БИОГЕОХИМИЯ ПРИРОДНЫХ РАДИОНУКЛИДОВ

Естественные радиоактивные элементы — уран, радий, калий, торий и другие — широко распространены в природе и в рассеянном состоянии встречаются во всех природных образованиях — почвах, породах, воздухе и входят в состав тканей живых организмов.

Д.М. Гродзинский, 1965

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Природными, или естественными, называются все радионуклиды (ПРФ или ЕРФ), встречающиеся в природе и не изготовленные человеком. Разумеется, это совсем не означает, что они не могут быть искусственно получены. Между природными и искусственными радионуклидами нет принципиальных различий, поскольку их свойства не зависят от способа образования.

Природные радиоактивные элементы планеты Земля можно условно разделить на две группы: космогенные и первичные. Первую группу составляют радиоактивные элементы, возникающие в настоящее время в результате ядерных реакций, протекающих в земной атмосфере под действием космического излучения, например тритий ³Н и радиоуглерод ¹⁴С. К этой же группе можно отнести продукты ядерных реакций, возникающих под действием нейтронов космических лучей.

Космическое излучение — составляющая природного радиационного фона Земли, которая испытывает постоянное воздействие потоков частиц, предположительно образующихся в Галактике при взрывах сверхновых звезд. Галактическое излучение состоит из частиц с очень высокими значениями энергии (около 10⁴, иногда до 10¹³ МэВ). В основном это — ядра водорода, т.е. протоны (-86%), а также ядра гелия (-13%) и других элементов, от С до Ге (-1%). При прохождении через атмосферу первичные космические частицы образуют мощные ливни вторичного излучения, в результате чего на верхней границе атмосферы, на высотах около 40 км, общая интенсивность излучения начинает возрастать и достигает максимального, приблизительно удвоенного значения на высоте около 20 км. Ниже, в плотных слоях атмосферы, происходит быстрый спад интенсивности излучения из-за поглощения его компонентами воздуха, а у

поверхности Земли плотность потока становится примерно в 50 раз меньше, чем на высоте 20 км. В магнитном поле Земли положительно заряженные частицы отклоняются в сторону полюсов, поэтому у экватора интенсивность космического излучения ниже (приблизительно на 15%), а в высоких широтах выше, чем в средних.

После прохождения атмосферы космическое излучение существенно трансформируется и на уровне моря состоит в основном из мюонов (-80%) и электронов (-20%), а также нейтронов и фотонов. Мюон — неустойчивая частица с массой около 210 массы электрона. Мюоны образуются от взаимодействия нуклонов и у- фотонов очень высоких энергий. Мюонные потоки представляют собой очень жесткое излучение, способное проходить даже через метровые слои свинца; некоторая часть этого излучения обнаруживается на глубине до нескольких километров от поверхности Земли или океана. Нейтронная компонента космического излучения является преобладающей на высотах более 6 км. Нейтроны, образующиеся при взаимодействии космического излучения со стабильными ядрами, ответственны за образование космогенных нуклидов.

Часть космического излучения в виде протонов — солнечного происхождения («солнечный ветер»), но она очень мала по сравнению с галактическими излучениями. Увеличение активности Солнца приводит к изменениям магнитного поля Земли («магнитным бурям»), что в некоторой степени влияет на интенсивность космического излучения. Периодические вспышки солнечной активности приводят к временному повышению интенсивности на высотах около 10—12 км — там, где проходят трассы дальних авиаполетов. Но даже при спокойном Солнце во время высотных рейсов пилоты получают значительную дозовую нагрузку от ионизирующего излучения. В еще большей степени это касается астронавтов, выполняющих космические полеты.

Космическое излучение вносит существенный вклад в дозовую нагрузку ионизирующих излучений на человека — около 15% от суммы воздействия всех источников.

Космогенные радионуклиды сравнительно многочисленны (табл. 4.1). Однако только единицы из них имеют значимое экологическое значение, в частности — первые 4 представителя таблицы. Остальные образуются в очень небольших количествах — 1,4*10^-3 атомов на см² поверхности Земли в секунду и менее.

Первичные радионуклиды образовались в догеологический период эволюции земного вещества, когда происходил синтез химических элементов, в том числе радиоактивных изотопов. За последние 3—5 млрд лет в земных условиях они испытывали только необратимый процесс радиоактивного распада.

Та бл и ца 4.1

Характеристика естественных радионуклидов, индуцированных космическим

излучением (Алексахин и др., 1991)

Первичные радионуклиды можно разделить на 2 группы. В первую группу входят элементы не связанные генетически, т.е. не образующие радиоактивных семейств: ⁴⁰К, ⁸⁷ЯЬ, ⁴⁸Са, ^%7г, ¹¹³1п, ¹¹⁵1п, ¹²⁴8п, ¹³⁰Те, ¹³⁸Ьа, ¹⁴⁴Ш, ^|475ш, ¹⁷⁶Ьи,^|80^ ^|87Яе, ²⁰⁹Ей и другие. Кроме ⁴⁰К, имеющего важное значение в биогеохимических процессах, большинство этих элементов мало распространены в природе, характеризуются большим периодом полураспада, и сумма выделяемой ими энергии не имеет практического значения (табл. 4.2). Ко второй группе относятся радионуклиды, входящие в состав трех радиоактивных семейств:²³⁸У, ²³⁵и и ²³²ТЬ.

Характеристика некоторых естественных радионуклидов

Таблица 4.2

Примечание: э.з. — электронный захват.

Преобладающее число естественных радионуклидов относится к тяжелым металлам (7. = 82—90), причем радионуклиды от полония (7 = 84) до урана включительно (7 = 90) в стабильном состоянии вообще не известны. Это так называемые радиоактивные элементы, все изотопы которых радиоактивны. Всего в настоящее время известно свыше 70 природных радионуклидов, относящихся к 38 элементам. Не исключено, что по мере повышения чувствительности измерительных приборов и радиохимических методов список природных радионуклидов еще несколько пополнится.

Природные радионуклиды формируют неодинаковую дозовую нагрузку на человека (табл. 4.3). Так, космическое излучение ответственно за 15% внешнего облучения, а вклад радиоуглерода очень мал — менее 1%. Более половины — 51% — вклад в облучение (внутреннее) составляет ²²²Яп и 7% — его изотоп ²²⁰Яп (конечно, за счет очень короткого времени существования — период полураспада этого радиоизотопа — 56 с). Соотношение между воздействием излучений на человека от естественных источников при внешнем и внутреннем облучении приблизительно 1/3 и 2/3 соответственно.

Таблица 4.3

Средние значения дозы от естественных источников (НКДАР ООН, 1988)

Естественные радиоактивные элементы в рассеянном состоянии содержатся во всех природных образованиях. Обнаруживаются они и в тканях растений, животных и человека. Радиоактивность растений обусловлена накоплением радиоактивных веществ, находящихся в почве, подстилающих породах и в воздухе. Из растений, воды и воздуха природные радионуклиды по пищевым цепям поступают в организм животных и человека.

При изучении естественной радиоактивности живых организмов необходимо помнить, что на протяжении всей эволюции жизни на Земле их развитие происходило при непременном содержании в субстратах естественных радиоактивных элементов и обусловленном ими облучении. Естественная радиоактивность представляет собой природный фактор среды, в которой происходит как онтогенетическое развитие организмов, так и их филогенез.