Курс лекций Ставрополь, 2015 содержание стр. Введение лекция Введение в радиобиологию. Тема физические основы радиоэкологии лекция 2: Физическая характеристика атомов и радиоактивный распад ядер

Тема 4. МИГРАЦИЯ РАДИОНУКЛИДОВ Лекция 9: Распространение радионуклидов в атмосфере. Физические и химические формы существования радионуклидов – общие аспекты. Процессы переноса в атмосфере. Фракционирование радионуклидов. Осаждение радиоактивных аэрозолей на земную поверхность. 1. Физические и химические формы существования радионуклидов – общие аспекты. Радионуклиды могут существовать в различных физических и химических формах в зависимости от условий выброса и переноса, а также свойств участвующих при этом элементов. Самое общее деление – это газы, аэрозоли и частицы. Инертные газы, например благородный газ криптон – 87Kr, 88Kr, удаляются из атмосферы только в результате естественного радиоактивного распада. Реакционноспособные вещества, такие как ксенон – 133Xe, 135Xe и элементарный йод – 129I, 131I, который может физически или химически взаимодействовать с другими веществами, например адсорбируясь на поверхности аэрозолей. Частицы, несущие радионуклиды (барий – Ba, лантан – La, стронций – Sr), возникают как в результате изначального выброса частиц, так и при последующей конденсации из газа. Частицы с высокой специфической активностью (так называемые «горячие частицы») могут образовываться при взрывах ядерных зарядов и авариях реакторов. По физическим характеристикам частицы могут быть сферические оплавленные силикатные частицы грунта или конструкций, пылевидными частицами, частицами из матриц тепловыделяющих элементов реакторов и др. Радионуклиды конденсируются также и на естественных аэрозолях. Размер частиц радионуклидных аэрозолей колеблется 0,001–800мкм: аэрозоли (цезий – Cs и телур – Te, 0,5–1,0 мм). Растворимость колеблется от долей % до 100%. При выбросах искусственно созданных радионуклидов их последующая эволюция определяется физическими и химическими свойствами, проявляемыми в биогеохимических процессах. 2. Процессы переноса в атмосфере. Попавшие в атмосферу радионуклиды подвергаются влиянию различных физических процессов, которые и определяют их дальнейшую судьбу (рис. 9.1.). Наиболее важные с точки зрения дозиметрии процессы – это рассеяние радиоактивных продуктов в атмосфере и последующее их удаление из атмосферы. Рассеяние радионуклидов, поступивших в планетарный пограничный слой (нижние несколько километров атмосферы), обусловлено как ветровым переносом (адвекция), так и перемешиванием (диффузия), происходящими в локальном и в глобальном масштабе. Первоначально радионуклиды рассеиваются благодаря локальной циркуляции атмосферы. Этот процесс занимает несколько секунд или минут и приводит к распространению их в горизонтальной плоскости в пределах нескольких километров. Разбавление и перемешивание вызываются турбулентными вихрями и сдвигами ветра. В вертикальном направлении эти вихри ограничены размерами слоя перемешивания, а в горизонтальном они распространяются до синоптических размеров крупномасштабных погодообразующих систем. Рис. 9.1. Процессы, оказывающие влияние на радионуклиды в атмосфере. Флуктуации ветра (вихри), большие, чем размер облака, стремятся перенести по ветру целое облако и не рассеять его, тогда как вихри, весьма близкие по размеру к облаку, приводят к быстрому росту последнего и разбавлению радиоактивности. Таким образом, атмосферная турбулентность (диффузия) состоит из широкого спектра вихрей, охватывающих расстояния от тысячи километров до размера молекул. Интенсивность турбулентного перемешивания атмосферы в первую очередь зависит от неоднородности подстилающей поверхности, сдвигов ветра по высоте и вертикального распределения температур в атмосфере. Следовательно, можно ожидать большей интенсивности турбулентного движения над пересеченной местностью, нежели над равниной, и в периоды, когда сильный нагрев солнечным светом приводит к вертикальной температурной нестабильности. Ветровые системы, как в стратосфере, так и в тропосфере преимущественно зональные, т.