ГЛАВА 9 ПРИРОДНЫЙ РАДИАЦИОННЫЙ ФОН

Под радиационным фоном принято понимать ионизирующее излучение от природных источников космического и земного происхождения, а также от искусственных радионуклидов, рассеянных в биосфере в результате деятельности человека.

Радиационный фон воздействует на население земного шара, имея относительно постоянный уровень. Различают природный (естественный) радиационный фон, технологически измененный естественный радиационный фон, искусственный радиационный фон.

Естественный радиационный фон представляет собой ионизирующее излучение, действующее на человека на поверхности Земли от природных источников космического и земного происхождения.

Технологически измененный естественный радиационный фон

представляет собой ионизирующее излучение от природных источников, претерпевших определенные изменения в результате деятельности человека, например, излучение от естественных радионуклидов, поступающих в биосферу вместе с извлеченными на поверхность Земли из ее недр полезными ископаемыми, в результате поступления в окружающую среду продуктов сгорания органического топлива, излучения в помещениях, построенных из материалов, содержащих естественные радионуклиды.

Искусственный радиационный фон обусловлен радиоактивностью продуктов ядерных взрывов, отходами ядерной энергетики и аварий.

Мерой радиационного фона является мощность экспозиционной дозы, при этом в геофизике имеется в виду мощность погло- щенной в воздухе дозы на местности за счет внешних источников облучения.

Для удобства сравнения биологической эффективности и оценки риска возникновения отдаленных последствий при различных видах облучения, включая случаи неравномерного облучения, дозы за счет радиационного фона часто выражают в показателях так называемой эффективной дозы - условного понятия, характеризующего расчетную дозу равномерного внешнего облучения всего тела, адекватную по риску возникновения отдаленных стохастических последствий реальной поглощенной дозе в том или ином органе.

9.1. Естественный радиационный фон

Природные источники ионизирующего излучения, формирующие естественный радиационный фон, подразделяют на внешние источники внеземного происхождения (космическое излучение); внешние источники земного происхождения, т.е. радионуклиды, присутствующие в земной коре, воде, воздухе; внутренние источники, т.е. радионуклиды естественного происхождения, содержа- щиеся в организме человека.

Космические лучи представляют собой поток ядерных частиц, приходящих на земную поверхность из различных областей ми- рового пространства, - это так называемое первичное космическое излучение. Средняя энергия космических частиц составляет 10¹⁰ эВ. В общем потоке частиц встречаются частицы, имеющие значительно меньший уровень энергии, и частицы с энергией до 10¹⁹ эВ. Первичное космическое излучение состоит из протонов (92%), α-частиц (ядра гелия 7%), ядер атомов лития, бериллия, углерода, азота и кислорода (0,78%) и ядер атомов, заряд которых

более 10 (0,22%).

При падении космических частиц на поверхность Земли они взаимодействуют с атомами и молекулами атмосферы. Возникает вторичное космическое излучение; при этом наиболее существенны электронно-фотонные и электронно-ядерные процессы взаимодействия. При электронно-фотонном процессе заряженные частицы, взаимодействуя с полем ядра атома, порождают фотоны, которые образуют пары электронов и позитронов. Эти частицы, в свою очередь, вызывают возникновение новых фотонов. Каскадный процесс лавинообразного нарастания числа частиц и фотонов продолжается до тех пор, пока энергия их не становится доста-

точно малой и не теряется на ионизацию и возбуждение атомов и молекул воздуха.

Электронно-ядерный процесс обусловлен взаимодействием первичных космических частиц, энергия которых не менее 3?10⁹ эВ, с ядрами атомов воздушной среды. При этом одновременно возникает ряд новых частиц - протоны и нейтроны (осколки ядра) и π-мезоны трех типов: отрицательно заряженные, несущие положительный заряд и не имеющие заряда. Заряженные π-мезоны (масса π-мезонов по отношению к массе электрона равна 273) распадаются (среднее время жизни - 2,5?10^-8 с) в более устойчивые μ-мезоны (масса - 207 единиц) и нейтрино; нейтральные π-мезоны в свою очередь (τ = 2,5?10^-16 с) распадаются на 2 фотона, а μ-мезоны - на электроны, позитроны и нейтрино. Таким образом, вторичное космическое излучение состоит из электронов, нейтронов, мезонов и фотонов. По мере приближения к поверхности Земли интенсивность первичного космического излучения уменьшается, а интенсивность вторичного излучения достигает максимума на высоте 20-30 км; на меньшей высоте процессы поглощения этого вида излучения преобладают над процессами его генерирования. На уровне моря интенсивность первичного излучения составляет примерно 0,05% первоначальной величины. Вторичное же излучение состоит из мезонов (80%) и электронов (20%). Следует отметить, что уровень космического излучения в определенной степени зависит от геомагнитной широты, возрастая от экватора к полюсам (на уровне моря до 14%). В табл. 29 представлены интенсивность космического излучения в зависимости от широты и высоты над уровнем моря.

