Радиолиз в хвойных лесах Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Цой О.М. ©

К. физ.-мат. наук, Дальневосточный филиал ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ)

РАДИОЛИЗ В ХВОЙНЫХ лесах

Аннотация

В статье рассматривается механизм возгорания в хвойных лесах под влиянием радиолиза в системе атмосфера - педосфера. Предполагается, что источником ионизирующего излучения являются выбросы радиоактивного газа, в частности, радон.

Ключевые слова: атмосфера, литосфера, радон, хвойный лес, терпены Keywords: atmosphere, lithosphere, radon, coniferous forest, terpenes

Введение

Анализ материалов мониторинга за возникновением очагов возгорания в лесах показал, что они часто приурочены к зонам выброса радиоактивных газов, частности радона. На практике это зоны сейсмоактивных областей и зоны почвообразующих пород с высокой минерализацией радиоактивных элементов. Во втором случае выброс радона обусловлен магнитострикционным механизмом [6,80].

В пирологическом аспекте древесные породы подразделяются на две группы: хвойные и лиственные (листопадные). По степени пожарной опасности крон хвойные породы распределяются в убывающем порядке в следующей последовательности: ель, пихта, сосна, кедр, лиственница, а формируемый ими опад1 из хвои - сосновый, кедровый, еловый, пихтовый и лиственничный. Самая низкая воспламеняемость и горимость у крон лиственницы и опада ее хвои. Высокой восприимчивостью к верховым пожарам обладают сосновые молодняки, а также ельники и пихтарники, отличающиеся повышенной вертикальной и горизонтальной сомкнутостью крон и наличием эпифитных лишайников и мхов в кронах [7,297].

Исследования возгорания и развития лесных пожаров необходимо с рассмотрения «Триады загорания леса» (горючие материалы, окислитель и источник возгорания). Например, в качестве природных источников возгорания в лесной пирологии рассматриваются молнии, сухие грозы, а окислителя - воздух.

Наблюдения за воздухом хвойных лесов показывают высокое содержание озона (О3) и кислорода (О2). Концентрация О3 у поверхности Земли - величина переменная: максимум в интервале 10-18 ч и минимум ночью, летом и весной в 3,5 раза больше, чем зимой и осенью; над полярными областями выше относительно экваториальной. С высотой концентрация увеличивается и достигает максимума на высоте 20 - 25 км. Концентрация озона на высоте 20 - 30 км каждые 11 лет проходит через максимум, вызванный циклом солнечной активности

[1,15; 11].

В статье рассмотрено влияние радиолиза на образования газо-горючей (взрывоопасной2) смеси, окислителя и источника возгорания в хвойных лесах. Предполагается, что источник ионизирующего излучения поступает в атмосферу в виде газов (радон) или аэрозолей в процессе их выброса или естественного выхода в местах с повышенной концентрацией этой примеси. Дальнейшее распространение примеси в атмосфере происходит путем рассеяния в результате турбулентной диффузии и ветрового переноса.

Механизм возгорания в хвойных лесах

К числу важных естественных радионуклидов, содержащихся в приземном слое атмосферы, относятся торон, радон [4,61]. Рассмотрим радиолиз в системе атмосфера - педосфера и его последствия в хвойных лесах.

©© Цой О.М., 2012 г.

Педосфера представляет собой многокомпонентную систему: газовой среды (воздух), жидкой (воду и водные растворы), твердой (органические соединения и почвообразующие3 горные породы).

Почвенный воздух существенно отличается от атмосферного меньшим содержанием кислорода (17 - 20%) и большим - углекислого газа (0,1 - 1,0%). Атмосферный воздух состоит (% по объему): из азота - 78.08, кислорода - 20.95, углекислого газа - 0.039. В малом количестве есть водяной пар, аргон, водород, ксенон, озон, радон и вредные примеси -сернистый газ, хлор, сероводород и др.

