Глава 5. Естественные источники ионизирующих излучений

Радиационный фон Земли складывается из трех составляющих:

• излучений, обусловленных космическим излучением;

• излучений от рассеянных в земной коре, почве, воздухе, воде, и других объектах окружающей среды естественных радионуклидов;

• излучений от искусственных радионуклидов, образовавшихся при испытаниях ядерного оружия или поступивших во внешнюю среду от предприятий атомной промышленности, атомной энергетики и т.д.

Кроме первых двух составляющих, определяющих ЕСТЕСТВЕННЫЙ РАДИАЦИОННЫЙ ФОН, выделяют так называемый ТЕХНОЛОГИЧЕСКИ ИЗМЕНЕННЫЙ ЕСТЕСТВЕННЫЙ РАДИАЦИОННЫЙ ФОН, который определяется излучением от естественных источников ионизирующего излучения, которое не имело бы места, если бы не использовался бы некий технологический процесс. Причинами такого измененного фона могут являться выбросы тепловых электростанций, строительная индустрия, полеты на самолете и т.п.

Космическое излучение

Космическое излучение подразделяют на галактическое и солнечное, различают первичное и вторичное космическое излучение. ПЕРВИЧНОЕ ГАЛАКТИЧЕСКОЕ КОСМИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ представляет собой поток частиц, падающих на земную атмосферу и идущих из глубин космоса. Природа его неизвестна. Оно состоит в основном из протонов (примерно 90%) и α-частиц. В небольшом количестве в нем присутствуют ядра легких элементов. Отсутствие в составе первичного излучения фотонов и электронов связано с их поглощением скоплениями космической пыли в межзвездном пространстве. Энергия такого излучения огромна и колеблется в диапазоне от 1 до 10¹⁴ МэВ, что в миллиард раз превышает уровень энергий, достигнутый на самых современных ускорителях. При энергиях свыше 10³ МэВ плотность потока протонов экспоненциально падает с увеличением энергии. При энергии меньше 10³ МэВ состав первичного космического излучения сильно меняется. На него воздействует магнитное поле Земли, которое отклоняет низкоэнергетическое излучение обратно в космическое пространство. Первичное галактическое космическое излучение в результате взаимодействия с атомами элементов атмосферы почти полностью исчезает на высоте 20 км.

ПЕРВИЧНОЕ СОЛНЕЧНОЕ КОСМИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, образуется во время солнечных вспышек, характеризуется относительно низкой энергией ( 40–50 Мэв) и не приводит к существенному увеличению дозы внешнего облучения на поверхности земли. Однако в верхних слоях атмосферы мощность поглощенной дозы может на очень короткое время увеличиваться в 100 и более раз.

ВТОРИЧНОЕ КОСМИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ имеет гораздо более сложный состав и состоит практически из всех известных в настоящее время элементарных частиц. Оно образуется в результате ядерных взаимодействий между первичным излучением и ядрами элементов, входящих в состав земной атмосферы. Каждая частица из первичного излучения благодаря высокой энергии вызывает целый каскад частиц, которые в свою очередь, взаимодействуя с ядрами, вызывают ряд следующих ядерных превращений. У поверхности Земли вторичное излучение состоит в основном из фотонов, электронов, позитронов, других ядерных частиц, а также небольшой доли нейтронов. Нейтронная компонента возникает в результате расщепления ядер высокоэнергетическими частицами. Максимальная интенсивность вторичного космического излучения наблюдается на высоте 20–25 км. На высотах свыше 40–50 км преобладает первичное излучение.

В результате взаимодействия первичного и вторичного излучения с ядрами элементов атмосферы образуются, так называемые, КОСМОГЕННЫЕ РАДИОНУКЛИДЫ. К космогенным радионуклидам относятся: ³H, ⁴Be, ¹⁴C, ²²Na, ³²P, ³⁵S, ³⁶Cl, ³⁹Cl, ⁸⁵Kr и др. В таблице 5.1 приведены данные о скорости образования и периоде полураспада основных космогенных радионуклидов.

Таблица 5.1.

Данные об образовании и распределении основных космогенных радионуклидов (³H, ⁷Be, ¹⁴C, ²²Na)

Характеристики нуклида	3H	7Be	14C	22Na
Период полураспада	12,3 года	53,6 сут	5730 лет	2,62 года
Число атомов, образующихся в единицу времени на единицу площади земной поверхности, атом/(см2·с): в тропосфере во всей атмосфере	8,4·10-2 0,25	2,7·10-2 8,1·10-2	1,1 1,6–2,5	2,4·10-5 8,6·10-5
Суммарная активность, ПБк ПБк = 1015 Бк	1300	37	8500	0,4

Учитывая состав и энергию космического излучения у поверхности Земли, коэффициент его качества принято считать 1,1. Основными космогенными радионуклидами – источниками внешнего облучения – являются ⁷Be, ²²Na, ²⁴Na. Средняя суммарная эквивалентная доза внешнего облучения, создаваемая всеми компонентами космического излучения на уровне моря в год составляет 0,32 мЗв или 32 мбэр. На высоте 4–5 км величина этой дозы составляет уже 5 мЗв в год или 0,5 бэр. При орбитальных полетах космонавты подвергаются сравнительно небольшому облучению – 0,05 мЗв/сут или 5 мбэр/сут и для таких полетов не требуется специальной защиты.

Приводимые выше цифры относятся к дозам, получаемым за счет внешнего облучения. Доза за счет внутреннего облучения, формируемая космогенными радионуклидами, невелика и из более, чем двадцати таких элементов, заметный вклад в дозу вносят лишь два:

тритий (изотоп водорода) – ³Н и изотоп углерода – ¹⁴С.

Тритий с периодом полураспада 12,3 года в основном входит в состав молекулы воды и в этом виде участвует в круговороте воды в природе. Радиоактивный углерод (Т_1/2 – 5730 лет) находится в равновесном состоянии со стабильными изотопами углерода, что используется в так называемом радиоуглеродном анализе. До тех пор, пока растения, животные и человек живут, соотношение между углеродом-12 и углеродом-14 в них такое же, как и в окружающей среде. После смерти живого организма за счет распада углерода-14 это соотношение меняется. Определив в ископаемых останках указанное соотношение и, зная период полураспада углерода-14, можно довольно точно определить момент смерти живого организма, время, в котором он жил. В целом же следует отметить, что доза внутреннего облучения за счет космогенных радионуклидов не превышает величину, равную 0,015 мЗв/год (1,5 мбэр/год).

Таким образом, суммарная мощность эквивалентной дозы, получаемой от космического излучения, составляет приблизительно 0,33мЗв/год или 33 мбэр/год.