Таблица 2 9. Интенсивность космических лучей для средних широт и экватора, а также различных высот над уровнем моря

Природная радиоактивность обусловлена радионуклидами естественного происхождения, присутствующими во всех оболочках Земли: литосфере, гидросфере, атмосфере и биосфере. Радиоактивные элементы условно могут быть разделены на три группы:

• радионуклиды, входящие в состав радиоактивных семейств, родоначальниками которых являются уран (²³⁸U), торий (²³²Th) и актиноуран (²³⁵Ас) (распад семейств урана, тория и актиноурана представлен на схеме 1);

• радиоактивные элементы, не входящие в семейства ⁴⁰К,⁴⁸Са, ⁸⁷Rb и др.;

• радиоактивные изотопы, непрерывно возникающие на Земле в результате ядерных реакций под воздействием космических лучей. Наиболее важные из них углерод (¹⁴С) и тритий (³Н).

Схема 1. Распад семейств урана (а), тория (б), актиноурана (в)

В табл. 30 приведены данные, характеризующие величину удельной активности основных радиоактивных изотопов и элементов, содержащих в своем составе эти изотопы.

Таблица 30. Характеристика основных естественных радиоактивных изотопов

Кроме указанных в табл. 30 радиоактивных изотопов, в формировании естественного фона участвуют продукты распада радио- активных семейств и прежде всего радон, торон и актинон.

Главным источником поступления в окружающую среду естественных радионуклидов, к настоящему времени широко распро- страненных во всех оболочках Земли, являются горные породы, происхождение которых неразрывно связано с включением в их состав всех радиоактивных элементов, возникших в период формирования и развития планеты. Благодаря непрерывным деструктивным процессам метеорологического, гидрологического, геохимического и вулканического характера, радионуклиды подверглись широкому рассеиванию.

Какой бы объем земного вещества мы ни взяли, в нем всегда можно найти несколько десятков химических элементов. Многие элементы можно обнаружить в виде следов - в ничтожно малом количестве. Например, в воздухе имеется самый редкий газ -

ксенон, составляющий всего четыре стотысячных процента (по массе). Однако при этом в каждом кубическом сантиметре воздуха содержится около миллиарда атомов ксенона. В воде мирового океана в растворенном виде насчитывают до 50 различных элементов. Атомы каждого из них могут быть найдены в капле воды.

Несмотря на ничтожно малое содержание отдельных элементов в морской воде, они могут оказывать значительное воздействие, вступая в биогеохимические процессы, происходящие здесь не- прерывно. Например, содержащийся в морской воде марганец в количестве одной десятимиллионной процента в результате биогеохимических процессов способствовал многомиллионному отложению, как, например, в Чиатуре (Грузия). Такое же явление (рассеяние) мы наблюдаем в горных породах. Даже самый чистый минерал горный хрусталь содержит в 1 г миллионы атомов других элементов.

Важное значение имеет то, что для ряда элементов нахождение в природе в рассеянном виде является характерным состоянием. К числу таких элементов относятся все естественные радионуклиды.

В настоящее время имеется относительное равновесие между поступлением радионуклидов в сферу круговорота и их количе- ством, которое выбывает из этого динамического процесса за счет образования осадочных пород и радиоактивного распада. В этих процессах главную роль играет вода как универсальный растворитель. Соприкасаясь с материалом пород при фильтрации через трещины и поры, вода растворяет и выносит из недр земной коры на ее поверхность целый ряд как стабильных, так и радиоактивных элементов. Кроме того, вода уносит с собой частицы пород и откладывает их в виде осадков на значительном удалении от места первичной эрозии. Масса переносимой взвеси, в том числе и радионуклидов, например, только водой рек довольно значительна. В табл. 31 дана характеристика этого явления для отдельных рек.

С водой рек выносится и значительное количество растворенных веществ. Так, только одна р. Миссисипи ежегодно выносит в мировой океан около 136 млн т различных растворенных солей. В результате этих процессов, происходящих на нашей планете многие миллионы лет, оказалось, что воды мирового океана содержат в растворенном состоянии поистине огромное количество естественных радиоактивных элементов. Так, в воде Тихого океана

содержится около 2,95 млрд т ⁴⁰К, что соответствует активности примерно 7,4?10²⁰ Бк.

Таблица 31. Ежегодный вынос в море взвешенных материалов (твердого стока) и их суммарная активность (по М.А. Великанову и Л.А. Перцову)

Значительное место в процессах миграции и круговорота радионуклидов в природе занимает растительный и животный мир.

Большая часть естественных радиоактивных элементов содержится в горных породах, образующих толщу земной коры. Сред- ние концентрации в них калия, тория, урана и радия приведены в табл. 32.

Таблица 32. Среднее содержание калия, тория, урана и радия в земных породах, %

Количество радиоактивных элементов, содержащихся в почве, в значительной мере определяется концентрацией радионуклидов в материнской породе. Почвы, возникшие из продуктов разрушения кислых магматических пород, содержат относительно больше урана, радия, тория и калия, чем почвы, образованные из ультраосновных и основных пород. Глинистые почвы за счет высокого содержания коллоидных фракций, хорошо сорбирующих и удер-

живающих радиоактивные изотопы, всегда богаче радиоактивными элементами, чем песчаные. Так, содержание урана в верхнем горизонте почв Среднерусской возвышенности колеблется в пределах от 1?10^-5 до 1,8?10^-4%, тория - от 2,3?10^-4 до 14?10^-4%, калия - от 0,3 до 2,6%.