Газообмен между почвенным и атмосферным воздухом совершается под влиянием диффузии газов, колебания атмосферного давления, суточного изменения температуры «суточного дыхания почвы», ветра, влажности почвы, наличия или отсутствия растительного покрова, степени уплотнения почвы, наличия корки на ее поверхности [8]. В газовой среде педосферы и приземном слое в атмосфере при облучении кислорода возникает О3, при достаточных концентрациях в воздухе и нормальных условиях самопроизвольно превращается в 02 с выделением тепла. Однако реакция превращения кислорода в озон самопроизвольно протекать не может: для ее осуществления необходима энергия [3,378; 5].

203=302 + 68 ккал/моль (285 кДж/моль). Выявлено, чем больше концентрация, тем выше скорость реакции разложения. При концентрациях 12 - 15 % переход имеет взрывной характер. Повышение температуры и понижение давления увеличивают скорость перехода в двухатомное состояние. Контакт озона даже с малыми количествами органических веществ, некоторых металлов или их окислов резко ускоряет превращение [2; 12].

При облучении смеси соединений, содержащих различные атомы, протекают более сложные процессы, чем в случае облучения простых соединений. Так, при облучении смеси азота и кислорода (в том числе и воздуха) образуется окислы азота трех типов: N20 (закись азота), N0 (окись азота) и N02 (двуокись азота). Есть и другие радиационно-химические превращения в смесях газов. Например, при комнатной температуре озон взаимодействует практически со всеми химическими элементами и их химическими соединениями. Под действием газообразного озона все металлы, кроме Аи, Р£, 1г, превращаются в оксиды или покрываются тонкой оксидной плёнкой, сульфиды, селениды и т.д. Многие горючие органические вещества (спирты, кетоны, углеводороды и т. д.) при соприкосновении с озоном воспламеняются или взрываются [10].

Жидкая среда в педосфере (вода и водные растворы) представляет собой сложную многокомпонентную систему, в состав которой входят минеральные вещества, газы, а также коллоидные и крупнодисперсные частицы, в том числе микроорганизмы. По величине минерализации (г/л) различают следующие природные воды: ультрапресные - до 0.2, пресные - 0.2 - 0.5, слабоминерализованные - 0.5 - 1.0, солоноватые - 1 - 3, соленые - 3 - 10, с повышенной соленостью - 10 - 35, переходные к рассолам - 35 - 50, рассолы - более 50. Макрокомпонентами природной воды обычно являются Са, М§, К, Fe (катионогенные воды), Si, С, S, С1 (анионогенные воды). К микрокомпонентам природной воды относятся В, Li, Rb, Си, Zn, В^ Ве, W, и, Вг, I и др.

Основные газы, содержащиеся в природной воде, - СО2, N2 (характерны как для поверхностных, так и для глубинных условий), СН4, СО, Н2 (типичны для подземных вод и для воды вулканически активных областей). Растворенные в воде компоненты находятся в равновесии, образуя комплексы различного состава.

Радиационная химия воды и различных водных растворов в основных чертах достаточно хорошо изучена [2; 9]. Как известно, при прохождении излучения через вещество образуются ионы и возбужденные молекулы. Так и в случае воды молекула ионизируется заряженной а-частицей, теряя при этом электрон:

^ Н20^Й20+ + е".

Ионизированная молекула воды реагирует с другой нейтральной молекулой воды, в результате чего образуется радикал гидроксила ОН' и ион гидроксония Н30+.

