–32,2	1,9–8,1
Прирост хвои / листья
Киевская область		0,3–111,0	0,2–32,2
Генеративные органы
Тульская область		0,5–1,7	0,6
Киевская область		1,6–88,5	0,02–2,2
Брянская область		0,9–39,4	0,5–2,2