е. ориентированные с запада на восток или с востока на запад. Потоки воздуха в тропосфере в северных широтах движутся в основном с запада на восток, при этом скорость ветра возрастает с высотой вплоть до уровня струйных течений. Интенсивность самих струйных течений варьирует в зависимости от места и высоты. В более низких широтах наиболее часты восточные ветры. В тропосфере низких широт также может иметь место меридиональный перенос. В этом случае потоки воздуха поднимаются над экватором, движутся по направлению к полюсам и опускаются к поверхности земли в субтропических областях. Движение по направлению к экватору компенсирует движение в сторону полюсов в высоких широтах. Зональные потоки воздуха видоизменяются под влиянием циклонов и антициклонов, в результате образуется «вихревая» ветровая система, в которой есть компоненты, движущиеся с севера на юг. Кроме того, ближе к земной поверхности над определенными территориями наблюдаются региональные ветровые системы, например муссоны в районе Индийского океана, вызываемые неравномерным нагревом суши и моря. Существуют также ветровые системы, изменяющие направление в зависимости от сезона. Анализ данных по обнаружение радиоактивных осколков показывает, что в случае испытаний в средних и высоких широтах передвижение в основном осуществляется западными ветрами, возможно под влияние струйных течений. Время полного переноса радионуклидов вокруг Земли составляет примерно 10–14 суток. Быстрое зональное движение, вызванное струйными течениями, приводит к тому, что распространение радиоактивных веществ максимально на той широте, где проводится испытание, и снижается в более низких и высоких широтах, при этом географическое расстояние особой роли не играет. 3. Фракционирование радионуклидов. В период формирования аэрозольных частиц в стратосфере и тропосфере происходит так называемое фракционирование радионуклидов, т.е. в период конденсации испарившегося во время взрыва вещества имеет место избирательный захват изотопов формирующимися частицами. При фракционировании смесь изотопов в атмосферных выпадениях изменяется в зависимости от расстояния и времени переноса продуктов деления в атмосфере. Фракционирование радионуклидов определяется мощностью ядерного взрыва и местом его проведения. Изотопы тугоплавких элементов цирконий (95Zr), церий (144Се), вольфрам (181W) и др. в результате конденсации и коагуляции включаются в состав крупных твердых частиц. Радиоактивные изотопы 90Sr и 137Cs не принимают участия в процессе конденсации, они адсорбируются на поверхности мелких частиц и парах влаги с образованием мелкодисперсных аэрозолей. Зона переходных зародышевых частиц. Это очень мелкие частицы – продукты конденсации паров и конверсии газов в твердые образования. Они представляют собой первичные частицы, образовавшиеся таким образом, и являются не долгоживущими образованиями. Аэрозольное вещество, образовавшееся из элементов с умеренной летучестью (например, цезий) при высокотемпературных авариях (например, в Чернобыле), будет выбрасываться в основном в виде пара с последующей быстрой конденсацией в аэрозоль, где максимум распределения будет приходиться именно на эту зону. Элементы, высвобождающиеся в газообразной форме, а затем переходящие в менее летучую форму (например, йод), также связываются в основном с частицами этой зоны благодаря высокому отношению площади поверхности к объему у очень мелких частиц. Зона аккумуляционных частиц. Аэрозоли, состоящие из переходных зародышей частиц, по природе своей неустойчивы в отношении таких механизмов роста, как коагуляция и конденсация паров, следовательно, существует тенденция к их росту, ведущая к образованию аккумуляционных частиц. Высокая скорость коагуляции зародышей частиц способствует образованию аккумуляционных частиц, при этом их численная плотность падает и дальнейшая коагуляция идет очень медленно. Другим фактором, благоприятствующим существованию аккумуляционных