Как правило, в почве отсутствует равновесие между предшественником и дочерним нуклидом вследствие их неодинаковых химических свойств. Вместе с тем повсеместно отмечают избыточное (по отношению к ²²⁶Ra) количество ²¹⁰РЬ в верхнем горизонте почв (0-5 см), причем запас избыточного ²¹⁰РЬ в верхних горизонтах почв колеблется в широких пределах. Считается, что основная причина накопления ²¹⁰РЬ в верхних слоях почвы - атмосферные выпадения, обусловленные атмосферными осадками и «сухими» выпадениями.

В отдельных районах земного шара есть зоны с повышенным содержанием радиоактивных элементов в горных породах и почвах, например районы Памира и Тибета, территории Бразилии, Индии, Франции, России. Так, в Индии в штате Керала, на территории которого проживает около 100 тыс. человек, содержание тория и его дочерних продуктов высокое (до 0,1%); в штате Рио-де-Жанейро (Бразилия), в районе монацитовых песков, где проживает до 50 тыс. человек, содержание ThO₂ в песках достигает 6,15%; в районах Франции, Памира и Тибета содержание урана и радия в породах вулканического характера высокое. Большой интерес представляет уровень радионуклидов в строительных материалах, изготовленных из различных пород; они по содержа- нию естественных радиоактивных элементов весьма многообразны. Удельная активность строительных материалов представлена ниже.

Естественная радиоактивность воздуха

Она обусловлена наличием радионуклидов, возникающих в атмосфере в результате воздействия космического излучения, радиоактивных газов, поступающих из верхних слоев земной коры, и их дочерних продуктов, радионуклидов, в результате жизнедеятельности человека и т.д.

Радионуклиды под воздействием космического излучения обязаны своим происхождением вторичному космическому излучению, имеющему в своем составе нейтроны различных энергий. Большая часть нейтронов, взаимодействуя с ядрами азота воздуха, дает начало радиоактивному углероду - ¹⁴С. Следует отметить, что подобного рода процессы наблюдаются только на высоте свыше 9000 м над уровнем моря. В результате воздействия космического излучения на азот атмосферы на нашей планете ежегодно возникает около 10 кг ¹⁴С, а общее количество его в атмосфере планеты составляет примерно 80 т. Образующейся в верхних слоях атмосферы радиоактивный углерод, соединяясь с кислородом, дает двуокись углерода, которая включается в обычный для углерода цикл обмена его между атмосферой, гидросферой, почвой и органическим миром. За многовековой период радиоактивный углерод равномерно распределился в стабильных изотопах, и равновесная концентрация в смеси изотопов составляет примерно 0,3 Бк на 1 г. Это соответствует концентрации радиоактивного углерода в атмосферном воздухе, равной 4,8?10^-5 Бк/л.

Другим радиоактивным изотопом, возникающим под воздействием космического излучения, является тритий (³Н), образующийся главным образом по реакциям ¹⁴N (n, ³Н) ¹²С и ¹⁶O (р, ³Н) ¹⁴О. Вследствие тех же причин, которые привели к повсеместному распространению ¹⁴C, содержание трития в окружающей среде в целом постоянно и очень мало и достигает по отношению к стабильному водороду 10^-14.

Под воздействием космического излучения появляются также бериллий-7, бериллий-Ю, фосфор-32, сера-35 и другие радиоак- тивные элементы. Последние вносят в дозу фонового облучения человека еще меньший вклад по сравнению с тритием, поэтому гигиенического значения они не имеют.

К радиоактивным газам, которые поступают из верхних слоев земной поверхности, относятся эманации, возникающие при рас-

паде дочерних продуктов урана (²²²Rn), тория (²²⁰Rn) и актиния (²¹⁹Rn). Скорость образования эманации в породах зависит от содержания в них родоначальников радиоактивных рядов. Каждый из образующихся газообразных изотопов в той или иной степени диффундирует в атмосферный воздух. При этом, естественно, радон при всех прочих равных условиях имеет большую возможность выхода в атмосферу, чем торон и актинон, так как период полураспада его составляет 3,8 сут, тогда как период полураспада торона равен 54 с, а актинона - 3,9 с. Содержание эманаций в грунте увеличивается с глубиной и достигает постоянных величин на глубине 5 м. Скорость поступления радиоактивных эманации в атмосферный воздух зависит от ряда причин: диффузии почвенных газов в сторону убывающей концентрации, конвекционных потоков воздушных масс в результате нагревания земной поверхности за счет солнечной радиации, изменения барометрического давления, глубины промерзания почвы, толщины снегового покрова и пр.

Поступление эманации в воздух возрастает при снижении атмосферного давления и падает почти до 0 во время таяния снегов и образования льда. Отмечаются сезонные колебания в ходе поступления радона с минимумом зимой и максимумом летом.

В результате непрерывного поступления радиоактивных газов из грунта в атмосферу наибольшие концентрации их обнаруживают в приземном слое, с высотой их содержание уменьшается.

