Радиация и защита

      Причину подобных изменений выяснил английский исследователь Е.Н.Паркер в 1966-1967 гг. Оказалось, что в годы солнечной активности усиливаются потоки плазмы, низкоэнергетичных протонов и электронов, испускаемых Солнцем, известные в астрономии под названием «солнечного ветра». Солнечный ветер оказывает влияние на магнитные поля Земли, усиливая их способность отклонять галактические космические лучи. Излучения солнечного ветра малоэнергетичны и также не пробиваются через магнитные поля. В годы усиленной солнечной активности вследствие увеличения магнитной защиты интенсивность космического облучения Земли снижается, и наоборот, наибольшая облученность Земли космической радиацией наблюдается в годы спокойного Солнца.

      Высокоэнергетичные (40-100 МэВ) космические лучи, прошедшие  через магнитное поле, врываются  в атмосферу. Очень немногие из них  проникают через всю атмосферу и достигают поверхности Земли. Большинство же, сталкиваясь с атомами азота, кислорода, углерода, атмосферы, взаимодействует с ядрами этих атомов, и, образно выражаясь, разбивает их вдребезги, рождая множество новых частиц: протонов, нейтронов, π-мезонов (пионов), μ-мезонов (мионов)(3), образующих вторичное космическое излучение. Так как эти частицы тоже обладают энергией в десятки МэВ, то, сталкиваясь с другими ядрами, они порождают новые потоки излучений, образуя каскад вторичных космических лучей.

      Часть нейтронов захватывается ядрами азота, образуя радиоактивный углерод  С14. Мионы легко проникают в  нижнюю часть атмосферы и доходят  до поверхности Земли, составляя  космическую часть естественного  фона радиации.

      На  уровне моря вторичные космические лучи в виде потока нейтронов, мионов и электронов составляют около 30% от всего облучения биосферы. С высотой доза облучения от космических лучей значительно возрастает. Для жителей гор (1,5-2 км над уровнем моря) она почти в два раза выше, чем для жителей равнин. На высоте 10 км, на которой проходят трассы современной реактивной авиации, облученность космической радиацией уже на порядок выше, чем на уровне моря. На высоте 20 км она возрастает более чем на два порядка.

      Эта высота интересна с двух точек зрения:

      На  такой высоте будут летать в ближайшем  будущем пассажирские сверхзвуковые  самолеты. Следует отметить, что  на такой высоте резко увеличивается  количество высокоэнергетичных тяжелых  частиц, почти не достигающих поверхности  Земли. Радиация от солнечных вспышек, фактически не влияющая на дозы облучения на поверхности Земли, на высоте 20 км будет резко увеличивать дозы облучения в сотни и даже в тысячи раз.

      Высота  в 20 км интересна и с другой точки  зрения. В тропических широтах  Земли мощные потоки нагретого воздуха уносят в верхние слои атмосферы значительное количество микроорганизмов, бактерий, спор, организмов морского планктона. Определение плотности органического вещества на разных высотах показало, что именно на высоте 15-20 км она достигает наибольшей величины – до 10 частиц (аэронов) на 1 см3. На этой высоте аэроны будут находиться 3-4 месяца, медленно передвигаясь в области средних широт. Принимая во внимание высокую мощность космических лучей, доза, полученная микроорганизмами, может достигнуть нескольких рад. В средних широтах облученные микроорганизмы войдут в нижние слои атмосферы и выпадут с осадками на поверхность Земли.

      Глубокая  проникающая способность вторичных  космических лучей объясняется  большой энергией. Вот почему так  трудно избавиться от их постоянного воздействия. Для проведения экспериментов с резко пониженным космическим облучением физики оборудуют специальные лаборатории в туннелях, проложенных у основания высоких гор. В таблице представлены дозы облучения человека космическими излучениями в разных условиях существования. 

      Земная  радиация 

      Все живое на Земле находится под  постоянным воздействием излучений  от рассеянных в окружающей нас природе  радиоактивных нуклидов. Одни из них постоянно образуются в атмосфере и на поверхности Земли в результате ядерных реакций, осуществляемых космическими лучами. Как уже говорилось выше, захват нейтрона атомом азота ведет к образованию радиоактивного углерода С14. За счет ядерных столкновений образуются радионуклиды Н3 (тритий), Ве7 (радиоактивный изотоп бериллия), Na22 и Na24 (радиоактивные изотопы натрия). С точки зрения внешних облучателей С14и Н3 не принимаются во внимание ввиду очень мягкого излучения этих изотопов. Радиоактивные бериллий и натрий дают высокоэнергетичные и, следовательно, глубоко проникающие β- и γ-излучения, т.е. участвуют во внешнем облучении организмов. Однако их образуется настолько мало, что удельный вклад в общую облученность оказывается ничтожным.

      Иначе дело обстоит с естественными радионуклидами, такими, как уран, торий и радиоактивный изотоп калия К40, и продуктами их распада. Как известно, уран-238 образует целую серию продуктов распада. Многие короткоживущие, промежуточно образующиеся нуклиды, являются также и β-излучателями. Природный радий, например, излучает α-, β- и γ-лучи, так как всегда содержит некоторое количество таких продуктов распада (дочерние элементы).

      Длительно живущие элементы – уран, радий, свинец-210 – составляют значительную часть земного излучения. Радон всегда присутствует в приземном воздухе, вызывая облучение поверхности тела и легких при его вдыхании. То же можно сказать и о втором широко распространенном естественном радионуклиде – тории Th232, имеющем время полураспада (в.п.) 1,41*1010 года. При распаде радиоактивного тория образуются радий228 (в.п. 5,8 лет), торий-228 (в.п. 1,9 года), короткоживущий радон-220 (в.п. 55 с), превращаясь в конечном результате в стабильный изотоп свинца Pb208.

      Наконец, третий, самый распространенный естественный радионуклид – это радиоактивный 40К постоянно сопровождающий природный, стабильный калий, имеющий время полураспада 1,26*109 лет и испускающий при распаде β=1,38 МэВ и γ=1,46 МэВ лучи.

      Облучение от земных радионуклидов в большей  степени зависит от снежного покрова, влажности почвы и даже времени суток. Действительно, слой снега и большая влажность экранируют излучения почвы, и общая доза в приземной атмосфере снижается. Ночью с понижением температуры газообразный радон рассеивается медленнее, чем днем в жаркую погоду, и доза облучения на поверхности возрастает.

      В различных частях света, в разных странах и отдельных местностях концентрация естественных радионуклидов  подвержена значительным колебаниям, и соответственно изменяется средняя  облученность населения.

      Заметно меняется облученность тела человека в зависимости от времени, которое  он проводит в закрытых помещениях: дома, на службе, на заводах, в шахтах. Следует учитывать два обстоятельства: материал, из которого построено помещение, и качество вентиляции. Последнее обстоятельство связано с концентрацией радона, в основном действующего на ткани легких.

      Воздействие строительных материалов может проявляться  двояко. С одной стороны, они защищают наше тело от внешней радиации, поглощая ее в своей толщи. С другой стороны, многие строительные материалы сами богаты радиоактивными естественными нуклидами и поэтому могут повышать мощность облучения в помещениях. Такие строительные материалы, как дерево, тепловые прокладки (войлок, стружки), почти не содержат или содержат очень мало радиоактивных нуклидов. В деревянных помещениях средний уровень облученности меньше, чем снаружи, вне дома. Отношение мощностей облучения внутри дома к внешнему облучению оказывается меньше единицы – 0,7-0,6 (коэффициент защиты). Низко радиоактивны и большинство пластиков, природный цемент, мрамор, дающие коэффициент защиты 0,8-0,9. С другой стороны, такие строительные материалы, как гранит, кирпич и бетон, имеющие в своем составе естественные радионуклиды, собственным излучением перекрывают защиту от внешнего облучения, и коэффициент возрастает от 1,3 до 1,7. Так, например, измерения, проведенные во многих домах в Швеции, показали, что средняя мощность облучения вне помещения в 90 мрад/год в деревянных домах снижалась до 57, в кирпичных поднималась до 112, а в бетонных достигала 172 мрад/год. Обратная зависимость наблюдалась в колебаниях облучения в районах с повышенной естественной радиоактивностью. Например, исследования, проведенные в районе Керала (Индия), показали, что в легких деревянных, бамбуковых и глиняных хижинах облучение было высоким (в некоторых местностях достигало 2800 мрад/год), так как эти материалы не защищали от высокого внешнего фона, а в кирпичных и цементных зданиях проявлялась защита, и мощность дозы снижалась до 500-700 мрад/год.

      Таким образом, внешнее облучение в  биосфере на поверхности Земли в  нормальных условиях, примерно на высоте 1 м от ее поверхности, слагается  из космических лучей (28,3 мрад/год) и  земной радиации (32 мрад/год). В сумме  организм человека получает 60 мрад/ год. Эта величина заметно больше в горах и районах повышенной радиоактивности. 

      Особенности внешнего и внутреннего  облучения 

      Естественные  радионуклиды постоянно вовлекаются  в круговорот веществ, который так  характерен для живых организмов. Пути и степень их проникновения в живые организмы будут зависеть от природы радионуклида. Радиоактивный изотоп углерода С14 постоянно образуется в верхних слоях атмосферы благодаря ядерной реакции космических лучей (нейтронов) с азотом: 

      n+N14→p+C14 

      Окисляясь с кислородом или озоном, этот углерод  превращается в радиоактивную углекислоту: 

      С14+О2→ C14 О2 

      Последняя, равномерно перемешиваясь с обычной  углекислотой (на что уходит около  года), поглощается зелеными листьями растений в процессе фотосинтеза.

      Хорошо  известно, что все части растения строятся из продуктов фотосинтеза. Таким образом, углеводы, жиры, белки  и другие компоненты растений, содержащие углерод, будут слабо радиоактивны и, поступая в качестве пищи в организм животного и человека, создают постоянно действующий небольшой уровень внутреннего облучения. Период полураспада С14 очень велик (5720 лет), поэтому он существует тысячелетия на нашей планете.

      Установлено, что скорость образования С14 в  верхних слоях атмосферы составляет 2,28 атома в 1 см3 в секунду. Это значит, что за год его образуется 0,038 МКи. Эта цифра согласуется с содержанием С14 в атмосфере в целом, которое равно 3,8 МКи.

      В атмосфере содержится около 1/60 части  всего углерода (биосфера, океан, осадочные  породы). На нашей планете около 230 МКи С14, чио сообщает природному углероду активность, равную 6,1 пКи на1 г углерода. Это очень слабая активность, дающая за год облучение тканей человека в пределах 0,5-2,2 мрад.

      Значительно больший вклад в суммарную  активность вносит такой природный нуклид, как радиоактивный изотоп калия К40. в обычном калии всегда содержится в очень небольшом количестве (0,0118%) радиоактивный изотоп К40. Без калия не происходит нормального развития организмов, без него невозможна жизнь. Содержание калия строго регулируется как в животном, так и в растительном организмах. Его концентрация в растениях выше, чем в живых тканях. Существуют специальные механизмы, работающие в биомембранах, которые регулируют распределение калия в организме человека. Его содержание в эритроцитах крови достигает 460 мг%, в мышцах – 360 мг%, в головном мозге – 330 мг%. Калия мало в костной ткани (50 мг%) и значительно меньше в сыворотке крови (20 мг%). В мужском организме по сравнению с женским его больше, особенно в период полового созревания. Молодой, энергично функционирующий организм содержит больше калия на 1 кг веса, чем старый. Эти данные получены при обследовании 859 человек обоего пола в камерах, позволяющих учитывать уровень и спектр излучения всего тела.

      Соответственно  содежанию калия меняется и облученность ткани от К40. Исходя из его среднего содержания в человеческом организме (200 мг%), можно рассчитать, что К40 усилит общую мощность облучения на 19 мрад/год. В различных тканях эта величина колеблется: в гонадах 9-21, ткани легких 10-24 и в костном мозге 16-38 мрад/год.

      Уран, торий, радий повсеместно распространены в земной коре. Как показали специальные  эксперименты, торий почти не усваивается  растениями. Его содержание ничтожно мало в собираемом урожае и в зеленой  массе растений, поэтому его можно не рассматривать как внутренний излучатель в организмах растений, животных и человека.

      Иначе ведут себя уран и радий. Соли урана  из почвы поступают в растение. Некоторые виды растений активно  концентрируют уран. Было даже предложено использовать некоторые виды как своеобразные индикаторы присутствия урана в окружающей среде.

      С растительной пищей уран попадает в  организм животных и человека (около 0,2-0,9 пКи в день). Это количество в отдельных местностях, богатых  урановыми солями, может повышаться до 1,2 пКи в день. Очень немного урана (1,4*10-3 пКи в день) поглощается за счет вдыхания пыли окружающего воздуха, которая всегда содержит небольшие количества этого нуклида. Значительно большие количества урана могут поступить в организм человека за счет воды некоторых минеральных источников. Если обычная питьевая вода содержит менее 0,03 пКи/л урана, то в некоторых местностях его содержание в воде доходит до 20 пКи/л.

      Внутреннее  облучение по сравнению с внешним  отличается рядом особенностей:

      Если  при внешнем облучении учитывалось  только γ-излучение, то при внутреннем основное действие оказывают α- и  β-излучения, имеющие возможность  действовать непосредственно на жизненно важные ткани и органы человека.

      Большинство радиоактивных изотопов накапливается в определенных тканях, что приводит к неравномерному облучению отдельных частей организма.

      Внутреннее  облучение действует все время, пока радиоактивные вещества находятся  внутри организма.

      Данные  радиобиологических исследований показывают, что не все органы и ткани человеческого организма обладают одинаковой чувствительностью к облучению. Наиболее чувствительны гонады – половые железы и органы кроветворения. Поэтому помимо общей дозы облучения, получаемой человеком, необходимо также знать дозу, получаемую гонадами.