Радиоактивное воздействие на биосферу

 

Общие сведения

 

В текущем столетии в связи с активной деятельностью человека, связанной с производством ядерного оружия и бурным развитием атомной энергетики, появился новый вид воздействия на биосферу – радиоактивный. Если раньше радиоактивное воздействие можно было считать несущественным: радиоактивные источники были спрятаны природой в относительно недоступных местах для живого мира, – то в последнее десятилетие в связи с добычей и обогащением ядерных материалов в крупных масштабах радиоактивное воздействие на биосферу стало представлять серьезную экологическую опасность.

Слова «радиоактивное излучение» «радиоактивность» и «облучение» вошли в жизнь послевоенных поколений и до наших дней неразрывно связаны с первым и увы! кошмарным применением внутриядерной энергии – атомными бомбардировками Хиросимы и Нагасаки. Хотя исход Второй мировой войны был предрешен и японский генералитет уже обсуждал порядок капитуляции перед союзниками, Соединенные Штаты совершили варварский акт, продемонстрировав чудовищную мощь ядерного оружия.

При взрывах атомных бомб более 100 тыс. японцев погибли практически мгновенно, пораженные световой и ударными волнами. Десятки тысяч выживших в момент взрыва подверглись действию проникающих излучений и скончались в течение нескольких дней и недель от острой лучевой болезни, вызванною переоблучением и отягощенной травмами и обширными ожогами кожи. На этом не закончился список тех, кто погиб от облучения. Точные сведения о числе жертв атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки не опубликованы до сих пор. В статьях американских военных специалистов эти данные занижены по причинам, среди которых в первую очередь следует упомянуть политические мотивы. Наиболее полную информацию имеют прогрессивные японские организации, проводившие специальные исследования. По их данным, к концу 1946 г в результате взрывов атомных бомб погибло около 160 тыс. жителей Хиросимы и 70 тыс. жителей Нагасаки. В течение последующих 30 лет (1947–1976 гг.) от лучевой болезни скончалось еще около 90 тыс. человек. По прогнозам в дальнейшем жертвами отдаленных последствий переоблучения окажутся еще 360 тыс. человек.

Вблизи хиросимского Музея мира на бывшем огромном пустыре, а ныне на краю большого парка, прямо под точкой взрыва американской атомной бомбы установлен черный каменный саркофаг с книгой записей имен жертв атомной бомбардировки. Прошло более 50 лет, но ежедневно в ней появляются все новые имена скончавшихся из-за последствий облучения. Сначала умирали жители Хиросимы, находившиеся в ней в августе – сентябре 1945 г., потом их дети, а теперь дети их детей. По данным профессора Джозефа Ротблата, английского специалиста по радиационной биологии, в Хиросиме за пять лет после взрыва бомбы умерло втрое больше людей, чем при взрыве. Они погибли от совместного действия ожогов, травм и облучения.

Полностью разрушенную первой атомной бомбой Хиросиму начали возрождать через несколько лет после взрыва. Спустя 10 лет был построен город прежней величины.

Взрыв одного из четырех блоков Чернобыльской АЭС в ночь на 26 апреля 1986 г. не разрушил ни одного жилого дома и даже не остановил сразу работу самой АЭС. Но через 10 лет после этой аварии опустошенные эвакуацией города и деревни прилегающих к Чернобылю районов Украины и Белоруссии по-прежнему остаются пустыми. Жить на этой территории, превышающей 1000 км² и сильно загрязненной радионуклидами, будет нельзя еще 300–400 лет. Здесь будут работать лишь экологи и генетики, изучая влияние разных уровней хронической радиации на растения и животных. По подсчетам экспертов «цена» чернобыльской аварии за 10 лет составила около 200 млрд долл. Но это лишь расходы и потери первого десятилетия. Прямой эффект чернобыльской аварии был крайне тяжелым. Десятки людей погибли от острой лучевой болезни. Многие жители были переоблучены и их здоровью нанесен существенный ущерб.