Содержание радона и торона в атмосферном воздухе в зависимости от высоты приведено ниже.

Содержание радона в атмосферном воздухе в зависимости от высоты над земной поверхностью

Содержание торона в атмосферном воздухе в зависимости от высоты над земной поверхностью

В воздухе районов, горные породы которых содержат повышенное количество радионуклидов, концентрации эманации уве- личены, и, наоборот, они уменьшаются над поверхностями, сложенными из обедненных радиоактивными изотопами материалов. Так, активность атмосферного воздуха над сушей по радону - в среднем 4,8?10^-3 Бк/л, над океаном вблизи берегов - 1,4?10^-3 Бк/л, а над океаном вдали от берегов - 3,5?10^-5 Бк/л. В атмосферном воздухе значительно меньше (в 10-100 раз) содержание торона, чем радона. Еще меньший вклад в суммарную активность воздуха вносит актинон, в результате короткой продолжительности его жизни и сравнительно малой распространенности материнского элемента - актиноурана.

Радиоактивные эманации при распаде дают начало коротко- и долгоживущим активным аэрозолям (изотопы полония, висмута и свинца). Данные ряда авторов свидетельствуют о том, что α-активность воздуха по короткоживущим продуктам эманации в среднем составляет (1,8-2,5)?10^-3 Бк/л, β-активность - 22,2?10^-3 Бк/л. Удельная активность долгоживущих продуктов распада радона меньше: над сушей по ²¹⁰Bi она составляет от 1,1?10^-7 до 14,8?10^-7 Бк/л, а по ²¹⁰Ро - (2,5-5,5)?10^-8 Бк/л.

Кроме радиоактивных аэрозолей, возникающих в результате распада эманации, в приземном слое атмосферы содержатся и другие радиоактивные частицы естественного происхождения: частицы, поднимаемые ветром с поверхности земли, и частицы, образующиеся при высыхании капелек морской воды. Так, по оценке Л.А. Перцова, общая масса аэрозолей, создаваемых всей экваторией мирового океана, составляет (5-7)?10⁷ т/год, а суммар- ная активность их по ⁴⁰К ориентировочно - 17 ПБк. Эти аэрозоли

содержат также торий и другие радиоактивные изотопы, однако в целом удельная активность воздуха за счет этой группы радио- активных аэрозолей незначительна. Следует также отметить, что в воздухе городов с интенсивным движением транспорта и развитой промышленностью радиоактивность пыли обусловлена калием, а радиоактивность дыма - изотопами калия и углерода. Наконец, наблюдениями последних лет было установлено, что относительное содержание углерода несколько снижено в атмосфере промышленных городов, чем сельских районов. Последнее объясняется тем, что в городах сжигается ископаемое топливо, в котором содержание радиоактивного углерода за счет его естественного распада меньше, чем в биосфере.

Содержание радионуклидов в природных водах

Содержание радионуклидов в природных водах зависит от условий их формирования. Все воды можно условно разделить на ме- теорные, подземные, воды открытых водоемов суши (реки и озера), а также воды морей и океанов. Радиоактивность каждой из указанных вод имеет свои, присущие данным водам особенности.

Метеорные воды обычно малоактивны и содержат следы ³Н,¹⁴С, ⁷Ве, возникающих в результате взаимодействия космического из- лучения с атомами и молекулами атмосферного воздуха, а также ⁴⁰К, ²³⁸U, входящих в состав растворимых солей, попадающих в атмосферу в связи с эоловой (ветровой) эрозией земной поверхности.

Радиоактивность подземных вод зависит от условий их нахождения. По характеру залегания подземные воды могут быть водами первого водоносного горизонта (их иногда называют грунтовыми водами), скапливающимися на первом от поверхности водоупорном слое, и водами межпластовыми, находящимися между водоупорными слоями в толще осадочных пород. На радиохимический состав подземной воды влияет количество растворимых радионуклидов, которые содержатся в составе грунта, омываемого этой водой. Кроме того, на концентрацию радиоактивных изотопов в воде первого водоносного горизонта оказывают влияние климатические и метеорологические условия. Так, радиоактивность этой воды по ⁴⁰К в Голодной степи достигает 207 Бк/л, в степях Ферганы - 36 Бк/л, а в Карелии - 8,5 Бк/л. В водах глубокозалегающих и

более минерализованных, чем поверхностные, имеет место пропорциональное увеличение удельной активности с нарастанием общей концентрации солей. Радиоактивность подземных вод в основном обусловлена присутствием ⁴⁰К, ²²⁶Ra и ²²²Rn. Наименьшей активностью обладают подземные воды в осадочных породах, их чаще всего используют для водоснабжения населения, так как они содержат урана в среднем 5?10^-6 г/л, радия 7,4?10^-2 Бк/л и радона 1,85 Бк/л. Воды кислых магматических пород, например, воды трещиноватых гранитов, имеют более высокую активность по указанным элементам и могут содержать повышенное коли- чество ²²⁶Ra - до 3,7 Бк/л - воды курортов Цхалтубо, Истису в Закавказье, ²²²Rn 48 Бк/л - воды курортов Белокурихи, Железно- водска и др.

