CC BY
139
УДК 551.510.522:532:526
ИОНИЗАЦИЯ ПРИЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЫ ИЗЛУЧЕНИЕМ ПОЧВЕННЫХ РАДИОНУКЛИДОВ
В.В. Зукау*, В.С. Яковлева*, В.Д. Каратаев*, П.М. Нагорский*“
'Томский политехнический университет “Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, г. Томск E-mail: vsyakovleva@tpu.ru
Представлены результаты моделирования вертикального профиля плотности ионизации приземного слоя атмосферы, обусловленного радиоактивным распадом почвенных радионуклидов. Моделирование плотности ионизации в атмосферном воздухе ионизирующим излучением проведено методом Монте-Карло. При моделировании учтено вторичное излучение и каскадный характер взаимодействия излучения с воздухом. Для проведения расчетов создана библиотека из 40 основных радионуклидов, повсеместно присутствующих в почвах и грунтах. Моделирование произведено в условиях векового радиоактивного равновесия между родоначальниками семейств и дочерними продуктами их распада.
Ключевые слова:
Радионуклид, грунт, моделирование, излучение, ионизация, атмосфера, уран, торий, калий, цезий.
Key words:
Radionuclide, soil, simulation, radiation, ionization, atmosphere, uranium, thorium, potassium, cesium.
Почва - наиболее значимый источник полей ионизирующих излучений, создающий дозовую нагрузку на все объекты, расположенные на поверхности земли, в том числе и на атмосферный воздух. Почва служит основным «депо» долгоживущих радионуклидов естественного и техногенного происхождения. [1]. Естественные радиоактивные элементы находятся в рассеянном состоянии во всех объектах биосферы. Основными из этих элементов являются 235и, ШТЬ, 226Ка (238и) и дочерние продукты их распада, а также 40К, 87КЬ. Кроме того, в окружающей среде накапливаются достаточно долгоживущие радионуклиды 14С и 3Н, появляющиеся в ядерных реакциях атмосферных газов с космическими лучами и вступающие в элементный обмен в биосфере. Из техногенных радионуклидов следует отметить накопление в почве долгоживущего осколочного гамма-радионуклида 137С8, образующегося в ядерных реакциях деления сверхтяже-лых химических элементов. Для почв на территории г. Томска массовые содержания радионуклидов 226Ка, 232ТИ, 40К и 137Сб в приповерхностных грунтах и в почве колеблются в пределах 1...3; 4...8; 0,5...2 и 10-10...10-8 г/т, соответственно [2].
Одним из наиболее важных свойств атмосферы является её электропроводность, которая для приземной атмосферы, толщиной в несколько десятков метров, на ~80 % обеспечивается мгновенным значением концентраций ионов в воздухе, образованных полями ионизирующих излучений, генерируемых при распаде радиоактивных элементов, находящихся в почве и атмосфере [3]. В отсутствие сильных электрических полей образование и рекомбинация ионов обоих знаков создает равновесную концентрацию ионов. Известно, что в ионизацию приземной атмосферы вносят определенные вклады ионизирующие излучения, возникающие при распаде атмосферных радиоактивных газов и аэрозолей, почвенных радионуклидов, а также потоки излучений космического происхождения [3, 4]. Важно отметить, что вклад каждой из пере-
численных компонент детально не прорабатывался. Это связано с недостаточной изученностью функций распределения некоторых источников ионизации приземной атмосферы. В численных моделях электродного слоя [4] и глобальной электрической цепи [5] функция ионизации приземной атмосферы д(г) задается либо в виде постоянной величины #~107, м-3 -с-1, либо соотношением [6, 7]:
д( г) = 7 -106 + б0е -2'362 2,
I - высота над земной поверхностью, 00 - «фоновая» объемная активность радона.
Первое слагаемое определяет величину плотности ионизации атмосферы излучением почвенных радионуклидов. Вместе с тем, вклад слагаемых в суммарную плотность ионизации атмосферы не постоянен, может меняться во времени и пространстве, напрямую определяется плотностью атмосферного воздуха, связанной с такими климатическими параметрами атмосферы, как температура, влажность и давление. Считается, что потоки космических излучений (наиболее изученная компонента) и излучение почвенных радионуклидов представляют собой слабо вариативную по времени компоненту плотности ионизации атмосферы, а радон и продукты его распада - компоненту с высокой вариативностью.
Основной задачей настоящей работы является моделирование вертикального профиля плотности ионизации атмосферы от распада почвенных радионуклидов, а также оценка вариативности почвенной компоненты в зависимости от изменения влажности почв (выпадения осадков) при постоянной плотности атмосферного воздуха.