Н20+ + Н20^Й30+ + ОН'

«Освободившийся» электрон взаимодействует с окружающим молекулой воды; возникает возбужденная молекула Н2О*, которая, в свою очередь, диссоциирует с образованием двух радикалов: Н' и ОН':

Н2О + е" ^ Н2О*^ Н' + ОН' В присутствии кислорода образуются и другие продукты радиолиза, обладающие окислительными свойствами: гидропероксидный радикал Н02', перекись (пероксид) водорода Н2О2 и атомарный кислород О:

Н'+02 ® НО2', Н02'+ НО2' ® Н2О2+2О. Таким образом, в результате превращения первоначально неустойчивых ионов образуются радикалы Н' и ОН', устойчивые в воде ионы - ионы гидроксония Н3О+. Атомарный водород и радикал гидроксил неустойчивы, время их жизни не превышает миллионных долей секунды. За это время движущиеся в воде радикалы Н' и ОН' успевают вступить во взаимодействие

Н' + Н' ^ Н2, ОН' + Н' ^ Н2О, НО' + ОН' ^ Н2О2.

В результате этих реакций вновь образуется вода и появляются новые, устойчивые соединения - молекулярный водород и перекись водорода. Их принято называть молекулярными продуктами радиолиза воды в отличие от неустойчивых радикальных продуктов Н' и ОН'.

Таким образом, ионизирующее излучение вызывает радиолиз воды с образованием Н2, Н2О2 и свободных радикалов Н', ОН', Н02'. Водород малорастворим в воде, поэтому избыток поступает в атмосферу. В атмосфере происходит непрерывное образование водорода и в результате разложения паров воды солнечным излучением.

Водород при смеси с воздухом или кислородом образует взрывоопасную смесь - так называемый гремучий газ. Наибольшую взрывоопасность этот газ имеет при объёмном отношении водорода и кислорода 2:1, или водорода и воздуха приближённо 2:5, так как в воздухе кислорода содержится примерно 21 %.

Твердое вещество (органические соединения и почвообразующие горные породы) - радиолиз органических соединений приводит к разрыву связей между углеродом (С-С), углеродом и водородом (С-Н), а также углеродом и функциональными группами. Продуктами этого процесса являются: молекулярный водород и метан, значительная часть, которой переносится в атмосферу.

Радиационно-химические превращения в твердых веществах идут со значительно меньшими выходами, чем в жидкостях или газах. Это вызвано тем, что жесткие связи между частицами, характерные для твердого тела, сильно затрудняют движение атомов и молекул в твердом теле и, следовательно, тормозят химические реакции, происходящие в результате столкновения этих частиц.

Рассмотрим, что же происходит в хвойных лесах (далее лесах).

1. В воздухе лесов содержатся пары эфирных масел. Эфирные масла - это растительные летучие многокомпонентные (от 50 до 500 соединений) органические вещества. В состав эфирных масел входят следующие группы химических соединений: терпены, спирты, кетоны, альдегиды, эфиры, фенолы. Для них характерны следующие физико-химические свойства: плотность - 0.8 - 1.5 г/см; t кипения - 160 - 240° С; t кристаллизации - от +17 до -30° С, под воздействием света и кислорода превращаются в смолу. Не вступают в реакцию с Вг, I, КМп04, S, Р. Не растворяются в воде, но растворимы в бензоле, эфирах, спиртах, жирах. Количество различных органических и неорганических веществ, входящих в состав эфирных масел, варьируется в зависимости от изменений естественных факторов окружающей среды.

С увеличением температуры в приземном слое атмосферы увеличивается концентрация паров эфирных масел. Температура воспламенения терпеноидов, образующиеся в хвойных лесах, равно 32 - 37 0С.

2. Движение воздушного потока в приземном слое атмосферы имеет вертикальное (конвективное) и горизонтальное направление. Струи воздуха, огибающие ветки и иголочки

хвои способствуют не только трению отдельных хвоинок одна о другую, но и образуют за ними маленькие вихри [13].