частиц, служит неэффективность процессов выведения для частиц таких размеров. Для более мелких частиц одинаково предпочтительно как сухое, так и мокрое оседание в силу высокой диффузионной способности таких аэрозольных частиц, тогда как на более крупные частицы действуют инерционные и гравитационные силы, что ведет к эффективному сухому выведению. Таким образом, аккумуляционная зона находится в области минимума на кривой эффективности как для сухого, так и для мокрого оседания. Когда вымывание ни в слое облаков, ни под ним не эффективно. Зона гигантских частиц механического происхождения. Для распределения аэрозольных частиц по массе в окружающем воздухе характерен минимум в области 2 – 3 мкм; частицы большего размера называют «гигантскими» или «механически образованными». Последнее название отражает то обстоятельство, что первичные аэрозоли такого размера образуются в основном вследствие механического трения, а не из газа или пара. Радиоактивность, характерная для этих более крупных частиц, может быть не связана с механическим разрушением; процессы коагуляции и конденсации в равной мере могут приводить к присоединению радиоактивного вещества к крупным, находящимся в воздухе частицам. Конденсация паров может способствовать образованию частиц с неактивной сердцевиной и радиоактивной наружной оболочкой. Гигантские частицы довольно быстро оседают под воздействием сил гравитации. Столь же эффективно удаляются из атмосферы под влиянием процессов, зависящих от сил инерции. Процессы аэрозольной коагуляции затрагивают частицы всех размеров, хотя наиболее быстро они идут у мелких частиц при высокой численной плотности. Смешение факела, содержащего радиоактивные частицы, с окружающим воздухом ведет к коагуляции радионуклидов с аэрозольным веществом окружающего воздуха. В результате изменяются распределение аэрозоля по размерам частиц и его физико-химическое поведение. Аэрозольные переходные зародышевые частицы быстро теряются в результате оседания, либо трансформируются в частицы более крупных размеров. Поэтому они обычно наблюдаются только рядом с источником. «Гигантские» частицы тоже образуются довольно локально (в том числе и из-за ресуспензии), атмосферные турбулентные процессы могут переносить их по воздуху на значительные расстояния: на десятки, сотни, а в исключительных случаях на тысячи километров. Основная же часть аэрозольного вещества, переносимого на значительные расстояния, связана с частицами аккумуляционной зоны. Эти аэрозоли обладают очень низкой скоростью оседания, обычно 0,01-0,1 см/с. Поэтому время жизни с точки зрения сухого оседания составляет 12-120 суток в пограничном слое высотой 1 км. На практике, наиболее типичная продолжительность жизни достигает 7-30 дней. Аэрозольные частицы в условиях высокой относительной влажности подвержены гигроскопическому росту – решающему процессу при образовании облаков и вымывании осадками. Быстрее всего частицы растут за счет поглощения воды водорастворимыми солями, которые могут присутствовать в составе частиц. Иногда аэрозольные частицы могут приобретать электрический заряд, который заметно влияет на их поведение. Фракционирование радионуклидов в радиоактивных выпадениях приводит к неравномерному очищению атмосферы от продуктов деления. Это, прежде всего, обусловлено тем, что скорость оседания частиц различного размера неодинакова. Крупные частицы выпадают быстрее, мелкие – медленнее. 