Моделирование плотности ионизации
приземной атмосферы
Моделирование вертикального распределения плотности ионизации атмосферы от ионизирующего излучения, возникающего при распаде почвенных радионуклидов, проведено с помощью ме-
тода Монте-Карло с использованием разработанной в ТПУ программы РСЬаЬ [8, 9]. Эта программа позволяет моделировать процессы переноса электронов, позитронов, фотонов в веществе и вычислять дифференциальные и интегральные характеристики поля ионизирующего излучения. При моделировании произведен учет вторичного излучения и каскадный характер взаимодействия излучения с воздухом. Для проведения расчетов, на основе данных МКРЗ 38 [10] и каталогов радионуклидов [11, 12], создана библиотека из 40 основных радионуклидов, повсеместно присутствующих в грунтах (табл. 1), с указанием их характеристик (постоянная радиоактивного распада, энергии испускаемых фотонов гамма-излучения, квантовый выход и пр.). Модельные оценки произведены с учетом векового радиоактивного равновесия между родоначальниками рядов и дочерними продуктами их распада.
Таблица 1. Радионуклиды, использованные в моделировании
Ряд 232ТИ -н > П Т 0 го 1
Ряд 235и 235 и, 23,Т1г 231 Ра, 227Ас, 223 Рг, 227ТИ, 223Ра, 2,9Рп, 215Ро, 211РЬ, 21та, 207Т1, 211Ро
Ряд 238и 238и, “ТИ, 234т Ра, 234Ра, 234и, 230ТИ, 226Ра, 222Рп, 218Ро, 214РЬ, 214В1, 214Ро, 210РЬ, 2,0В1, 210Ро
Остальные о
Источник (грунт) и поглощающую среду (воздух) задавали в цилиндрической геометрии. Для расчетов был взят грунт, состав и параметры которого приведены в табл. 2. Глубина слоя грунта, выбранная для расчетов, составляла 50 см. Большие глубины не рассматривали, поскольку, согласно оценкам [13], основной вклад в дозу, а, следовательно, и в ионизацию приземного воздуха, вносят почвенные радионуклиды приповерхностного слоя, толщиной 5 см.
Все расчеты произведены до высоты 25 м, поскольку в дальнейшем планируется произвести сопоставление модельных оценок с экспериментальными данными по электрической проводимости и полям гамма-излучений, получаемыми в ходе согласованного многофакторного эксперимента ИМКЭС-ТПУ на серии высот до 25 м [14].
Таблица 2. Состав грунта [8]
Элемент Атомный номер, I Атомная масса, А Весовая доля, %
О 8 16 43,2
14 28 20,2
А1 13 27 14,4
С 6 12 10,6
Ре 26 56 9,2
Н 1 1 1,5
Т 22 48 0,7
Мд 12 24 0,2
С помощью программы РСЬаЬ рассчитаны вертикальные распределения плотности ионизации
приземной атмосферы для каждого из радионуклидов, табл. 1. С целью оценок вкладов в плотность ионизации атмосферного воздуха от реальной концентрации радионуклидов в почве, все результаты получены в расчете на единичную активность радионуклидов (1 Бк/кг). Вертикальные профили плотности ионизации приземной атмосферы от разных радионуклидов единичной активности представлены на рис. 1, а.
Наибольший вклад в суммарную ионизацию вносит излучение радионуклидов природных семейств 238и и 232ТИ, а минимальное - излучение 40К. Пересчет на реальную активность почвенных радионуклидов произведен с учетом экспериментальных данных по обследованию территории г. Томска, детально описанных в [1, 2, 15]. Средние для территории г. Томска значения удельной активности 226Ка, 232ТИ, 40К и 137С8 в приповерхностных грунтах и в почве составили 25; 26; 345 и 10 Бк/кг, соответственно [2]. Удельная активность 235и определена из известного и практически неизменного соотношения изотопов 238и/235и=137,88. Таким образом, удельная активность 235и в 21 раз меньше активности 238и, и, в среднем для территории г. Томска в почве, составляет 1,2 Бк/кг. Результаты расчетов представлены на рис. 1, б. Изменение по высоте относительных вкладов каждого радионуклида (семейства) в суммарную ионизацию проиллюстрировано на рис. 1, в. Заметное различие относительных вкладов в плотность ионизации атмосферы в зависимости от высоты над земной поверхностью наблюдается только для 40К и 238и. Причем с увеличением высоты вклад от 40К снижается, а от 238и - увеличивается. Такое поведение объясняется разными энергиями испускаемых фотонов у-излу-чения.