Высокие концентрации радия и урана обнаруживают в межпластовых водах нефтеносных районов.

Радиоактивность воды открытых водоемов суши зависит от химического состава пород и климатических условий. Степень ра- диоактивности речной воды обусловлена типом питания рек - поверхностным или грунтовым, причем на тип питания в свою очередь влияют смена сезонов года и метеорологические факторы. Как правило, поверхностные воды (дождевые, ледниковые, снеговые) содержат относительно меньше радионуклидов, поэтому в период паводка радиоактивность речной воды понижена. В межень, в период питания рек, в основном за счет подземных вод, удельная активность воды повышается. В зимний период в воде рек, покрывающихся льдом, накапливаются радон и торон. Радиоактивность речной воды обусловлена в основном присутствием ⁴⁰К, ²²⁶Ra, причем содержание ⁴⁰К колеблется в пределах от 3,7?10^-2 до 0,6 Бк/л, урана - от 2?10^-8 до 510^-5 г/л, радия - от 9,2?10^-3 до 7,4?10^-2 Бк/л.

Радиоактивность воды озер зависит от активности воды притоков и питающих озера подземных вод. В северных районах активность воды озер близка к активности воды рек. В южных районах, где испарение воды из озер превышает сток из них, накапливаются соли и соответственно повышается активность воды. Так, удельная активность воды центральных областей Казахстана по ⁴⁰К повышается до 3,7 Бк/л и более, особенно высока радиоактивность воды в солевых озерах, где она достигает 370 Бк/л.

Воды морей и океанов в зависимости от гидрологических и климатических условий различны по солевому составу. Определенные

колебания выявляют и в составе радионуклидов. Активность морской и океанской воды по ⁴⁰К находится в пределах 11-18 Бк/л, по ²³⁸U - 2?10^-6 г/л, по ²²⁶Ra - (2,2-3,7)?10^-2 Бк/л.

Радиоактивность растительного и животного мира

Радиоактивность растительного и животного мира обусловлена практически всеми теми радиоактивными изотопами, которые встречаются в природе, причем все они могут быть условно разделены на две группы.

К первой группе, сравнительно малочисленной, следует отнести такие радиоактивные изотопы, которые находятся в смеси со стабильными элементами, активно участвующими в обмене веществ и обеспечивающими функционирование всех органов и систем живой материи (например, ⁴⁰К, ¹⁴С, ³Н). В связи с этим содержание изотопов этой группы в организмах зависит от степени накопления стабильных элементов. Например, в горохе содержится 0,9% калия, а в сливочном масле - 0,014%, поэтому удельная активность гороха за счет ⁴⁰К равна 274 Бк/кг, а сливочного масла - 3,7 Бк/кг.

Другие радиоактивные изотопы (например, ²³⁸U, ²²⁶Ra, ²³²Th, ²¹⁰Pb, ²¹⁰Po) могут быть отнесены в такую группу, значимость которой в обменных процессах в настоящее время недостаточно изучена. Результаты многих исследований свидетельствуют о том, что содержание в растительных и животных организмах указанной группы изотопов зависит от их концентрации в окружающей среде. Так, в золе растений, выращенных на обычной почве, содержание урана в среднем составляет 3?10^-4 г/кг, а в золе растений, произрастающих на обогащенных ураном почве, - 2?10^-3 г/кг. Кроме того, следует отметить, что относительная эффективность накопления радиоактивных изотопов этой группы при резком увеличении их содержания в окружающей среде понижается.

Из первой группы изотопов главное место по величине создаваемой активности занимает изотоп калия - ⁴⁰К. Количество калия в растительных организмах по сравнению с его содержанием в земной коре меньше в 3-10 раз. Еще меньше, чем в породах, калия (в 10-15 раз) в организме животных. В табл. 33 приведены содержание калия и удельная активность по ⁴⁰К некоторых пищевых продуктов растительного и животного происхождения.

Таблица 33. Содержание калия и удельная радиоактивность по ⁴⁰К отдельных пищевых продуктов растительного и животного происхождения

На порядок меньше удельная радиоактивность биомассы по углеводу, чем по ⁴⁰К, активность по тритию ничтожна.

Основными изотопами второй группы, содержащимися в растениях и животных, являются ²²⁶Ra, ²¹⁰Pb, ²¹⁰Ро, а также изотопы урана и тория. Удельная активность ²¹⁰Rb и ²¹⁰Ро в растительной пище составляет от 0,02 до 0,37 Бк/кг. Различное содержание указанных нуклидов в продуктах растительного происхождения обусловлено разной сорбционной поверхностью растений. Содержание ²¹⁰РЬ и ²¹⁰Ро в чае особенно высокое (до 30,5 Бк/кг). В продуктах питания животного происхождения удельная активность ²¹⁰РЬ колеблется от 13,7 мБк (молоко) до 0,18 Бк/л, а ²¹⁰Ро - от 3,3 (молоко) до 0,13 мБк/кг (говядина). В среднем в суточном рационе жителя средних широт России содержится около 0,22 Бк ²¹⁰Ро, при отношении ²¹⁰Ро/²¹⁰РЬ, равном 0,73.