В России, на Украине, в Восточной и Западной Европе, США в последние 10 лет не было начато строительство ни одной новой АЭС. Однако продолжали достраивать реакторы, которые были уже близки к завершению. Естественно, что их проекты модифицировались. В СССР в 1989–1990 гг. из-за усилившейся антиядерной пропаганды остановилось и такое строительство, хотя это означало замораживание уже задействованных огромных инвестиций. После распада СССР Россия возобновила работы по вводу в действие реакторов, строительство которых было почти завершено к 1986 г. В 1993 г. был введен в действие четвертый реактор ВВЭР-1000 на Балаклавской АЭС. Возобновились работы по завершению строительства третьего реактора ВВЭР-1000 на Калининской АЭС и пятого реактора РБМК-100 на Курской АЭС.

Армения, лишенная всех источников органического топлива, решила реактивировать Армянскую АЭС, закрытую после землетрясения в 1988 г. Серьезное преобразование этой АЭС, состоящей из двух блоков ВВЭР-440, финансировалось армянской диаспорой. Введение одного из этих реакторов в эксплуатацию в декабре 1995 г. отмечалось как национальный праздник. Ослабли антиядерные настроения и в независимой Украине.

В нашем лексиконе появились термины «острая лучевая болезнь», «отдаленные последствия облучения», тревожно звучащее слово «радиация». Раньше эти термины применялись преимущественно в узком круге специалистов, занимающихся разработкой способов использования атомной энергии в первую очередь для мирных целей. Вряд ли найдется человек, который не слыхал бы об успешном применении облучения в терапии опухолей, при стерилизации продуктов питания и медицинских препаратов, для предпосевной стимуляции семян и в других отраслях человеческой деятельности вплоть до криминалистики и искусствоведения.

И все-таки у многих, если не у большинства, при слове «радиация» возникает тревожное состояние, иногда называемое атомным синдромом, означающим болезненное состояние психики. Авария на ЧАЭС – не только разрушение блока, но и взрыв (без преувеличения) всеобщего интереса к проблеме действия излучения на живые организмы, в первую очередь на человека, а также к тому процессу, который называется облучением. В печати, по радио, на телевидении замелькали ранее применявшиеся только в специальной литературе термины – «дозиметрия» и «радиобиология», специальные единицы – рентгены, рады, бэры, а иногда даже такие экзотические, как грэй, зиверт. Большой выброс радиоактивных веществ из аварийного блока и в связи с этим возникшая необходимость введения радиометрического контроля в районах, прилегающих к 30-километровой эвакуированной зоне, вовлекла в круг практической дозиметрии много лиц, ранее не соприкасавшихся с проблемами радиоактивности измерений. Незнание количественных критериев радиационной опасности, а также неумелое применение средств защиты привели к ряду ошибочных действий. По этой же причине серьезными ошибками пестрят многочисленные послеаварийные сообщения.

Один из важных уроков из аварии в Чернобыле состоит в том, что изучение основ дозиметрии ионизирующих излучений и радиационной биологии – неотъемлемый элемент современной цивилизации и культуры. Нам известны многие виды излучений, которые могут взаимодействовать с облучаемой средой, не обязательно вызывая ионизирующее действие. Одно из них всем хорошо знакомо – вспомним последствия длительного пребывания летом на ярком солнце. Ожог (иногда второй степени!) – следствие переоблучения кожи в результате воздействия инфракрасного излучения на клетки эпидермиса (верхнего слоя кожи), тогда как загар – воздействие более глубоко проникающего ультрафиолетового излучения на пигмент в составе подкожной клетчатки.

Отмеченное в последние годы ослабление слуха у подростков – следствие акустического переоблучения различного рода аудиотехникой. Причина выявленной в годы Второй мировой войны анемии у операторов мощных радиолокаторов – воздействие чрезвычайно больших доз сверхвысокочастотного электромагнитного излучения. Одна из существующих в современной биофизике гипотез связывает акселерацию людей в послевоенные годы с переоблучением населения Земли вездесущими радиоволнами.