Вертикальные профили плотности ионизации приземной атмосферы, рассчитанные для указанных активностей почвенных радионуклидов, представлены на рис. 2. С учетом реальных активностей, максимальный и приблизительно равный вклад в суммарную ионизацию атмосферы вносят радионуклиды 40К и 238и в равновесии с дочерними продуктами распада. Суммарная плотность ионизации у земной поверхности составляет 2,4 пары ионов в 1 с в 1 см3, на высоте 1 м - 1,5 пары ионов, а на высоте 25 м плотность ионизации снижается практически на 2 порядка.
Поскольку плотность грунтов и почв на разных участках территории может изменяться в широких пределах, от 0,5 до 2 г/см3, то важно знать влияние плотности грунта на плотность ионизации вблизи земной поверхности.
Для различных значений плотности грунта распределение плотности ионизации, образованных излучением 137С8 по высоте, иллюстрируется рис. 3, а. С увеличением плотности грунта распределение плотности ионизации вблизи земной поверхности изменяется незначительно. Однако с ростом высоты изменения возрастают до 10 % для 40К и до 50 % для 137Сб.
Плотность ионизации, см-з-с-1 Плотность ионизации, см
о
■7
1.Е+01
1.Е+00
1, Е-01
1 ,Е-02
1.Е-03
1.Е-04
1.Е-05
Высота, см
а
°о,
°о,
'°0
500
1000 1500
Высота, см
2000
2500
—Сумма
Ж 40ц;
* Рядгэву
Л Ряд 232ТЬ
• 137Сэ
й Л • •. д ж д ж д ж д ж д 0 Ряд 235и
• • • • • • •
с о о о
и О о о о о о
Высота, см
Рис 1. Зависимость плотности ионизации атмосферы от высоты излучением почвенных радионуклидов в расчете на удельную активность: а) единичную; б) реальную; в) относительный вклад
3.9
40
137,
К
Се
232-1-1
□ Ряд ТЬ
- 235..
■ Ряд и
Г-, 238, ,
□ Ряд и
а---К - 345 Бк/кг Ш 1 37 С б - 10 Бк/кг
□ Ряд 232ТЬ - 26 Бк/кг ■ Ряд 235 и - 1,2 Бк/кг
□ Ряд 238 и - 25 Бк/кг
а о
Рис. 2. Вклад почвенных радионуклидов в суммарную плотность ионизации приземной атмосферы на высоте 1 м в расчете на удельную активность: а) единичную; б) реальную
Высота, см
а
Высота, см
б
Рис. 3. Зависимость плотности ионизации атмосферы излучением В7Сз от высоты для: а) различных значений плотности грунта; б) сухого и сильно увлажненного грунтов
Большое влияние на уровень ионизирующего излучения и ионизацию приземной атмосферы оказывает влажность грунта. Как показали экспериментальные данные по мониторингу у- и /3-полей на экспериментальной площадке ИМКЭС-ТПУ [14, 16], после дождя изменяется электропроводность атмосферы, которая зависит от плотности ионизации. В этой связи были произведены расчеты зависимости плотности ионизации от влажности грунта с пористостью 40 %. Результаты для 137С8 представлены на рис. 3, б.
Из оценок следует, что ионизация от влажного грунта, поры которого полностью заполнены водой, меньше, чем от сухого. С ростом высоты эта разница увеличивается и на высоте 25 м достигает 50 %. Такое поведение объясняется экранирующими свойствами воды в приповерхностном грунте.
С целью дальнейшего совершенствования моделей электродного слоя и глобальной электрической цепи была предложена функция, описывающая ионизацию приземной атмосферы д(г) излучением почвенных радионуклидов, состоящая из 5-ти слагаемых, определяемых удельными активностями 226Ка (238и), 232ТЪ, 40К и 137Сб.
Вертикальные распределения плотности ионизации атмосферы за счет почвенных радионуклидов были аппроксимированы функцией
/ \ 75 +DzЕ
#(2) - Бе ,
где В - переменный коэффициент, зависящий от типа /-го радионуклида и его удельной активности А, Бк/кг (табл. 3); С, Б и Е - постоянные коэффициенты, зависящие от типа /-го радионуклида (табл. 3).
Таблица 3. Коэффициенты функции д,(г) для разных радионуклидов
Коэффициенты 40К Ряд 232ТИ Ряд 235и Ряд 238и
В 2,47'10-М40К 8,42'10-Мв7С5 1,69'10-МгзгТ|1 5,12'10-М235у 3,12-10-2-Л238и
С -6,34'10-3 -1,08-10-1 -8,81'10-2 -6,44'10-3 -0,155
D 9,9110-4 0,10 7,91'10-2 9,9910-4 0,145
Е 1,20 1,01 1,01 1,20 1,01
Анализ коэффициентов функций q,(z) табл. 3 показал, что суммарная функция плотности ионизации приземной атмосферы излучением почвенных радионуклидов определяется соотношением удельных активностей указанных радионуклидов. Анализ результатов моделирования также позволил определить, что вид функции q(z) будет зависеть от типа грунта, т. е. его физических параметров (состав, плотность, пористость) и степени влажности.
