Радиоактивное загрязнения атмосферы

Радиоактивные вещества относятся  к особо опасным для людей, животных и растений. Источники радиоактивного загрязнения в основном техногенного происхождения. К ним относятся:

• экспериментальные взрывы атомных, водородных и нейтронных бомб, различные производства, связанные  с изготовлением термоядерного  оружия, атомные реакторы и электростанции;

• предприятия, где используются радиоактивные вещества;

• станции по дезактивации радиоактивных отходов;

• хранилища отходов атомных  предприятий и установок;

• аварии или утечки на предприятиях, где производится и используется ядерное топливо.

Естественные источники  радиоактивного загрязнения в основном связаны с выходом на поверхность  урановых руд и горных пород, имеющих  повышенную природную радиоактивность (граниты, пегматиты).

Большую опасность для  людей, растений и животных представляют испытания ядерного оружия, аварии и утечки на предприятиях, где используется ядерное топливо.

Радиоактивное загрязнение  атмосферы чрезвычайно опасно, так  как радионуклиды с воздухом попадают в организм и поражают жизненно важные органы человека. Его влияние сказывается  не только на ныне живущих поколениях, но и на их потомках за появления  многочисленных мутаций. Не существует такой малой дозы ионизирующего  излучения, которая была бы безопасна  для человека, растений и животных. Даже в районах умеренного радиоактивного загрязнения увеличивается число  людей, заболевших лейкозами.

В настоящее время радиоактивное  загрязнение атмосферного воздуха  над территорией России определяется глобальным повышенным радиационным фоном, который был создан в результате ранее ядерных испытаний, проводившихся, радиоактивным загрязнением после  катастрофических аварий, произошедших в 1957 г. на военном производственном объединении (ПО) « Маяк »и в 1986 г. на Чернобыльской АЭС. В результате аварии на ПО «Маяк» произошла утечка радиоактивных отходов, сбрасываемых и хранились в «бессточными» озере. В 1957 г. радиоактивный фон озера составлял 120 млн. кюри, что в 24 раза больше, чем фон разрушенного реактора Чернобыльской АЭС. После аварии на ПО «Маяк» радиоактивными веществами была загрязнена площадь 23 тыс. км. Загрязнение атмосферы также произошло в результате переноса ветром радиоактивной пыли с берегов и со дна озера, что обнажилось после засухи.

Различного рода утечки и  неконтролируемые выбросы на предприятиях несколько изменяют радиологическую  обстановку и носят обычно локальный  характер.

Наибольшее загрязнение  атмосферы происходит при взрывах  термоядерных устройств. Изотопы, образующиеся при этом, становятся источником радиоактивного распада в течение длительного  времени. Самые опасные изотопы  стронция-90 (период полураспада 25 лет) и цезия-137 (период полураспада 33 года).

Радиоактивные вещества распространяются не только воздушным путем. В миграции радиоактивных элементов большую  роль играют цепи питания: из воды эти  элементы поглощаются планктоном, который  служит пищей для рыб, они, в свою очередь, поедаются хищными рыбами, рибнимимы птицами и зверями.

Радиоактивное излучение  опасно для человека, вызывает у  него лучевую болезнь с повреждением генетического аппарата клеток. Это  ведет к появлению у людей  злокачественных опухолей, наследственных заболеваний и уродств у потомства.

К опасным факторам антропогенного характера, способствующим серьезному ухудщению качества атмосферы, следует  отнести радиоактивность.

Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение неустойчивого  изогона одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или ядер (например, а-частиц)/

Промежуток времени, в  течение которого разлагается половина первоначального количества радиоактивного элемента, называется периодом полураспада.

К основным видам радиоактивного распада относятся а-распад, р-распад, электронньш захват и спонтанное деление. Часто эти виды радиоактивното распада сопровождаются испусканием

у-лучей, т.е. жесткого (с малой  длиной волны) электромагнитного излучения.

При се-распаде ядро атома  испускает два протона и два  нейтрона, связанные в ядро атома  гелия 2 Не ; это приводит к уменьшению

заряда исходного радиоактивного ядра на 2, а его массового числа  на 4.

Таким образом, в результате а-распада образуется атом элемента, смещенного на два места от исходного  радиоактивного элемента к началу периодической  системы.

Возможность Р-распада связана  с тем, что, по современным представлениям, протон и нейтрон представляют собой  два состояния одной и той  же элементарной частицы - нуклона (от латинского nucleus - ядро). При некоторых  условиях (например, когда избыток  нейтронов в ядре приводит к его  неустойчивости) нейтрон может превращаться в прютон, одновременно «рождая» электрон. Этот процесс можно изобразить схемой:

Нейтрон = протон + электрон

или п=р+е'

Таким образом, при Р-распаде  один из нейтронов, входящих в состав ядра, превращается в протон; возникающий  при этом электрон вылетает из ядра, положительный заряд которого на единицу возрастает.

