Исследование объектов окружающей среды. Приборы для определения объемной и удельной активности объектов окружающей среды. Радиометрия

Радиоактивность не является новейшим (чужеродным) компонентом среды. Современная мощность ее антропогенных воздействий изменяется в пределах не только геологического прошлого (первичных космических и земных излучений), но и современных естественных колебаний радиоактивности, связанных со структурами плит земной коры, высотой над уровнем моря, близостью к полюсам, периодами солнечной и геологической активности. Включение новейших по своим химическим свойствам и спектру излучений радионуклидов в состав среды меняет сформировавшиеся соотношения (баланс) поглощаемой радиации и ее спектров во всех звеньях экосистем, – от молекулярных до геопланетарных. Радионуклиды избирательно накапливаются в активных звеньях экосистем в нехарактерных для устоявшихся на протяжении миллионов лет количествах. Такое перераспределение спектра и эффектов радиационных воздействий при резких различиях радиочувствительности взаимозависимых звеньев экосистем (сапрофитной микрофлоры – простейших – растительности – млекопитающих) может, по достижении труднопредсказуемого предела, привести к резким нарушениям экосистемного гомеостаза с последующим ростом патологических реакций, при отсутствии прямой связи с радиоактивностью среды. Вероятность таких реакций, разработка мер их профилактики и коррекции требуют знаний характера поведения радионуклидов ядерно-энергетического происхождения в среде.

Почва является начальным (пусковым) звеном обмена экосистем. Ее функциональное состояние определяет эффективность преобразования радиационной (солнечной и радиоактивной) энергии в биологические структуры. Действующим началом пусковых преобразований в почвах является ее сапрофитная микрофлора первичного синтеза (продуценты) и первичного потребления (консументы), разрушающая отмершие биологические субстраты до органических мономеров, легко вступающих в повторные циклы синтеза биологического вещества.

Синтез происходит с использованием воды, диоксида углерода, кислорода, азота, фосфора, энергоемких макроэлементов (Si, А1, К, Na, Ca, P, S), микроэлементов (Cu, Mo, I, B, F, Pb и др.), радионуклидов фона, с постепенным вовлечением в обмен минералов горных пород. Процесс чрезвычайно многосложен, взаимосбалансирован, «отработан» на протяжении миллионов лет и имеет крайне незначительные резервы устойчивости: почвенный слой 1,5–2 см формируется не менее 100 лет при нормальном состоянии среды. В разрыхлении почв, формировании капилляро-подобных каналов тока ее активного компонента, водного почвенного раствора (осуществляющего перенос химических, в том числе и радиоактивных веществ), почвенных пор, заполненных воздухом, богатым углекислотой и радоном, участвует корневая система растительности, черви, насекомые. Уровни организации, а следовательно, и радиочувствительности активных биологических начал почв чрезвычайно различны. Поэтому внесение в почвенный обмен дополнительного радиационного фактора может проявиться в резких нарушениях почвенной экосистемной организации. Помимо вероятных нарушений процессов почвенного обмена, загрязнение почв дополнительным аварийным радиоактивным веществом является исходным началом его дальнейшего транспорта по биологическим цепям с неизбежной конечной кумуляцией в организме человека.

Радионуклиды, отложившиеся на поверхности почв, под дей­ствием разных факторов могут перемещаться в любом направле­нии. Причиной «горизонтального» перемещения свежевыпавших радионуклидов может быть поверхностный сток после сильного дождя, отложившихся в снегу за зиму – смыв талыми водами. Установлено, что ⁹⁰Sr, мигрирующий с талыми водами, почти полностью (82–100%) находится в катионной форме.

«Вертикальная миграция» радионуклидов по профилю почвы может быть следствием механического переноса частиц, на которых сорбированы радионуклиды, а также собственного перемещения в виде свободных ионов. На обрабатываемых сельскохозяйственных почвах радионуклиды сравнительно равномерно распределяются в пределах пахотного слоя. Некоторый механический перенос их с поверхности в глубь почвы возможен вследствие разрыхления ее дождевыми червями и землероющими животными.

Вертикальная миграция продуктов деления в целинной почве идет очень медленно. Установлено, что преобладающая часть осколочных радионуклидов прочно фиксируется в тонком слое верхнего горизонта почвы, и их вертикальное перемещение не превышает нескольких миллиметров в год. В целом можно считать, что ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs являются основными излучателями, формирующими почвенную радиоактивность, величина и характер которой зависят от радиационной емкости почв. Последняя складывается из ее физической сорбционной способности (зависящей от пористости, количества почвенного раствора в порах и его катионного состава); химической поглотительной способности (образования плохо растворимых соединений с элементами почв и горных пород); биологической поглотительной способности (включение в состав микрофлоры и дальнейших звеньев обмена на правах естественных фоновых аналогов, стабильных элементов).

Функционально связаны с сорбционными процессами почв скорость проникновения радионуклидов в прикорневую глубину и последующее включение в экосистемные цепи миграции. Скорость процесса (после загрязнения среды) определяется прочностью связи излучателей с твердой фазой почв, скоростью диссоциации и последующего ионного перемещения радионуклида, зависящей от химических свойств излучателя и его соединений.

