Оцінка радіаційного фону

     Тема: Оцінка рівня радіаційного фону 

     Теоретична  частина

     Випромінювання  з дуже високою енергією, яке здатне вибивати електрони з атомів та приєднувати  їх до інших атомів з утворенням пар позитивних та негативних іонів, називається іонізуючим випромінюванням. Світло та більша частина сонячного випромінювання не володіє такою здатністю. Вважається, що іонізація є основною причиною радіаційного пошкодження цитоплазми, та, що ступінь пошкодження пропорційний числу пар іонів, що утворились в поглинаючій речовині. Джерелом іонізуючого випромінювання слугують радіоактивні речовини, що містяться в гірських породах; крім того, воно надходить з космосу. Ті ізотопи елементів, які випускають радіоактивне випромінювання, називаються радіоактивними ізотопами, чи радіонуклідами.

     Інтенсивність іонізуючого випромінювання в оточуючому середовищі значно підвищилась в  результаті спроб людини використовувати  атомну енергію. Випробування ядерної  зброї привнесли в атмосферу  радіонукліди, які потім стали  випадати повсюдно у вигляді радіоактивних опадів. Біля 10% енергії ядерної зброї являють собою залишкову радіацію. Атомні електростанції, отримання палива для них та захоронення відходів у спеціальних місцях, медичні дослідження та інші види мирного використання атомної енергії створюють локальні «гарячі плями» та утворюють відходи, які нерідко в процесі транспортування чи зберігання потрапляють в навколишнє середовище.

     З трьох видів іонізуючого випромінювання, що мають важливе екологічне значення, два являють собою корпускулярне  випромінювання (альфа- та бета-частинок), а третє – електромагнітне випромінювання (гамма-випромінювання та близьке йому рентгенівське випромінювання). Корпускулярне випромінювання складається з потоку атомних та субатомних частинок, які передають свою енергію всьому, з чим вони стикаються. Альфа-випромінювання – це ядра атомів гелію; вони мають великі, в порівнянні з іншими частинками, розміри. Довжина їх пробігу в повітрі складає всього кілька сантиметрів, їх зупиняє листок паперу та верхній роговий шар шкіри людини. Однак, будучи зупиненими, вони викликають сильну локальну іонізацію. Бета-випромінювання – це швидкі електрони. Їх розміри набагато менші, довжина їх пробігу в повітрі дорівнює декілька метрів, а в тканинах – кілька сантиметрів. Свою енергію вони віддають на протязі більш довшого шляху поширення. Що стосується іонізуючого електромагнітного випромінювання, то воно подібне до світлового, тільки довжина хвилі у нього набагато коротша. Воно поширюється в повітрі на великі відстані та легко проникає у речовину, вивільняючи свою енергію на протязі довгого шляху поширення (розсіяна іонізація). Гамма-випромінювання, наприклад, легко проникає в живі тканини; це випромінювання може пройти крізь організм, не здійснюючи жодного впливу, або ж може викликати іонізацію на великому відрізку свого шляху. Дія гамма-випромінювання залежить від розміру джерела та енергії, а також від відстані між організмом та джерелом випромінювання, оскільки інтенсивність випромінювання експоненціально падає із збільшенням відстані. Таким чином, в послідовності альфа-, бета- та гамма-випромінювання проникність збільшується, а густина іонізації та локальне пошкодження зменшується. Біологи нерідко називають радіоактивні речовини, що випромінюють альфа- та бета-частинки, «внутрішніми випромінювачами», так як найбільш негативний вплив вони справляють при потраплянні всередину організму. Радіоактивні речовини, що випромінюють переважно гамма-випромінювання, відносять до «зовнішніх випромінювачів», так як цей вид випромінювання здатний здійснювати вплив, коли його джерело знаходиться поза організмом.

     Деякі інші типи випромінювання також знаходяться  у полі зору екологів. Нейтрони –  це великі незаряджені частинки, які  самі по собі не викликають іонізацію, однак, вибиваючи атоми з їх стабільних станів, створюють наведену радіоактивність в нерадіоактивних матеріалах чи тканинах, крізь які вони проходять. При рівній кількості поглинутої енергії «швидкі нейтрони» викликають в 10, а «повільні» - в 5 разів більші ураження, ніж гамма-випромінювання. Нейтронне випромінювання виявляється поблизу реакторів та в місцях ядерних вибухів, але, як було сказано вище, воно відіграє основну роль при утворенні радіоактивних речовин, які потім широко поширюються в природі. Рентгенівське випромінювання являє собою електромагнітне випромінювання, дуже близьке до гамма-випромінювання, але воно обумовлене вибиванням електронів з зовнішніх електронних оболонок; крім того, воно не випромінюється радіоактивними речовинами, розсіяними в оточуючому середовищі. Оскільки дія рентгенівського та гамма-випромінювань однакова та оскільки  рентгенівське випромінювання легко отримувати на спеціальній установці, його застосовують при експериментальному вивченні окремих особин, популяцій та навіть невеликих екосистем. Космічне випромінювання – це випромінювання, що приходить до нас з космічного простору, та складається з корпускулярної та електромагнітної компонент. Інтенсивність космічного випромінювання в біосфері мала, однак воно являє собою основну небезпеку при космічних експедиціях. Космічне та іонізуюче випромінювання, джерелом яких є природні радіоактивні речовини, що містяться у воді та грунті, утворюють так зване фонове випромінювання, до якого адаптована існуюча нині біота. Можливо, що потік генів у біоті підтримується завдяки наявності цього фонового випромінювання. В різних частинах біосфери природний фон різниться в три-чотири рази. Найменша його інтенсивність спостерігається біля поверхні моря та в його поверхневих шарах, а найбільша – на великих висотах в горах, утворених гранітними породами. Інтенсивність космічного випромінювання збільшується із збільшенням висоти місцевості над рівнем моря, а гранітні скелі містять більше радіонуклідів, ніж осадові породи.