Содержание радия в отдельных пищевых продуктах растительного происхождения представлено ниже.

Содержание радия в пищевых продуктах растительного и животного происхождения

По данным отечественных ученых, содержание урана на порядок выше в пищевых продуктах растительного происхождения, чем животного. Так, в хлебе пшеничном содержание урана в среднем составляет 4,1?10^-7%, в гречневой крупе - 4,2?10^-7%, в говядине - 1,4?10^-8%, в рыбе - 1,1?10^-8%, в молоке - 4?10^-9%.

Суммарная радиоактивность растений и тканей животных за счет α-излучателей составляет 0,37 и 0,037 Бк/кг соответственно.

Таким образом, главным источником поступления в организм человека естественных радионуклидов является рацион, в котором преобладают продукты растительного происхождения.

Радиоактивность тела человека

Радиоактивность тела человека обусловлена присутствием в организме всех тех радиоактивных изотопов, которые встречаются в биосфере. Ориентировочное содержание наиболее распространенных радионуклидов приведено в табл. 34.

Радиоактивность всего ряда урана и тория с дочерними продуктами выше примерно в 10 раз. При оценке содержания радио- нуклидов в отдельных органах и системах человека необходимо рассмотреть в первую очередь радиоактивность, обусловленную присутствием изотопов (калия, углерода и водорода), которые обязательно входят в состав живых структур и без которых невозможно существование организма.

Таблица 34. Содержание естественных радионуклидов в теле человека

Суммарное содержание калия в организме взрослого человека (массой тела 70 кг) составляет 0,19% (130 г). Особенно богаты ка- лием ткани и органы с высокой функциональной активностью, т.е. скелетная мускулатура, нервная ткань, сердце, печень, селезенка и др. Основным депо калия в организме является мышечная ткань. Ввиду того что ⁴⁰К встречается в природе в смеси со стабильными изотопами в количестве 0,0119%, удельная радиоактивность органов и тканей тела человека по ⁴⁰К определяется содержанием в них стабильного изотопа (табл. 35).

Таблица 35. Содержание калия и ⁴⁰К в отдельных органах и тканях человека

Как показали результаты многих исследований, содержание калия, а следовательно, и ⁴⁰К в организме человека зависит от пола, возраста, массы тела, характера мышечной деятельности и т.д. Содержание калия в мышцах обычно выше у мужчин, чем у женщин, выше у лиц, выполняющих тяжелую физическую работу. Дистрофические изменения в мягких тканях при старении орга-

низма сопровождаются снижением уровня калия. Таким образом, отклонения концентрации калия в органах и системах отдельных индивидуумов по сравнению с указанными выше данными могут быть довольно значительными и достигать 150-200% и выше.

Общее содержание углерода в теле взрослого человека достигает 18%, т.е. около 12,6 кг. Учитывая равномерное распределение углерода в тканях, можно предположить, что удельная радиоактивность их по ¹⁴С составляет 52 Бк/кг.

Количество трития в организме практически постоянно и определяется содержанием стабильного изотопа (около 10,2% в мыш- цах и 6,4% в костях). Удельная активность мягких тканей тела человека за счет ³Н составляет 0,55 Бк/кг, костей - 0,34 Бк/кг.

В заключение следует указать, что активность тела человека, обусловленная присутствием ⁴⁰К, ¹⁴С и ³Н, в первую очередь зависит от количества стабильных элементов, содержание которых диктуется требованиями постоянства внутренней среды, определяемой функциональным состоянием организма. Возможные значительные колебания радиоактивности пищевых рационов за счет указанных изотопов в данном случае не имеют существенного значения.

Биологическая роль присутствующих в организме в ничтожно малом количестве радиоактивных изотопов, условно относимых ко II группе, до сих пор неизвестна. Избирательное накопление в отдельных органах и системах изотопов этой группы или их равномерное распределение можно объяснить химическими свойствами, близкими к свойствам биологически необходимых стабильных элементов. Из радионуклидов этой группы по содержанию в организма наиболее изучен радий. Этот изотоп, подобно кальцию и другим остеотропным элементам, накапливается преимущественно в костной ткани. Содержание радия в отдельных тканях и органах представлено ниже.

Содержание радия в отдельных органах и тканях человека

По данным разных авторов, количество радия в организме составляет от 0,48?10^-10 до 4,8?10^{-10 г.}

Основная часть ²¹⁰РЬ (до 70%) содержится в скелете. При большом его периоде полувыведения, равном 2000 сут, возможно накопление равновесного количества ²¹⁰РЬ. Удельная активность ²¹⁰РЬ в костной ткани составляет 15 Бк/кг, в мягких тканях - 6,4 Бк/ кг. С воздухом в течение суток в легкие человека поступает около 0,7 сБк ²¹⁰Ро, у человека, выкурившего 1 пачку сигарет в 1 сут, в легкие поступает его в 10 раз больше (до 0,07 Бк).

