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)
Радио нуклид |
Скорость образования, ат./(см2*с) |
т 1 1/2 |
Радио нуклид |
Скорость образования, ат./(см2*с) |
т * 1/2 |
Зн |
0,20 |
12,34 года |
32 р |
8,1 • 10-4 |
14,3 сут. |
7Ве |
8,1 • 10-2 |
53,2 сут. |
33 р |
6,8 • 10-4 |
25,3 сут. |
10 Ве |
4,5 • 10~2 |
1,6 • Ю6 лет |
35Б |
1,4- 10-3 |
87,5 сут. |
|4С |
2,5 |
5730 лет |
38Б |
4,9- 10“5 |
2,84 ч |
22]Ч1а |
8,6- 10-5 |
2,6 года |
34тС1 |
2,0- 10-4 |
32,0 мин |
24№ |
О О ел |
15 ч |
36С1 |
1,1 • ю-3 |
3,01 ? 10элет |
28М§ |
1,7- 10-4 |
20,9 ч |
38С1 |
1 О о_ сч |
37,2 мин |
26А1 |
1,4- 10-4 |
7,2*105 лет |
39С1 |
1,4-10-3 |
55,6 мин |
31Б1 |
4,4 • 10-4 |
157,3 мин |
39Аг |
5,6 • 10-3 |
269 лет |
32Б1 |
1,6- і о-4 |
155 лет |
81Кг |
1,5- 10“7 |
2,29 ? 105 лет |
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
Радио нуклид |
% в смеси изотопов |
Ту2, год |
Тип распада |
Радио нуклид |
% в смеси изотопов |
Тщ, год |
Тип распада |
48Са |
0,185 |
1,9- 1018 |
г |
138Ьа |
0,089 |
О о |
р- |
50у |
0,24 |
1,5- 1017 |
р-, э.з. |
144Ш |
23,87 |
2,3- 1015 |
а |
113Сс1 |
12,26 |
9,3- 1015 |
р- |
|475ш |
15,07 |
1,06- 10й |
а |
1151п |
95,77 |
4,4- 1014 |
р- |
187 Яе |
62,93 |
о о |
р- |
130Те |
34,49 |
1,0- 1021 |
р- |
90р{ |
0,0127 |
6,5- 10" |
а |
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)
Источники облучения |
Внешнее облучение |
Внутреннее облучение |
В сумме |
||
мЗв/год |
% |
мЗв/год |
% |
% |
|
Космогенные |
|||||
Космические лучи |
0,36 |
15 |
— |
— |
15 |
|4с |
— |
— |
0,015 |
0,6 |
0,6 |
Радионуклиды элементов, входящих в состав земной коры |
|||||
40 К |
0,15 |
6 |
0,18 |
8 |
14 |
Семейство 238и (без 222Яп) |
0,10 |
4 |
0,02 |
0,8 |
5 |
222 Ют |
— |
— |
1,22 |
51 |
51 |
Семейство 232ТЬ (без 220Яп) |
0,16 |
7 |
0,02 |
0,8 |
8 |
220 Яп |
— |
— |
0,16 |
7 |
7 |
Всего |
~0,8 |
32 |
~1,6 |
68 |
-100 |
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.