В миграцию существенные коррекции вносит рельеф местности (горизонтальное перемещение с талыми и дождевыми водами с последующим большим накоплением в низинах), а также механическая (глубокая вспашка) переработка почв, ведущая к ускоренному перемещению радионуклидов в подкорневую глубину и исключению фактора радиационной опасности из активной миграции в экосистемах. Долгосрочное сохранение радионуклидов в прикорневой глубине, на необрабатываемых землях (луга, лесная подстилка), включение в почвенный метаболизм ведут к их накоплению через концентрацию в травах, листве, с последующим неоднократным повторным включением (через гниение опада) в почвенные процессы. Такой растягивающийся на десятилетия процесс вертикальной миграции дополняется горизонтальным перемещением и распространением радионуклидов на более обширные и менее контрастные по радиоактивности среды (в отличие от первичной загрязненности) территории. В процессе участвуют сообщества живых организмов почв (педоценозы), грызуны, травоядные. Перераспределения являются здесь следствием активной и пассивной мобильности представителей фауны, распространения продуктов их метаболизма, сложных пищевых цепей миграции радионуклидов. Скорость таких процессов зависит от химических свойств загрязнителей и соответственно функций, выполняемых их нерадиоактивными аналогами в экологических цепях обмена.

Все животные и растения обладают способностью избирательно и интенсивно накапливать рассеянные в экосистемах в ничтожных концентрациях микроэлементы, к конкурентам которых (в том числе и по характеру биологических функций) относятся долгоживущие радиоактивные загрязнители среды. Коэффициенты накопления их (отношение радиоактивности радионуклида в составе среды к его радиоактивности в организме) колеблются от нескольких до десятков тысяч. Высокие коэффициенты на­копления приводят к тому, что концентрация излучателей в био­массе загрязненных биоценозов становится более высокой по сравнению с радиоактивностью среды.

Наиболее доступен для корневых систем растительности, особенно в первые годы после загрязнения среды, стронций. Старение радионуклида происходит медленно. Через 12 лет после внесения ⁹⁰Sr в почву более 95% изотопа остается в обменной, кальцийподобной форме.

Накопление стронция в растениях обратно пропорционально количеству обменного конкурента изотопа кальция почвы. В целом стронций относится к первой группе радионуклидов, отличающихся равномерным распределением между водой, минеральной осно­вой и биомассой почв, коэффициент накопления его в грунте низкий (1–65), в биомассе 1000–2000.

Цезий относится либо к сильно, либо к слабо накапливаемой группе элементов. Очевидно, это связано со временем оценки процесса миграции от момента загрязнения среды и соответственно степенью минеральной фиксации (кристаллизации) изотопа. В экспериментах и наблюдениях по миграции изотопа (почва – вода – растительность) выявлено его преимущественное накопление в неорганической фазе почв (коэффициент накопления 0,25), но при высоком содержании излучателя в биомассе (8000-9000).

Радионуклидом, определяющим опасность радиоактивного загрязнения среды от аварии на Чернобыльской АЭС, является цезий-137, несмотря на более низкий по сравнению со стронцием коэффициент накопления, что связано с его более высоким уровнем содержания в почве. Наибольшее количество изотопов накапливается в надпочвенной (листовой) части растений, поэтому наибольшим кумулятором активности являются многолетние травы, а среди непосредственно употребляемых в пищу – зерновые, бобовые.

Наименее исследована миграция и последующее накопление в теле человека плутония и сопутствующих ему (в крайне незначительных, «следовых» количествах) нептуния, америция, кюрия. Эти элементы относятся к сильно дискриминированным метаболитам, не включающимся в активный экосистемный обмен. Первичная загрязненность почв радионуклидами этого ряда регистрируется в виде «горячих частиц» PuO₃ диаметром порядка 10 мкм. Включение в почвенную миграцию происходит медленно, после образования Fe–Pu–Al-комплексов с низкомолекулярными фульвокислотами. Скорость последующего вертикального движения в прикорневую систему зависит от сформировавшейся в почвах скорости движения нерадиоактивных носителей.

От правильности приемов отбора проб и первичной подготовки в значительной мере зависят объективность и точность результатов последующего исследования и заключения о радиационном благополучии или неблагополучии исследуемого объекта.

При отборе проб необходимо соблюдать определенные правила.

1. Проба объекта должна быть усредненной. Для этого отбирают несколько небольших порций материала в различных участках или местах (трава, сено, зерно), которые затем объединяют и делают одну среднюю пробу.

2. Масса и объем отбираемой пробы должны быть достаточными для обеспечения оптимальных условий измерения удельной активности.

3. Прибором СРП-68-01 устанавливается однородность партии продукта по измеренным уровням гамма-излучения. Продукция считается однородной по уровню загрязнения, если измерения, проведенные в разных точках упаковки, контейнера, емкости, единицы складирования и т. п. различаются не более чем в 2 раза. Если установлена неоднородность партии продукции, проводится сортировка продуктов на три группы по степени их радиоактивной загрязненности (высокая, средняя и низкая), от каждой из которых берут дополнительные пробы и делают заключение об их уровне активности.

4. Каждый отдельный образец должен иметь отдельную упаковку с соответствующей маркировкой.