Не множа число таких примеров, уточним основную цель – количественно обосновать безопасные и допустимые уровни воздействия на живые организмы и оценить степень опасности облучения человека.

 

Взаимодействие излучения с веществом

 

Первая характеристика из используемых в практической дозиметрии, можно сказать, «лежит на поверхности» – это ионизационный эффект. В начальный период развития радиационной дозиметрии чаще всего приходилось иметь дело с проникающим рентгеновским излучением, распространяющимся в воздухе. Поэтому в качестве количественной меры излучения многие годы применяли результат измерения ионизации воздуха вблизи рентгеновских трубок и аппаратов. Единицей таких измерений условились считать количество пар ионов, которые излучение образует в 1 см³ сухого воздуха, находящегося при атмосферном давлении. Позднее было установлено, что такой единице экспозиционной дозы, названной рентгеном, соответствует 2,08·10⁹ пар ионов, т. е. примерно 2 млрд пар ионов в 1 см³ воздуха. Таким образом, можно сказать, что экспозиционная доза – количественная характеристика поля ионизирующего излучения, основанная на величине ионизации сухого воздуха при атмосферном давлении. Единицей измерения экспозиционной дозы является рентген (Р), 1 P = 1 · 10⁹ пар ионов/см³ воздуха.

Полезно запомнить удобное правило, часто применяемое в практической дозиметрии: доза 1 P накапливается за 1 ч на расстоянии 1 м от источника радия массой 1 г, т. е. активностью примерно 1 Кюри (Ки).

В качестве меры глубинных доз и радиационного воздействия проникающих излучений было предложено определять энергию, поглощенную облучаемым веществом. Поглощенная доза – количество энергии, поглощенной единицей массы облучаемого вещества. Единицей поглощенной дозы является рад (рад – аббревиатура от английских слов radiation absorb dose, т. е. поглощенная доза излучения); 1 рад= 100 эрг/г. В системе СИ новой единицей поглощенной дозы является грэй (Гр) (эта непривычная, на практике еще мало употребляемая единица названа в честь английского физика Л. Грэя); 1 Гр= 100 рад. Для мягких тканей в поле рентгеновского или гамма-излучения поглощенная доза 1 рад примерно соответствует экспозиции 1P, т. е. 1P 1 рад (точно – 0,88 рад).

Из приведенных определений однозначно следует, что поглощенная доза – универсальное понятие, характеризующее результат взаимодействия поля ионизирующего излучения и среды, на которую оно воздействует, т. е. облучения. Между поглощенной дозой и радиационным эффектом существует прямая зависимость: чем больше поглощенная доза, тем больше радиационный эффект.

К сожалению, действие ионизирующих излучений на живой организм оказалось сложнее, чем последствия облучения сравнительно простых неживых веществ. Выяснилось, что у значительной части физиков, в течение ряда лет проводивших опыты на циклотронах, было обнаружено профессиональное помутнение хрусталика. Эти лучевые катаракты развились у них в условиях умеренных поглощенных доз, не превышавших допустимых значений. Изучение таких отдаленных последствий облучения организма привело к заключению, что радиобиологический эффект зависит не только от поглощенной дозы, т. е. энергии, переданной облучаемому веществу, но и от других факторов. При одной и той же поглощенной дозе радиобиологический эффект тем выше, чем плотнее ионизация, создаваемая изучением. Для количественной оценки такого влияния вводится понятие эквивалентной дозы, которая равна поглощенной дозе, умноженной на коэффициент качества, определяемый отношением поглощенной дозы эталонного измерения к дозе рассматриваемого излучения, вызывающей тот же радиобиологический эффект. Единицей измерения эквивалентной дозы является биологический эквивалент рада – бэр. В системе СИ единица эквивалентной дозы– зиверт (Зв), названный в честь известного шведского радиолога Г.Р. Зиверта: 1 зв = 100 бэр.