Каждая хвоинка покрыта толстым восковым налетом - кутикулой. У североамериканских видов ели кутикула настолько толстая, что ветки кажутся голубыми. Выявлено, что чем выше уровень атмосферного загрязнения, тем толще на хвоинках кутикула и синее их окраска. Но работает эта "закономерность" до определенного предела, далее кутикулы разрушаются, а хвоинки погибают. Так как кутикула хвои покрыто воском, то она представляет собой трибоэлектрет4. Трение отдельных хвоинок друг о друга за счет вихрей способствует длительное время находиться в наэлектризованном состоянии и после снятия внешнего воздействия. В результате «тихого» разряда хвоинок происходит образование озона. Озон в составе приземного слоя атмосферы может быть получен и при облучении кислорода другими видами излучения, например космического происхождения, нуклидами почвообразующих пород. Радиационно-химический выход будет в зависимости от вида излучения и температуры, при которой проводится облучение, а при взаимодействии с воздухом (кислородом), с углеводородами (пары эфирных масел) образует взрывоопасную среду.

Итак, в составе воздуха хвойных лесов происходит повышение концентрации озона вследствие радиолиза. В результате взаимодействий озона с парами эфирных масел, озона с воздухом при органических соединениях, водорода с воздухом, повышения атмосферной температуры (весенне-осенние периоды) и преобразований энергии излучения в тепловую создаются благоприятные условия для возникновения химического взрыва т.е. очага возгорания.

'Опавшие в течение года листья, хвоя, веточки, плоды и другие остатки лесных растений составляют лесной опад. Один из наиболее важных видов лесогорючих материалов, поскольку он служит основным проводником распространения огня.

2Взрывоопасную среду могут образовать смеси веществ (газов, паров, пылей) с воздухом и другими окислителями (кислород, озон, хлор, окислы азота и др.) и вещества, склонные к взрывному превращению (ацетилен, озон, гидразин и др.). Источники инициирования взры-ва: открытое пламя, электрические разряды, тепловые проявления химических реакций, электромагнитные и другие излучения.

3Горные породы, на которых и из которых под влиянием различных наземных растений и многообразного живого микромира образовались почвы, называются материнскими порода-ми (или почвообразующими породами).

4Трибоэлектреты - диэлектрики, наэлектризованные трением. Они могут иметь устойчивые заряды разных знаков, причем может быть нанесен заряд только одного знака и на одну поверхность.

Литература

1. Александров Э.Л., Кароль И.Л., Ракипова Л.Р., Седунов Ю.С., Хргиан А.Х. Атмосферный озон и изменения глобального климата. - Л.: Гидрометеоиздат, 1982. - 167с.

2. Бекман И.Н. Радиоактивность и радиация: курс лекций / И.Н. Бекман. - М.: МГУ, 2006. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://profbeckman.narod.ru/RR0.htm_

3. Глинка Н.Л. Общая химия. - Л.: Химия, 1977. - 720с.

4. Сахаров В.К. Радиоэкология. - М.: МИФИ,1995. - 136с.

5. Фиалков Ю.Я. Применение изотопов в химии и химической промышленности / Ю.Я. Фиалков - Киев: Техшка, 1975. - 240с. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.ximicat.com/ еЬоок^р?Ше =fialkov_rad.djv&page=74

6. Цой О.М. Математическое моделирование чрезвычайных ситуаций природного характера на юге Дальнего Востока. - М.: ФГБУ ВНИИ ГОЧС МЧС России, 2012. - 192с.

7. Шешуков М.А., Брусова Е.В., Громыко С.А., Позднякова В.В. Горимость лесов и охрана их от пожаров / Современное состояние лесов российского Дальнего Востока и перспективы их использования / Коллектив авторов / под ред. А.П. Ковалева. - Хабаровск: ДальНИИЛХ, 2009. - С.280-320.

8. http://mse-online.ru/zemledelie/pochvennyj-vozdux.html

9. http://phys.rsu.ru/web/nuclear/radioecologie/index.htm

10. http://traditio-ru.org/wiki/озон

11. http://www.chemport.ru/data/chemipedia/article_2523.html

12. http://www.proektm.ru/encicl/ozon.html

13. http://www.ziganshin.ru/library/PHISICS/nature_phisics.html#top

01.04.17 - Химическая физика, горение и взрыв, физика экстремальных состояний вещества