Общее содержание урана в организме невелико и составляет 8?10^-6-1?10^-5 г/г. На долю тория и его α-активных дочерних продуктов приходится до 40% суммарной α-активности тела человека. Кроме того, некоторое значение в радиоактивности тканей и органов имеет радон, при концентрации которого во вдыхаемом воздухе 0,01 Бк/л активность мягких тканей за счет α-излучателей может достигать 0,05 Бк/кг.

Приведенное выше содержание в организме человека радия, урана и других радиоактивных изотопов, относимых ко II группе, ориентировочно, и представить в среднем удельную активность органов и тканей в этом случае весьма затруднительно. Это связано с тем, что на степень радиоактивности отдельных органов и тканей тела человека, с одной стороны, влияют скорость обменных процессов и функциональное состояние организма, а с другой - определенная значимость содержания этой группы изотопов в рационе. При постоянном поступлении с рационом радионуклидов устанавливается равновесие между поступлением и выведением их из организма. При этом в отдельных органах и тканях создается равновесная концентрация. Если учесть, что содержание радио- нуклидов неодинаково не только в различных пищевых продуктах, но и в одном и том же продукте, выращенном в разных географических зонах, становится понятным значение этнических и экономических особенностей питания населения. В качестве примера можно рассмотреть радиоэкологическую цепочку лишайник - северный олень - человек. Значительная сорбционная емкость лишайников и длительный период жизни (до 300 лет) способствуют существенному накоплению ²¹⁰РЬ и ²¹⁰Ро в них - в среднем до 5,9 сБк/кг воздушно-сухой массы. Уровень накопления ²¹⁰РЬ и ²¹⁰Ро в организме северного оленя существенно зависит от сезона выпаса животного. Содержание этих нуклидов максимальное в

весенний период (кормовая база - лишайник) - 17 Бк/кг сырого мяса, в летний период (кормовая база - однолетние травы) удель- ная активность полония снижается примерно в 5 раз (такая зависимость от сезона для ²¹⁰РЬ отсутствует). Наблюдается накопление ²¹⁰РЬ и ²¹⁰Ро в костной ткани у коренных жителей-оленеводов (4,8 Бк/кг сырой ткани), превышающее их содержание в скелете в 10 раз и более по сравнению с лицами других профессий.

Из материалов, представленных выше, видно, что основным источником радиоактивных элементов, поступающих в организм человека, являются пищевые продукты. Вода в этом отношении имеет второстепенное значение, и только при повышении активности по радию до 0,037 Бк/л и выше ее роль в формировании радиоактивности тела человека возрастает.

Таким образом, радионуклиды рассеяны в биосфере и повсеместно присутствуют в земных породах, воде, воздухе, пищевых продуктах и теле человека. Важность этого явления в первую очередь обусловлена теми дозами фонового облучения, которому подвергается население нашей планеты.

9.2. Фоновое облучение человека

Фоновое облучение организма человека в зависимости от источников ионизирующего излучения бывает внешним и внутрен- ним.

К источникам внешнего облучения относят космические лучи, γ-излучение радионуклидов, содержащихся в породах, почве и строительных материалах, а также находящихся в воздухе; β-излучение в этом случае можно не учитывать, в связи с тем что уровень ионизации воздуха за счет β-частиц невысок, эффективный телесный угол облучения тела менее 2π, а органические вещества на поверхности земли и облицовочные материалы в помещениях, обладая малой удельной β-активностью, поглощают β-потоки от минералов и строительных конструкций.

Мощность γ-излучения от радионуклидов, содержащихся в воде морей и океанов, достигает 0,05 мкР/ч. В районах с повышенным количеством радиоактивных элементов (некоторые зоны в Бразилии, Индии, Франции, России) интенсивность γ-излучения особенно высокая. Так, в районе монацитных песков Бразилии она достигает 1 мкЗв/ч, в Индии - до 3 мкЗв/ч, в горных районах

Франции - 0,2-0,4 мкЗв/ч; в Пятигорске (Северный Кавказ) - до 2-3 мкЗв/ч.

В табл. 36 приведена мощность экспозиционных доз γ-излучения в зависимости от содержания в породах основных природных радионуклидов.

Таблица 36. Мощность доз внешнего γ-излучения от содержащихся в породах естественных радионуклидов

Как видно из таблицы, в зависимости от содержания этих элементов в породах мощность излучения может колебаться в широких пределах. Как правило, осадочные породы содержат меньше природных радионуклидов, чем магматические породы, создавая тем самым меньший (в 2-3 раза) уровень мощности излучения.

В табл. 37 и 38 приведено содержание ²²⁶Ra, ²³⁶Th и ⁴⁰К в основных строительных материалах по разным странам и России.

Таблица 37. Естественная радиоактивность строительных материалов в некоторых странах, Бк/кг

Таблица 38. Естественная радиоактивность строительных материалов в различных регионах, Бк/кг

Особый интерес представляет уровень γ-излучения в жилых зданиях. Дело в том, что, с одной стороны, в помещениях изменяется геометрия облучения тела человека (на улице она приближается к 2π, в помещении - к 4π), а с другой - мощность γ-излучения зависит от содержания радионуклидов в строительных материалах. Эквивалентная доза в зданиях, построенных из дерева, имеет наи- меньшую мощность - до 0,5 мЗв/год, большие дозы - в зданиях кирпичных - до 1 мЗв/год и железобетонных - до 1,7 мЗв/год.