Анализ несчастных случаев позволил установить численное значение смертельной дозы гамма-излучения. Она оказалась равной 600 ± 100 Р.

Дозиметрические и радиобиологические исследования показали, что ни в одном из известных случаев вредные последствия облучения не проявились при дозах менее 100 Р кратковременного, т. е. «острого», облучения и 1000 Р облучения, растянутого на десятки лет.

Каковы же опасные и неопасные дозы облучения? При дозах облучения более 25 бэр никаких изменений в органах и тканях организма человека не наблюдается. Незначительные кратковременные изменения состава крови возникают только при дозе облучения 50 бэр.

Во всех случаях воздействия ионизирующих излучений на ткань в основе первичных изменений, возникающих в клетках живого организма, лежит передача энергии в результате процессов ионизации и возбуждения атомов ткани. При дозах облучения, вызывающих глубокие поражения или даже гибель организма (например, единовременно 600 рад для человека), относительное количество образующихся ионов очень невелико. Этой дозе соответствует примерно 10¹⁵ ионов/см³ ткани, что в пересчете на ионизацию молекул воды составляет всего лишь одну ионизированную молекулу воды на 10 млн. Таким образом, непосредственная прямая ионизация (без учета вторичных эффектов) не может объяснить повреждающего действия излучения.

Количество энергии, соответствующее такой дозе, по своему тепловому эффекту ничтожно мало: при облучении человека весом 70 кг дозе 600 рад соответствует выделение 60 малых калорий, что равносильно приему внутрь одной ложки теплой воды. Следовательно, биологическое действие ионизирующего излучения невозможно свести только к изменениям температуры, как это имеет место, например, при взаимодействии живой ткани с УКВ- и СВЧ-волнами.

Если при вдыхании, заглатывании, а также через повреждения кожного покрова источник излучения попадает внутрь организма, то возникает внутреннее облучение во много раз более опасным, чем внешнее, при одних и тех же количествах радионуклидов.

Патологическое действие облучения на организм в значительной мере зависит от места локализации радиоактивного вещества. Например, главная опасность радия заключается в том, что он откладывается в костях и излучает альфа-частицы. Вызывая очень сильную ионизацию, альфа-частицы повреждают как кость, так и особенно чувствительные к излучению клетки кроветворных тканей, вызывая тяжелые заболевания крови и образование злокачественных опухолей. Пыль, содержащая радиоактивные частицы, приводила к образованию радиоактивных отложений в легких и способствовала развитию рака. Средний период развития рака в этом случае составлял около 17 лет, за которые ткани легких рудокопов получали дозу не менее 1000 бэр.

Из всех путей поступления радионуклидов в организм наиболее опасно вдыхание загрязненного воздуха. Во-первых, потому, что человек, занятый работой средней тяжести, потребляет за рабочий день большое количество воздуха (около 20 м³), во-вторых, радиоактивное вещество, поступающее таким путем в организм человека, исключительно быстро усваивается.

 

Защита от облучения

 

Познакомимся с мерами защиты от облучения. При одном и том же потоке излучения, активности или концентрации радионуклидов защита населения на местности должна быть на порядок более эффективной, чем персонала на производстве. Различают три возможных способа защиты – временем, расстоянием и экранировкой. Защита временем – это ограничение продолжительности работы в поле излучения. Действительно, в результате предварительной радиационной разведки (дозиметристы всегда идут впереди) уточняется картограмма гамма-поля на всем рабочем пространстве. Зная, что и где нужно сделать, дозиметрист задает исполнителям допустимое время для проведения операции.