Заключение
Анализ результатов расчетов с использованием метода Монте-Карло показал, что плотность ионизации приземной атмосферы излучением почвенных радионуклидов не является постоянной величиной, сильно зависит от высоты, а также таких факторов, как плотность, пористость, влажность
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Каратаев В.Д., Яковлева В.С., Эргашев Д.Э. Исследование радиоактивности объектов окружающей среды на территории Томской области // Известия вузов. Физика. - 2000. - Т. 43. -№ 4. - С. 105-109.
2. Вертман Е.Г., Каратаев В.Д., Левицкий В.М., Эргашев Д.Э. Определение концентраций неравновесных изотопов урана в природных объектах ядерно-физическими методами // Аппаратура и новости радиационных измерений. - 2002. - № 3. -С. 34-43.
3. Смирнов В.В. Ионизация в тропосфере. - СПб.: Гидрометео-издат, 1992. - 310 с.
4. Куповых ГВ., Морозов В.Н., Шварц Я.М. Теория электродного эффекта в атмосфере. - Таганрог: ТРТИ, 1998. - 124 с.
5. Атмосфера. Справочник / под ред. Ю.С. Седунова. - Л.: Гидро-метеоиздат, 1991. - 511 с.
6. Hess V.P., O’Donnel G.A. On the rate of ion formation at ground level and at one meter above ground // Journal of geophysical research. - 1951. - V. 56. - P. 557-562.
7. Hess V.P., Kisselbach, VJ., Miranda H.A. Determination of the alpharay emission of materials constituting the earth’s surface // Journal of geophysical research. - 1956. - V. 61. - P. 265-271.
8. Беспалов В.И. Пакет программ EPHCA для статистического моделирования поля излучения фотонов и заряженных частиц // Известия вузов. Физика. - 2000. - Т. 43 - № 4. - С. 159-165.
9. Беспалов В.И. Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом. - Томск: Изд-во ТПУ, 2007. - 369 с.
10. Программа ICRP38 // ORNL Center for Biokinetic and Dosimetric Research. 2009. URL: http://ordose.ornl.gov (дата обращения: 11.04.2009).
грунта и соотношение удельных активностей радионуклидов 235и, 232ТИ, 226Ка (238и), 40К и 137С8 в приповерхностном слое грунта.
В распределении плотности ионизации атмосферы по высоте от отдельных радионуклидов постоянный коэффициент при экспоненте определяется удельной активностью радионуклидов, а коэффициенты в показателе экспоненты - физическими параметрами грунта.
Использование традиционного представления об ионизации приземной атмосферы излучениями почвенных радионуклидов в численных моделях электродного слоя может привести к завышению результата до двух порядков по величине на высотах до 25 м.
Работа выполнена при поддержке проектов ФЦП № 02.740.11.0738 и СО РАН № 7.63.1.1.
11. Gamma-Ray Spectrum Catalogue // Региональная объединенная компьютерная сеть образования, науки и культуры Санкт-Петербурга. 2009. URL: http://www.atom.nw.ru/catalog/nucli-des.htm (дата обращения: 11.04.2009).
12. BetaSpecALL FINAL3.xls // the RAdiation Dose Assessment Resource. 2009. URL: http://www.doseinfo-radar.com (дата обращения: 18.04.2009).
13. Беспалов В.И., Кольчужкин А.М., Кондратьева А.Г, Сири-ца О.Б. Дистанционная спектрометрия гамма-излучения // Научная сессия МИФИ-2003. Сб. научных трудов. - 2003. -
Ч. 2. - С. 73-74.
14. Яковлева В.С., Каратаев В.Д., Вуколов А.В., Ипполитов И.И., Кабанов М.В., Нагорский П.М., Смирнов С.В., Фирстов П.П., Паровик Р.И. Методология многофакторного эксперимента по процессам переноса радона в системе «литосфера - атмосфера» // Аппаратура и новости радиационных измерений. -2009. - № 4. - C. 55-60.
15. Эргашев Д.Э. Метод определения естественного и техногенного урана в объектах окружающей среды: дис. ... канд. физ.-мат. наук. - Томск: ТПУ, 2004. - 221 c.
16. Яковлева В.С., Плужникова Д.А., Нагорский П.М., Каратаев В.Д. Модель плотности ионизации атмосферы за счет радона, торона и продуктов их распада // Аэрозоли Сибири: Матер. XVI рабочей группы. - Томск, 24-27 ноября 2009. - Томск: ИОА СО РАН, 2009. - С. 40.
Поступила 17.05.2010 г.