     Для вивчення радіаційних явищ необхідно  проводити два типи вимірювань: 1)вимірювання числа розпадів, що відбуваються в даній кількості радіоактивної речовини; 2)вимірювання дози випромінювання за кількістю поглиненої енергії, яка може викликати іонізацію та пошкодження.

     Основною  одиницею активності слугує кюрі (Кі), що визначається як така кількість радіоактивного матеріалу, в якому кожну секунду розпадається 3,7*10¹⁰ атомів, тобто відбувається 2,2*10¹² розпадів за хвилину (розпад*хв.^-1). Реальна маса речовини, що відповідає 1 кюрі, різниться у довгоживучих та у короткоживучих радіонуклідів. Наприклад, для радія 1 кюрі відповідає 1 г, а для щойно утвореного радіоактивного натрію – набагато менша кількість – приблизно 10^-7 г. З біологічної точки зору 1 Кі – активність доволі висока, і тому на практиці широко використовують менші одиниці: мілікюрі (мКі), мікрокюрі (мкКі), нанокюрі (нКі), пікокюрі (пКі). Можливий діапазон активностей настільки великий, що слід бути уважним до ком в десяткових дробах. Активність, виражена в кюрі, показує інтенсивність альфа-, бета- чи гамма-випромінювання, але не дає інформації про вплив, який чинять ці випромінювання на живі організми.

     Інший важливий аспект випромінювання –  його доза – вимірюється в різних шкалах.  Найбільш зручною одиницею для всіх типів випромінювання є  рад. Один рад – це така доза випромінювання, за якої на 1 г тканини поглинається 100 ерг енергії. Більш стару одиницю дози – рентген (Р) – можна використовувати тільки для гамма- та рентгенівського випромінювання. Однак, коли мова йде про вплив на живі організми, рад і рентген – майже одне й те саме. Одиниці, що в 1000 разів менше, а саме мілірентген (мР) або мілірад (мрад), зручні для вимірювання тих рівнів випромінювання, які часто реєструються в оточуючому середовищі. Важливо підкреслити, що рентген чи рад – це одиниці сумарної дози. Доза випромінювання, що отримана за одиницю часу, називається потужністю дози. Так, якщо організм отримує 10 мР за годину, то сумарна доза за 24 години складе 240 мР, або 0,240 Р. Час, за який організм отримує дану дозу, має дуже важливе значення.

     Прилади, що використовуються для вимірювання  іонізуючого випромінювання, складаються  з двох основних частин: 1)детектора  та 2) електронного лічильника. Для вимірювання  інтенсивності бета-випромінювання зазвичай використовують газові детектори, наприклад, лічильник Гейгера, а для вимірювання інтенсивності гамма- та інших типів випромінювання широко використовують тверді та рідинні сцинтиляційні детектори (вони містять речовини, які перетворюють невидиме випромінювання у видиме світло, що реєструється фотоелектричною системою).

     В цілому іонізуюче випромінювання здійснює на більш високо розвинуті та складні  організми більш пошкоджуючий чи згубний вплив; людина відрізняється  особливою чутливістю. Наприклад, доза 200 рад викликає загибель зародків деяких комах на стадії дроблення, доза 5000 рад призводить до стерильності деяких видів комах, але для того, щоб вбити усіх дорослих особин більш стійких виді, знадобилась би доза в 100000 рад. Взагалі, ссавці володіють найбільшою чутливістю, а мікроорганізми найбільш стійкі. Насіннєві рослини та нижчі хребетні знаходяться між комахами та ссавцями. Як показують дані більшої частини досліджень, найбільш чутливі до опромінення клітини, що швидко діляться (цим пояснюється зниження чутливості з віком). Тому будь-який компонент системи (будь то частина організму, одна особина чи популяції), що характеризуються швидкими темпами росту, виявиться, певно, вразливим до порівняно низького рівня випромінювання незалежно від свого систематичного положення.