Изменение заряда ядра при  р-распаде приводит к тому, что  при Р-распаде образуется атом элемента, смещенного на одно место от исходного  радиоактивного элемента к концу  периодической системы.

Элементы, расположенные  в конце периодической системы (после висмута), не имеют стабильных изотопов. Подвергаясь радиоактивному распаду, они превращаются в другие элементы. Если вновь образовавшийся элемент радиоактивен, он тоже распадается, превращаясь в третий элемент, и  так далее до тех пор, пока не получаются атомы устойчивого изотопа. Ряд  элементов, образующийся подобным образом  один из другого, называется радиоактивным  рядом. Примером может служить приводимый ниже ряд урана - после-довательность  продуктов превращения изотопа U, составляющего преобладающую часть  природного урана.

Естественная радиоактивность  атмосферы - это закономерное явление, обусловленное двумя причинами: наличием в атмосфере радона Rn и  продуктов его распада, а также  воздействием космических лучей. Сам  радон, полураспад которого равен 3,8 дня, а также его изотопы первоначально  образуются в земной коре за счет радиоактивного распада урана и тория (над  стрелкой - тип радиоактивного распада; под стрелкой - период полураспада):

Образуясь в грунте, радон  затем через поры почвы проникает  в приземный слой атмосферы, вследствие его захвата естественными аэрозолями переносится в самые верхние  плоскости тропосферы, а его долгоживущие продукты распада, такие, как 21082Pb,2 83Bi и 2 ЛфРо, обнаруживаются и в стратосфере. Атмосферный круговорот радона включает его легкую вымываемость осадками и  осаждение на земную поверхность  под действием силы тяжести.

Космические лучи, проникающие  на Землю из мирового пространства, обычно подразделяют на первичные и  вторичные. В состав первичных космических  лучей входят, главным образом, положительно заряженные частицы (преимущественно  протоны). Они обладают огромными  энергиями и несутся в мировом  пространстве, с колоссальными скоростями. Проникая в земную атмосферу, первичные  лучи уже на высоте около 50 км начинают взаимодействовать с ядрами встречных  атомов, что ведет к образованию  элементарных частиц, называемых пионами (П). Масса пионов - порядка 0,15 а.е.м., заряд их может быть и отрицательным, и положительным, и нейтральным, время жизни - 10"8 с. В слое атмосферы от 50 до 20 км шшги все первичные космические лучи расходуют свою энергию, которая передается вызванному ими вторичному космическому излучению. Последнее слагается в основном из мюонов (ц), представляющих собой частицы с массами порядка 0,11 ае.м., несущие положительный или отрицательный заряд и живущие не более 2-10 с, а также электронов* позитронов и у-лучей. Вторичные космические лучи, доходящие до поверхности Земли, подразделяются на «мягкие» и «жесткие», первые из которых поглощаются толщей свинца и состоят в основном из электронов и позитронов, а вторые - это мюоны, обладающие большой проникающей способностью.

Возникновение радиоактивных  изотопов объясняется тем, что космические  лучи, проникающие в атмосферу  со скоростям», близкими к скорости света, сталкиваются с ядрами компонентов  воздуха, движущихся со сравнительно небольшими скоростями (порядка 0,5 -1 км/с), вызывают ядерные реакции превращения  одного вещества в другое. Главными радиационными частицами, обусловливающими радиоактивный фон атмосферы  под влиянием космических лучей, являются тритий (,3#) и радиоуглерод (64С). Образование трития происходит за счет взаимодействия атмосферного азота с нейтронами

Имеются, однако, и другие пути образования трития, в частности  за счет взаимодействия атмосферного азота с протонами высоких  энергий и атмосферного кислорода  и нуклонами. В свою очередь, распад трития приводит к образованию гелия

Общее количество трития на земном шаре оценивается величиной 12 кг. Образование радиоуглерода (^вызвано  таким взаимодействием атмосферного азота с нейтронами, в процессе которого возникает неустойчивый радиоактивный  азот (75 ^генерирующий 6 С и протон (±ру

Характерно при этом, что  распад "С вновь приводит к  образованию стабильного азота: *'

,4C=L4iV + е

предопределяя тем самым  обратимость процесса. По имеющимся  данным, равновесная концентрация радиоуглерода  и6С на земном шаре оценивается на сегодня величиной 8-104 кг.