Второй способ защиты от гамма-излучения столь же прост и нагляден: защита расстоянием. Общеизвестно, что излучение точечного или локализованного источника распространяется во все стороны равномерно, т. е. является изотропным. Отсюда следует, что интенсивность излучения уменьшается с увеличением расстояния от источника по закону обратного квадрата. Следовательно, при увеличении расстояния до источника излучения в 2 раза интенсивность его уменьшается в 4 раза и т. д. Если необходимо снять картограмму гамма-поля с очень высокой мощностью дозы, это делают с максимальным удалением от такого участка.

Третий способ – защита экранированием или поглощением – основан на использовании процессов взаимодействия фотонов с веществом. Защитные свойства материалов определяются коэффициентом ослабления излучения для узкого пучка гамма-излучения. Обычно указывают главные параметры материалов защиты – слой половинного или десятикратного ослабления. Для ориентировки полезно запомнить, что слои половинного ослабления фотонов с энергией 1 МэВ составляет 1,3 см свинца или 13 см бетона. Защитная способность других веществ больше или меньше характерной для этих двух «эталонных» материалов в такой же степени, во сколько раз отличаются их плотности от плотности свинца или бетона.

 

Жизненно необходимая радиация

 

Привычка разделять все воздействующие на организм явления и вещества на вредные для него и полезные – всего лишь широко распространенное заблуждение. Ведь давно известно, как вредна, например, передозировка лекарств или даже витаминов и как необходимы бывают организму микродозы яда, например змеиного. Считавшиеся всегда только вредными вещества или эффекты могут быть в определенных дозах весьма полезными. С атомной радиацией человек поначалу столкнулся при очень больших дозах ее воздействия и не мог не убедиться в губительности этой радиации для всего живого. До сих пор не до конца изучены ее последствия, но широко распространено мнение, что она всегда вредна и что вред этот снижается с уменьшением дозы облучения.

В середине XX в. был обнаружен природный радиоактивный фон, влиявший в течение миллионов лет на жизнь нашей планеты. Многие специалисты сочли его уровень нижним пределом опасной радиации, отметив, однако, что даже один квант высокой энергии убивает клетку при прямом попадании. Эксперименты показали, что большие и малые дозы атомной радиации действуют на организм принципиально по-разному. Первые поражают множество клеток и серьезно ослабляют организм, тогда как вторые губят только отдельные клетки, а остальным дают стимул для их последующего развития.

В молекулах клеток (в ДНК, РНК, белках) при воздействии атомной радиации происходят одновременно два процесса – ионизация и возбуждение. Именно ионизации обязана радиация своим поражающим живые организмы действием. Процессом возбуждения до недавних пор пренебрегали, считая его побочным, вторичным, тогда как на самом деле он чрезвычайно важен. Вызванное малыми дозами атомной радиации (на уровне природного фона) возбуждение молекул способствует развитию клеток и всего организма в целом. Оно удлиняет сроки жизни, усиливает иммунитет, повышает всхожесть семян, увеличивает рост растений и т. д.

Положительный эффект малых доз радиации подтвержден многими экспериментами на растениях и животных – от насекомых до млекопитающих. И ничего в этом удивительного нет, поскольку жизнь на Земле возникла, развивалась и существует ныне в условиях постоянной атомной радиации.

Все знают, что чрезмерное повышение радиоактивного фона наносит немалый вред всему живому, и принятие всех возможных мер к тому, чтобы снизить его до нуля, кажется вполне естественным. Но проведенные в последние годы опыты с растениями и животными показали, что изоляция организма от естественной радиации вызывает в нем замедление самых фундаментальных жизненных процессов.

Земная колыбель человечества всегда была радиоактивной, и биологические объекты, развиваясь в поле ионизирующих излучений, не могли к этому не приспособиться. В этом отношении показательны опыты радиобиологов по выращиванию растений внутри камер, изготовленных из радиационно чистых материалов, которые практически не содержат в своем составе естественных радионуклидов. Оказалось, что в таких условиях побеги появляются позже, развитие растений замедлено, а урожай существенно ниже, чем в условиях естественного радиационного фона.

 

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: