Радиоктивные аэрозоли в стратосфере и тропосфере. Осаждение радиоактивных аэрозолей на земную поверхность

Вопрос  №1. Радиоктивные аэрозоли в стратосфере и тропосфере. Осаждение

                     радиоактивных аэрозолей  на земную поверхность.

Радиоактивные аэрозоли естествепные или искусственные с радиоактивной дисперсной фазой.

Естественные  радиоактивные аэрозоли возникают в результате радиоактивного распада изотопов радона, выделяемых с поверхности почвы в атмосферу, а также при взаимодействии частиц космического излучения с ядрами атомов химических элементов, входящих в состав воздуха. Образующиеся при этом радиоактивные атомы оседают на частицах нерадиоактивной атмосферной пыли. С поверхности почвы ветром уносится в атмосферу и пыль, содержащая радиоактивные изотопы калия, урана, тория и др. Некоторое количество радиоктивных аэрозолей попадает в атмосферу с космической пылью и метеоритами.  

Искусственные радиоактивные аэрозоли, содержащие продукты деления и радиоактивные изотопы с наведённой активностью, образуются в определённом радиусе при взрыве ядерной бомбы, а также при технологических или аварийных выбросах на предприятиях атомной промышленности, на урановых шахтах и в обогатительных цехах. 

Состав радиактивных аэрозолей зависит от их происхождения и условий существования в атмосфере.

Радиоактивность атмосферы обусловлена присутствием в атмосфере радиоактивных газов и аэрозолей, попадающих в неё в результате процессов, происходящих в природе, и деятельности человека. Соответственно различают естественную и искусственную Р. а. Естеств. радиоактивные газы являются изотопами радона: ²²²Rn - радон, ²²⁰Rn - торон, ²¹⁹Rn - актинон, и образуются вследствие радиоактивного распада ²³⁸U, ²³²Th и ²³⁵U. Они поступают в атмосферу с почвенным воздухом при обмене его с атмосферным или путём диффузии. При радиоактивном распаде изотопов Rn образуются аэрозольные продукты их распада, т. к. возникающие при этом хим. элементы относятся к металлам и не летучи при обычных условиях (Ро, Bi и др.). При этом ²²²Rn (период полураспада T_1/2= 3,8 сут) распространяется в пределах тропосферы, а его долгоживущие продукты распада ²¹⁰Pb(RaD), ²¹⁰Bi(RaE), ²¹⁰Po(RaF) обнаружены в стратосфере. Содержание ²²²Rn в воздухе над океанами на 2 порядка ниже, чем над материками, а концентрация над земной поверхностью уменьшается примерно вдвое на каждый км высоты. Торон и актинон вследствие малого значения T_1/2 (54 сек и 3,9 сек) присутствуют только у земной поверхности. Продукт распада торона ²¹²Pb(ThB) с T_1/2 = 10,6 ч обнаруживается в нижней тропосфере. В воздухе над океанами ²²⁰Rn, ²¹⁹Rn и их продукты распада практически отсутствуют.

Основная масса  естеств. радиоактивных изотопов (⁷Be, ¹⁰Be, ³⁵S, ³²P, ³³Р, ²²Na, ¹⁴С, ³Н), возникающих при взаимодействии космического излучения с ядрами атомов хим. элементов, входящих в состав воздуха, образуется в стратосфере, где и отмечаются наибольшие их концентрации.

Искусств. радиоактивные аэрозоли образуются при ядерных взрывах. Через неск. десятков сек после взрыва они содержат ~ 100 различных радиоактивных изотопов; наиболее токсичными из них считаются ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs, ¹⁴С, ¹³¹I. Высота заброса в атмосферу радиоактивных аэрозолей зависит от мощности и высоты ядерного взрыва, а характер их распространения - от размеров частиц и от высоты заброса их в атмосферу. Наиболее крупные частицы (сотни мкм и выше) быстро выпадают из атмосферы, распространяясь всего на сотни км от места взрыва (локальные выпадения). Однако в случае взрывов мощных ядерных бомб (эквивалентных десяткам мегатонн тринитротолуола) они попадают в стратосферу и, прежде чем выпадут на поверхность Земли, могут пройти в атмосфере тысячи км. Мелкие аэрозоли (размером не более неск. мкм), попавшие при взрыве в верхнюю тропосферу, обычно распространяются вдоль зонального пояса широт с запада на восток, а заброшенные в стратосферу выпадают на поверхность Земли в пределах всего полушария, а в некоторых случаях - в обоих полушариях, поэтому выпадения этих аэрозолей наз. глобальными.

Основной механизм очищения атмосферы от радиоактивных  аэрозолей - выпадение осадков. Среднее время t пребывания радиоактивного аэрозоля в нижней тропосфере (до момента его выпадения на земную поверхность) порядка неск. сут, а в верхней тропосфере 20-40 сут. Радиоактивные аэрозоли, попавшие в нижние слон стратосферы, имеют t порядка года и выше. Величина т растёт с увеличением высоты заброса в стратосферу. Обычно большая часть радиоактивных продуктов деления остаётся в пределах того полушария, где проведён взрыв ядерной бомбы.

Концентрация  продуктов деления в тропосфере растёт с высотой. Особенно большой  рост отмечается при переходе через  тропопазу. В стратосфере максимум концентрации продуктов деления по измерениям до осени 1961 отмечался на высоте 19-23 км (примерно на той же высоте, что и слой макс. концентрации нерадиоактивного аэрозоля). Радиоактивное загрязнение атмосферы от предприятий атомной пром-сти имеет чаще всего локальный характер; однако ⁸⁵Кr распределён по всей тропосфере.

Изучение распространения  в атмосфере естеств. радиоактивных аэрозолей, а так, в зависимости от их происхождения колеблется в значит. степени (см. табл.).

Искусств. радиоактивные вещества в воды поступают вместе с осадками из атмосферы (см. Радиоактивность осадков). Так, в результате испытаний ядерного оружия концентрация ⁹⁰Sr в природных водах до 1968 непрерывно возрастала, достигая в отдельных случаях 10 пкюри/л. Другой осн. источник попадания искусств. радиоактивных веществ в водоёмы - сбросные воды предприятий по производству ядерного топлива.

Лит.: Белоусова И. М., IIIтуккенберг Ю. М., Естественная радиоактивность, М., 1961; Вопросы ядерной метеорологии. Сб. ст., М., 1962, с. 259 - 71; Радиоэкология водных организмов, [в. 1-2]. Рига, 1972-73. . Г. А. Середа.

Вопрос  №2. Действие внешнего ионизирующего излучения  на организм.

Фактор радиации присутствовал на нашей планете  с момента ее образования, и как  показали дальнейшие исследования, ионизирующие излучения наряду с другими явлениями  физической, химической и биологической  природы сопровождали развитие жизни  на Земле. Однако, физическое действие радиации начало изучаться только в конце XIX столетия, а ее биологические эффекты на живые организмы -- в середине XX. Ионизационные излучения относятся к тем физическим феноменам, которые не ощущаются нашими органами чувств, сотни специалистов, работая с радиацией, получили радиационные ожоги от больших доз облучения и умерли от злокачественных опухолей, вызванных переоблучением.

Тем не менее, сегодня  мировая наука знает 6 биологическом  воздействии радиации больше, чем  о действии любых других факторов физической и биологической природы  в окружающей среде.

При изучении действия радиации на живой организм были определены следующие особенности:

· Действие ионизирующих излучений на организм не ощутимо  человеком. У людей отсутствует  орган чувств, который воспринимал  бы ионизирующие излучения. Существует так называемый период мнимого благополучия -- инкубационный период проявления действия ионизирующего излучения. Продолжительность его сокращается при облучении в больших дозах.

· Действие от малых  доз может суммироваться или  накапливаться.

· Излучение  действует не только на данный живой  организм, но и на его потомство -- это так называемый генетический эффект.

· Различные  органы живого организма имеют свою чувствительность к облучению. При  ежедневном воздействии дозы 0,002-0,005 Гр уже наступают изменения в  крови.

· Не каждый организм в целом одинаково воспринимает облучение.

· Облучение  зависит от частоты. Одноразовое  облучение в большой дозе вызывает более глубокие последствия, чем  фракционированное.

Ионизирующее  излучение может двумя способами  оказывать воздействие на человека. Первый способ -- внешнее облучение от источника, расположенного вне организма, которое в основном зависит от радиационного фона местности на которой проживает человек или от других внешних факторов. Второй -- внутреннее облучение, обусловленное поступлением внутрь организма радиоактивного вещества, главным образом с продуктами питания.