Мощность эквивалентных доз в разных городах мира вне помещений приведена ниже.

Мощность эквивалентных доз в разных городах мира вне помещений

При оценке дозы, создаваемой космическим излучением, вопервых, исходят из того, что космическое излучение обладает высокой степенью жесткости, поэтому практически поглощенная доза в любых тканях и органах тела человека должна быть одинаковой. Во-вторых, не учитывают флюктуации фона за счет различного уровня солнечной активности, а также его изменения в зависимости от широты. Для расчета дозы, создаваемой космической радиацией, необходимо обратиться к ионизации воздуха за счет этой компоненты фонового облучения. Наиболее достоверной величиной ионизации воздуха для средних широт считается скорость ионизации, равная 1,94 пары ионов в 1 см³/с. Зная это значение, можно найти дозу, создаваемую в тканях тела человека по следующей формуле:

где Д_к - поглощенная доза за счет космического излучения; 1,94 - число пар ионов, возникающих в 1 см³ воздуха за счет

космических лучей; 3,6?10³ - число секунд в 1 ч; 24 - число часов в 1 сут; 365 - количество дней в году; 1,93?10⁹ - число пар ионов, возникающих при дозе 1 Р; 0,87?10^-2 - коэффициент перевода дозы из Р в Гр.

Таким образом, 0,28 мГр/год является средней дозой, которую получает население нашей планеты за счет космического излуче- ния. При оценке возможного биологического эффекта этого вида ионизирующего излучения необходимо знать ОБЭ для каждой составляющей космических лучей.

При расчете дозы, получаемой человеком за счет внешнего облучения, учитывают среднее время пребывания вне помещений и внутри них, пребывание вне помещений принимают равным 0,2, при этом годовая эффективная эквивалентная доза за счет γ-излучения земного происхождения вне помещений составит 6?10^-5 Зв. С учетом соотношения имеющихся на земном шаре зданий из дерева, кирпича и бетона, НКДАР при ООН оценивает усредненную по всему земному шару мощность поглощенной дозы в воздухе внутри помещений на уровне примерно 610^-8 Гр/ч. Время пребывания человека в помещениях - 80%, поэтому можно подсчитать, что годовая эффективная эквивалентная доза внутри помещений будет равна 2,9?10^-4 Зв, а суммарная годовая эффективная эквивалентная доза за счет внешнего облучения радионуклидами земного происхождения - 3,5?10^-4 Зв.

Излучение естественных радионуклидов, содержащихся в атмосфере, вызывает ионизацию воздуха примерно на 2 порядка меньше, чем γ-излучение пород и почвы, поэтому оно имеет ничтожный вклад в суммарный эффект.

Внутреннее облучение организма человека создается за счет ⁴⁰К, ¹⁴С, ²²⁶Ra, ²²²Rn, ²¹⁰Po и других радиоактивных элементов, содержащихся в организме. При вычислении мощности дозы, создаваемой тем или иным изотопом, исходят из среднего его содержания в теле «стандартного» человека, масса органов которого представлена ниже.

Масса органов и тканей «стандартного» человека

В качестве примера этих расчетов может служить вычисление мощности дозы для мягких тканей, создаваемой ⁴⁰К, по следующей формуле:

где 4440 - суммарная активность мягких тканей «стандартного» человека по ⁴⁰К, Бк; 0,6 - средняя энергия β-частиц, МэВ; 1,6?10^-6 - число эргов в 1 МэВ; 3,6?10³ - количество секунд в 1 ч; 24 - количество часов в 1 сут; 365 - количество дней в году; 70?10³ - масса «стандартного» человека, г; 10^-4 - коэффициент перехода от эрг/г к Гр.

При неравномерном распределении радионуклидов в организме используют значение удельной активности. Следует также помнить

о возможности определенного вклада в облучение дочерних продуктов распада; так, при расчете мощности дозы в костной ткани, создаваемой ²²⁶Ra, учитывают также дозу от дочерних продуктов - ²²²Rn, RaA, RaB, RaC.

В табл. 39 приведены данные по фоновому облучению человека.

Таблица 39. Годовые эффективные эквивалентные дозы облучения за счет природных источников ионизирующего излучения в регионах с нормальным радиационным фоном (зона умеренного климата)

В результате деятельности человека постепенно изменяется радиационный фон, что связано с использованием для целей строительства различных отходов в виде золы и шлаков объектов энергетики, черной и цветной металлургии, а также химической промышленности, применения удобрений, получаемых из природного минерального сырья (табл. 40, 41). В настоящее время вклад указанной компоненты природного радиационного фона в дозу облучения населения, как правило, не превышает 3-5 %. Вместе с тем назрела необходимость учета этого фактора в зонах с интенсивными промышленными отходами, используемыми в качестве основы для изготовления строительных материалов. Допустимые уровни содержания естественных радионуклидов в строительных материалах и удобрениях представлены в главе 5.

Таблица 40. Естественная радиоактивность строительных материалов, изготовленных из отходов производства, Бк/г