4. Осаждение радиоактивных аэрозолей на земную поверхность. В зависимости от источника и условий формирования радиоактивных осадков характер выпадений и их физико-химические свойства сильно различаются, что сказывается на степени и размерах загрязняемой территории. Радиоактивные вещества могут выпасть в течение первых суток вблизи места взрыва, образуя локальные выпадения, или, поступив в верхние слои атмосферы, задержаться в стратосферных и тропосферных резервуарах. Стратосферный и тропосферный резервуары – источник повсеместных (глобальных) выпадений радиоактивных веществ. В результате наземных ядерных взрывов мощностью менее 1 Мт доля локальных выпадений составляет 80%, а от воздушных взрывов такой же мощности все 100% представлены тропосферными выпадениями. При мощности более 1 Мт значительная часть радиоактивных аэрозолей попадает в стратосферный резервуар (от наземного взрыва – 20%, от воздушного – 99%). Радиоактивные выпадения от наземных ядерных взрывов представляют собой оплавленные частицы грунта, на котором произведен взрыв. При проведении взрывов на почвах, сформированных на подстилающих силикатных породах, образуются крупнодисперсные остеклованные частицы, практически нерастворимые. При проведении взрывов на почвах, образовавшихся на карбонатных почвообразующих породах, формируются хорошо растворимые радиоактивные частицы независимо от их дисперсности. После наземного ядерного взрыва радиоактивные частицы, находящиеся в нижних слоях атмосферы, осаждаются на растительный и почвенный покров в течение нескольких часов. Это объясняется сравнительно большим размером радиоактивных частиц при наземных ядерных взрывах (1 – 0,01 мм). Вначале выпадают более крупные частицы, затем – более мелкие и в конце пути радиоактивного облака – самые мелкие частицы. Крупные частицы в основном оседают под действием силы тяжести. При попадании радиоактивных аэрозолей в тропосферу происходит их глобальное «размывание» и перемещение током воздушных масс с большой скоростью, преимущественно по географическим параллелям от места взрыва. Тропосферный резервуар очищается сравнительно быстро, период полуочищения колеблется в пределах от 2 до 3 недель. Пребывание в тропосфере долгоживущих радионуклидов обычно не превышает 30 суток в результате вовлечения аэрозолей в процессы формирования облаков. В ряде случаев наблюдается более высокая скорость выпадения 90Sr и 137Cs из нижних слоев атмосферы – в течение 5 суток. Радиоактивные выпадения стратосферного происхождения, попадая в тропосферу, в дальнейшем оседают на поверхность земли в основном в результате вымывания атмосферными осадками. Гравитационное оседание частиц, ушедших в стратосферу, происходит крайне медленно, на протяжении десятилетий. Среднее время пребывания радиоактивных веществ в стратосфере зависит от высоты и мощности взрыва, географической широты места проведения взрыва, времени года и метеорологических условий. Состав радионуклидов ядерного происхождения за время циркуляции в стратосфере меняется. Короткоживущие радионуклиды (наибольшая часть взрыва) распадаются, оставляя место цезий-стронциевым источникам глобального малоинтенсивного загрязнения среды. Переход стратосферных радионуклидов в тропосферу с последующим осаждением происходит преимущественно на широте 25-30 градусов в обоих полушариях с максимумом в Северном полушарии (Рис. 9.2.). Наибольшая часть выпадений (стратосфера-тропосфера-земная поверхность) смещается на широту 40-50 градусов. При проведении взрывов в более высоких географических широтах среднее время пребывания в нижних слоях атмосферы обычно меньше (Северное полушарие – около 6 месяцев), чем при проведении ядерных взрывов в средних широтах (2-3 года). Д Рис. 9.2. Широтное распределение глобальных радиоактивных выпадений (для мелких аэрозолей, заброшенных в верхнюю атмосферу). инамика глобальных выпадений меняется в течение года. Максимум приходится на весну и начало лета (1 и 2 кварталы – в Северном и 4 – в Южном полушариях). В средних широтах 60% суммарного отложения радионуклидов за год приходится на весенние и летние месяцы. Скорость отложения радионуклидов измеряется в кБк на 1км2 за единицу времени. (В изменения собственно функций и структуры атмосферы радиационные загрязнения этого ряда существенного вклада не вносят). Выделяют два пути осаждения радионуклидов из атмосферы: мокрый и сухой. При мокром выпадении радионуклиды поступают на поверхность земли с дождем, снегом, туманом. Вымывание радионуклидов атмосферными осадками обусловлено не только захватом радионуклидных частиц падающими каплями, но, прежде всего тем, что