     Вплив низьких хронічних доз виміряти складніше, так як вони можуть викликати віддалені генетичні та соматичні наслідки. Наприклад, хронічне опромінення сосни (яка має порівняно високу чутливість) на протязі 10 років при дозі 1Р за добу (сумарна доза 25000 Р) викликає приблизно теж саме зменшення швидкості росту, як і гостра доза 60 Р. Будь-яке підвищення рівня випромінювання в середовища над фоновим чи навіть просто високий природний фон може підвищити частоту шкідливих мутацій (так само діють багато хімічних речовин, що потрапляють в навколишнє середовище, та харчові добавки, що вносяться в їжу людини).

     У вищих рослин чутливість до іонізуючого  випромінювання прямо пропорційна  розміру кліткового ядра, а точніше  – об’єму хромосом чи вмісту ДНК. В  лабораторні досліди показують, що у різних рослин об’єм хромосом, а з ним і чутливість до опромінення може різнитися на три порядки. В польових умовах чутливість визначається іншими факторами, зокрема  ступенем екранованості чутливих, ростучих чи регенеруючих частин.

     У вищих тварин не знайдено такої простої чи прямої залежності між чутливістю та будовою клітки; для них більш важливе значення має чутливість окремих систем органів. Так, ссавці дуже чутливі навіть до низьких доз внаслідок слабкої стійкості до пошкоджуючої дії випромінювання кровотворної тканини кісткового мозку. Чутливим також є кишковий тракт, а пошкодження в мозку спостерігаються тільки при доволі високих рівнях опромінення. Навіть дуже низькі рівні хронічно діючого іонізуючого випромінювання можуть викликати в кістках та інших чутливих тканинах пухлинний ріст, що може проявитися лише через багато років після опромінення (як встановлено для солдат, що буди опромінені при перших випробуваннях ядерної зброї). Питання про те, чи існує певний поріг, на якому можна засновувати «допустимий рівень» чи будь-яке перевищення фонової радіації небезпечне, ще не вирішений; він багато обговорюється в рамках спроб оцінити ризик та користь від мирного використання атомної енергії.

     Дослідження по вивченню впливу гамма-випромінювання на екосистеми показали, що поблизу потужних джерел випромінювання не може вижити ні одна вища рослина чи тварина. Сповільнення росту рослин та зменшення видового різноманіття тварин відмічалось навіть при таких низьких рівнях, як 2-5 рад за добу. Деякі стійкі лісові дерева чи пустельні кущі виживали при доволі високій дозі опромінення (10-40 рад за добу), рослинність в цілому була пригнічена та чутливою до дії комах та хвороб.

     Потрапляючи в навколишнє середовище, радіонукліди часто розсіюються та розбавляються, але вони можуть різними способами накопичуватися в живих організмах при переміщенні по трофічному ланцюгу. Ці явища об’єднують загальною назвою «біологічне накопичення». Радіоактивні речовини можуть також просто накопичуватися у воді, грунті, опадах чи в повітрі, якщо швидкість їх потрапляння перевищує швидкість природного радіоактивного розпаду. Тому невелика і, здавалось би, нешкідлива кількість радіоактивних речовин може стати незабаром смертельно небезпечною.

     Відношення  вмісту будь-якого радіонукліду в організмі до його вмісту в навколишньому середовищі часто називають коефіцієнтом накопичення. Хімічні властивості радіоактивних ізотопів схожі з хімічними властивостями нерадіоактивних ізотопів того ж елементу. Отже, накопичення радіоактивного ізотопу в організмі не пов’язано з його радіоактивністю, а просто у вимірній формі демонструє різницю концентрацій даного елементу в середовищі та в організмі. Так, радіоактивний йод (¹³¹І) накопичується в щитовидній залозі точно так же, як і йод нерадіоактивний. Крім того, деякі з штучних радіонуклідів накопичуються в організмах завдяки своїй хімічній спорідненості з біогенними елементами, які в нормі концентруються в організмах.

     Щоб продемонструвати цю тенденцію до накопичення, розглянемо два найбільш небезпечних довгоживучих радіоактивних ізотопи;  які є побічними продуктами поділу ядер урану. Стронцій-90 (⁹⁰Sr) включається в кругообіг подібно до кальцію; цезій-137 (¹³⁷Cs) поводить себе як калій. Оскільки, кровотворна тканина кісткового мозку особливо чутлива до бета-випромінювання ⁹⁰Sr, збільшення концентрації стронцію в кістках має негативні наслідки.

     Коефіцієнти накопичення часто бувають більші в бідних на біогенні елементи грунтах  та водах, ніж в багатих. Більш  інтенсивне накопичення спостерігається  також в бідній рослинності, наприклад, на покритих лишайниками скелях арктичної тундри.