Обращает на себя внимание, что содержание трития и радиоуглерода  в стратосфере значительно больше, чем в тропосфере. Это говорит  о том, что указанные радиоизотопы возникают именно под действием  космических лучей. Кроме того, образование  и концентрация в атмосфере указанных  изотопов имеют минимум у экватора и растут по направлению к магнитным  полюсам Земли, подобно тому, как  это отмечается и для распределения космических лучей. Это также служит подтверждением того, что радиоизотопы водорода и углерода возникают в атмосфере под действием космических лучей. Их влияние обусловливает появление и других радиоизотопов, вносящих свой вклад в радиоактивный фон атмосферы. Так, под действием космических лучей на атмосферный аргон образуется радиоизотоп хлора \пС1):

?Аг + ^=?79СЙ> + И, (1.38)

(где v - элементарная частица,  называемая нейтрино), а также  изотоп самого аргона:

Наличие в атмосфере рассмотренных  выше радиоизотопов обусловлено  в целом так называемой «естественной» ра/щрактивностью, к которой живые  элементы биосферы хорошо адаптировались в процессе эволюции. Что касается антропогенных радиоактивных факторов, опасных по своим последствиям, то они связаны главным образом  с «искусственной» радиоактивностью. При ядерных взрывах большая  часть изотопов образуется в результате деления урана-235, урана-238 и плутония-239. Известно, что через несколько  десятков секунд после взрыва образуется примерно 100 различных изотопов, двадцать девять из которых вносят наибольший вклад в радиоактивность атмосферы через час, двадцать - через двое суток, а три - через 100 лет. Основные радиоактивные изотопы, встречающиеся в атмосфере в результате ядерных взрывов, приведены в табл. 5

Таблица 5 Основные радиоактивные  изотопы, обнаруживаемые в атмосфере  после ядерного взрыва

Изотоп 89 г, ззЬг 90 о„ 4<>Zr 131 т 531 13755CS ,405бВа ,4458Се

- 51 день 27,7 лет 65 дней 8 дней 28,8 лет 12,8 дня 28 дней

Во время ядерных взрывов  радиоактивные вещества находятся  в газообразном состоянии и по мере понижения температуры конденсируются в аэрозольное облако. Наиболее крупные  частицы, радиусом 20 мкм, достаточно быстро выпадают из атмосферы и оседают  на земной поверхности. Мелкие же частицы, радиусом от 1 до 10 мкм, попадают не только в верхние плоскости тропосферы, но и в стратосферу, обусловливая так называемое «глобальное» выпадение

Загрязнение атмосферного воздуха

Под загрязнением атмосферного воздуха следует понимать любое  изменение его состава и свойств, которое оказывает негативное воздействие  на здоровье человека и животных, состояние  растений и экосистем. Загрязнение  атмосферного воздуха одна из самых  значительных проблем современности

Загрязнение атмосферы может  быть естественным (природным) и антропогенным (техногенным).

Естественное загрязнение  воздуха вызвано природными процессами. К ним относятся вулканическая  деятельность, выветривание горных пород, ветровая эрозия, массовое цветение растений, дым от лесных и степных пожаров  и др. Антропогенное загрязнение  связано с выбросом различных  загрязняющих веществ в процессе деятельности человека. По своим масштабам  оно значительно превосходит  природное загрязнение атмосферного воздуха.

В зависимости от масштабов  распространения выделяют различные  типы загрязнения атмосферы: местное, региональное и глобальное. Местное  загрязнение характеризуется повышенным содержанием загрязняющих веществ  на небольших территориях (город, промышленный район, сельскохозяйственная зона и  др.) (рис. 13.1). При региональном загрязнении  в сферу негативного воздействия  вовлекаются значительные пространства, но не вся планета. Глобальное загрязнение  связано с изменением состояния  атмосферы в целом.

По агрегатному состоянию  выбросы вредных веществ в  атмосферу классифицируются на: 1) газообразные (диоксид серы, оксиды азота, оксид  углерода, углеводороды и др.); 2) жидкие (кислоты, щелочи, растворы солей и др.); 3) твердые (канцерогенные вещества, свинец и его соединения, органическая и неорганическая пыль, сажа, смолистые вещества и прочие).

Главные загрязнители (поллютанты) атмосферного воз.-духа, образующиеся в процессе производственной и иной деятельности человека — диоксид  серы (SO?), оксиды азота (N0 ), оксид углерода (СО) и твердые частицы. На их долю приходится около 98% в общем объеме выбросов вредных веществ. Помимо главных  загрязнителей в атмосфере городов  и поселков наблюдается еще более 70 наименований вредных веществ, среди  которых — формальдегид, фтористый  водород, соединения свинца, аммиак, фенол, бензол, сероуглерод и др. Однако именно концентрации главных загрязнителей (диоксид серы и др.) наиболее часто  превышают допустимые уровни во многих городах России.