сами частицы, попав в зону облаков, становятся центрами конденсации. При мокром выпадении радионуклидов их размер равен 0,02-0,2 мкм. Интенсивность данного процесса, который определяет длительность пребывания вещества в атмосфере, может в значительной степени обусловливать характер поля выпадений и концентрации, переносимых по ветру веществ. Удаление радиоактивных частиц и газов из атмосферы через выпадение осадков зависит от сложных микрофизических и микрохимических процессов. Эти процессы являются функцией условий как внутри, так и вне несущих природные облака слоев. К ним относятся образование капель на ядрах конденсации, диффузия газов и твердых частиц в облачные и дождевые капли, аэродинамический и электростатический захват, термофорез и диффузиофорез. Сухое выпадение состоит в выпадении самих аэрозольных частиц и определяется в основном гравитационными силами, вертикальным движением воздушных масс, турбулентной диффузией. Процесс зависит от топографии района, высоты над уровнем моря и т.д. Удаление из атмосферы посредством сухого выпадения играет большую роль в пределах лежащего у поверхности слоя, где переносимая ветром радиоактивность может приходить в контакт с поверхностью посредством различных механизмов. Это диффузия, гравитационное оседание, столкновения, захват, электростатические эффекты, диффузиофорез и термофорез. Эти процессы чрезвычайно сложны и мало изучены, поэтому их обычно моделируют через скорость осаждения, которую определяют как поток осаждаемого вещества, деленный на концентрацию в воздухе. Соотношение между сухим и мокрым отложением зависит от климатических условий. В местах с сухим климатом будет преобладать сухое осаждение, в местах, где отмечается повышенная влажность воздуха и часты осадки – мокрое осаждение. Повторное загрязнение атмосферы радионуклидами. Выпавший на поверхность радиоактивный материал может в последствии снова перейти в атмосферу под влиянием ветра и механических воздействий, обусловленных деятельностью человека. Процесс повторного перехода в суспензию может продолжаться над загрязненной территорией в течение длительного времени. Считается, что скорость ресуспензии зависит от типа почв, размеров частиц, влажности поверхности, силы ветра у поверхности и атмосферной стабильности, однако они также варьируют в пределах нескольких порядков величины [Уорнер Ф. и др., 1999; Люцко А.М. и др., 1996].

Похожие:

	Конспект лекций по дисциплине введение в профессию социальная работа лекция 1 Изучением курса “Введение в специальность” студенты начинают постижение самой, пожалуй, молодой, и в то же время сложной профессии...		Лекция №8. Особенности занятий легкой атлетикой с детьми, подростками,... Лекция №6. Организация и проведение соревнований по легкой атлетике
	Учебное пособие Содержание Введение Тема Теория социальной работы... Тема Теория социальной работы как учебная дисциплина; научные основы социальной работы		Лекция Физическая культура в общекультурной и профессиональной подготовке... Лекция Физическая культура в общекультурной и профессиональной подготовке студента
	Технологии «черного» pr в избирательных кампаниях (2012) содержание: введение (3 стр) «Черный» pr – неотъемлемая технология любой предвыборной кампании (8 стр)		Конспект лекций Лекция Тема: Современные трактовки предметной области политической философии (4 час.)
	Курс лекций общепрофессиональной дисциплины оп. 14 Безопасность жизнедеятельности Лекция Здоровье и здоровый образ жизни. Факторы, способствующие укреплению здоровья		Лекция Отечественная историография Гражданской войны в России Лекция... Лекция Национальная политика советского государства: теория и практика вопроса
	Лекция религии современных неписьменных народов: человек и его мир... Редактор Т. Липкина Художник Л. Чинёное Корректор Г. Казакова Компьютерная верстка М. Егоровой		Конспект лекций по дисциплине «Технология и организация въездного туризма» Лекция Инкаминг. Характеристика современного туррынка. Особенности истории развития въездного туризма