Процессы взаимодействия ионизирующего излучения с веществом  в живых организмах приводят к  специфическому биологическому действию, завершающемуся повреждением организма. В процессе этого повреждающего  действия условно можно выделить три этапа:

1. первичное действие ионизирующего излучения;
2. влияние радиации на клетки;
3. действие радиации на целый организм.

Первичным актом  этого действия является возбуждение  и ионизация молекул, в результате чего возникают свободные радикалы (прямое действие излучения) или начинается химическое превращение (радиолиз) воды, продукты которого (радикал ОН, перекись водорода — H₂O₂ и др.) вступают в химическую реакцию с молекулами биологической системы.

Первичные процессы ионизации не вызывают больших нарушений  в живых тканях. Повреждающее действие излучения связано, по-видимому, со вторичными реакциями, при которых происходит разрыв связей внутри сложных органических молекул, например SH-групп в белках, хромофорных групп азотистых оснований в ДНК, ненасыщенных связей в липидах и пр.

Влияние ионизирующего  излучения на клетки обусловлено  взаимодействием свободных радикалов  с молекулами белков, нуклеиновых  кислот и липидов, когда вследствие всех этих процессов образуются органические перекиси и возникают быстропреходящие реакции окисления. В результате перекисного окисления накапливается множество измененных молекул, в результате чего начальный радиационный эффект многократно усиливается. Все это отражается прежде всего на структуре биологических мембран, меняются их сорбционные свойства и повышается проницаемость (в том числе мембран лизосом и митохондрий). Изменения в мембранах лизосом приводят к освобождению и активации ДНК-азы, РНК-азы, катепсинов, фосфатазы, ферментов гидролиза мукополисахаридов и ряда других ферментов.

Высвобождающиеся  гидролитические ферменты могут  путем простой диффузии достичь  любой органеллы клетки, в которую  они легко проникают благодаря  повышению проницаемости мембран. Под действием этих ферментов  происходит дальнейший распад макромолекулярных  компонентов клетки, в том числе  нуклеиновых кислот, белков. Разобщение окислительного фосфорилирования в результате выхода ряда ферментов из митохондрий в свою очередь приводит к угнетению синтеза АТФ, а отсюда и к нарушению биосинтеза белков.

Таким образом, в основе радиационного поражения  клетки лежит нарушение ультраструктур клеточных органелл и связанные  с этим изменения обмена веществ. Кроме того, ионизирующая радиация вызывает образование в тканях организма  целого комплекса токсических продуктов, усиливающих лучевой эффект —  так называемых радиотоксинов. Среди них наибольшей активностью обладают продукты окисления липидов— перекиси, эпоксиды, альдегиды и кетоны. Образуясь тотчас после облучения, липидные радиотоксины стимулируют образование других биологически активных веществ — хинонов, холина, гистамина и вызывают усиленный распад белков. Будучи введенными необлученным животным, липидные радиотоксины оказывают действие, напоминающее лучевое поражение. Ионизирующее излучение оказывает наибольшее воздействие на ядро клетки, угнетая митотическую активность.

Ионизирующее  излучение действует на клетки тем  сильнее, чем они моложе и чем  менее дифференцированны. На основании морфологических признаков поражаемое органы и ткани распределяются в следующем нисходящем порядке: лимфоидные органы (лимфатические узлы, селезенка, зобная железа, лимфоидная ткань других органов), костный мозг, семенники, яичники, слизистая оболочка желудочно-кишечного тракта. Еще меньше поражаются кожа с придатками, хрящи, кости, эндотелий сосудов. Высокой радиоустойчивостью обладают паренхиматозные органы: печень, надпочечники, почки, слюнные железы, легкие.

Повреждающее  действие ионизирующего излучения  на клетки при достаточно высоких  дозах завершается гибелью. Гибель клетки в основном является результатом  подавления митотической активности и  необратимого нарушения хромосомного аппарата клетки, но возможна и интерфазная гибель (вне периода митоза) из-за нарушения метаболизма клетки и интоксикации упомянутыми выше радиотоксинами. В результате происходит опустошение тканей из-за того, что не восполняется естественная убыль клеток за счет образования новых.

Гибель клеток и опустошение тканей играют важную, роль в развитии общих поражений  организма от ионизирующего излучения  — лучевой болезни.