Файл: Перцов Л.А. Ионизирующие излучения биосферы.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 11.04.2024

Просмотров: 127

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

как силовые линии магнитных полей изёгнуты в беспорядочных направлениях, то эти поля в пределах Галактики практически однородны (изотропны). Космические частицы по этой причине поступают на поверхность Земли со всех сторон и примерно с

одинаковой

интенсивностью.

 

 

 

Попадая в верхние слои атмосферы, космические частицы

вступают

во

взаимодействие с

воздушной

средой,

образуя

электронно-фотонные и

электронно-ядерные

ливни,

состоящие

из вторичных

нуклонов

(протонов

и нейтронов), нейтральных

изаряженных я-мезонов и более тяжелых мезонов [9] .

Врезультате этих ядерных преобразований в космическом Потоке различают первичное (ПКИ) и вторичное (ВКИ) косми­ ческое излучение. Первое наблюдается за пределами атмосферы,

а второе — даже на уровне моря.

В состав ПКИ кроме протонов и нейтронов входят ядра

трития, гелия, лития,

бериллия, бора,

углерода,

кислорода

и т. д. до тяжелых элементов. Недавно в составе

ПКИ

были

обнаружены частицы

с 2=106 [10]. В

связи с тем

что

длина

свободного пробега значительной части корпускулярных частиц,

входящих

в состав ПКИ, не превышает

толщи воды в

1 м

(100 г/см2),

а экранирующее свойство атмосферы эквивалентно

слою воды в I м, до земной поверхности

ПКИ практически

не

доходят.

 

 

 

По мере приближения к поверхности Земли состав ВКИ последовательно видоизменяется, и на уровне моря его поток

состоит примерно

на 80% из мезонов, 20% электронов

и около

0,02%

первичных

протонов, в то

время

как на высоте 30 км

ВКИ

состоит

на

37% из протонов,

60%

нейтронов и

примерно

3% различных

ядер.

 

 

 

На уровне моря ВКИ состоит из двух компонентов, весьма различающихся по своим свойствам. Частицы одного сильно поглощаются в веществе, причем эффект их поглощения сущест­ венно зависит от порядкового номера вещества. Эта составляю­

щая

космических

лучей в основном

представлена электронами

и названа мягкой. Другой компонент

ВКИ характеризуется сла­

бым

поглощением,

обладает высокой проникающей способ­

ностью, в основном представлен ц-мезонами и назван жесткой составляющей. На уровне моря на долю жесткой составляющей приходится около 70% полной интенсивности ВКИ, а на долю мягкой — примерно 30%.

На рис. 8 приведена нормированная кривая, характеризую­ щая изменение интенсивности жесткого компонента ВКИ по мере погружения в воду на большие глубины. Здесь в логариф­ мическом масштабе по оси ординат отложена глубина (в мет­ рах), а по оси абсцисс — интенсивность [11].

Космическое излучение Солнца имеет периодический харак­ тер, возникает во время усиления солнечной активности и свя­ зано с хромосферными вспышками.


Хромосферные вспышки на Солнце представляют собой сложный процесс, сопровождающийся выбросом в космическое пространство колоссального количества перегретого вещества.

Скорость

извержения

газов достигает

500 км/сек

[12]. Выбросы

эти, по-видимому, вызыва­

 

 

 

 

ются

давлением

 

 

потока

 

 

 

 

ионизованной

плазмы,

кото­

 

 

 

 

рая и формирует так назы­

 

 

 

 

ваемое

 

космическое

излу­

 

 

 

 

чение Солнца [13]. В состав

 

 

 

 

этого

ионизирующего

излу­

 

 

 

 

чения входят протоны, а-ча­

 

 

 

 

стицы,

более

тяжелые

ядра

 

 

 

 

и рентгеновское

 

излучение.

 

 

 

 

 

Характер

 

соотношения

 

 

 

 

ядерного

состава

солнечно­

 

 

 

 

го

космического

и

галакти­

 

 

 

 

ческого

излучения

 

иллюст­

 

 

 

 

рируется

данными,

 

приве­

 

 

 

 

денными

в табл.

13.

 

 

 

 

 

 

 

В зависимости

от

энер­

 

 

 

 

гии

заряженных

 

частиц,

 

 

 

 

выбрасываемых

при

 

хромо-

 

 

 

 

сферных

вспышках,

послед­

 

 

 

 

ние

условно

делят

на

три

 

 

 

 

группы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

К п е р в о й

 

 

г р у п п е

 

 

 

 

относят

 

мощные

вспышки,

10000

 

 

при

которых возникают

ча­

 

 

 

10

 

 

стицы с энергией в несколь­

 

 

 

 

Количество частиц, 1^мг-сек-стераЬ^

ко

десятков

гигаэлектрон-

 

вольт. Частицы

таких

энер­

 

Рис. 8.

Глубинный ход ВКИ.

гий

достигают

 

земной

по­

 

 

 

 

верхности

и увеличивают

общую

интенсивность

ионизирующего

излучения. Поэтому во время одной из таких мощных вспышек (23 февраля 1956 г.) интенсивность космического излучения в Москве увеличилась примерно в 4 раза [5] .

К о в т о р о й г р у п п е относятся солнечные вспышки, при­ водящие к генерации космических лучей с энергией в несколько сотен мегаэлектронвольт. Такие вспышки происходят довольно

часто, в период

солнечной

активности почти ежемесячно.

К т р е т ь е й

г р у п п е

относятся вспышки, при которых кос­

мические частицы имеют энергию от нескольких десятков до нескольких сотен мегаэлектронвольт. Такие частицы не дости­ гают верхних слоев атмосферы, задерживаясь в магнитных по­ лях Земли.

Обычно продолжительность вспышки невелика, не превы­ шает 30 мин. Но иногда она длится несколько часов [15].

4* 51


 

 

 

 

Т а б л и ц а ІЗ

Ядерный состав галактического

и солнечного космического излучения [14]

 

Галакти­

Солнечное

 

Галакти­

Солнечное

Элемент

ческое

Элемент

ческое

излучение

излучение

 

излучение

 

излучение

 

 

 

 

Гелий

38

175

Азот

0,46

0,16

Литий

0,27

0,001

Кислород

0,61

0,7

Бериллий

0,19

0,001

Магний

0,15

0,05

Бор

0,43

0,001

Алюминий

0,03

0,004

Углерод

1

1

 

 

 

Колебания космического фона. Помимо солнечных хромо­ сферних вспышек на интенсивность потока ВКИ некоторое влияние оказывают и другие процессы, происходящие на Солнце и обусловливающие так называемые двадцатисемидневные и одиннадцатилетние вариации. Однако влияние этих вариаций не существенно и ощущается только на достаточно больших высо­ тах [16, 17].

Изучение концентрации 1 4 С в образцах деревьев, произрастав­

ших в различные исторические эпохи,

позволило обнаружить

имевшее в прошлом место изменение

мощности

космического

излучения с периодами в 100 и 1000 лет.

 

 

 

 

Более существенное изменение мощности ВКИ у поверхности

Земли наблюдается при подъеме вверх

и при перемещении из

экваториальных

областей

в полярные или наоборот. Закономер­

ное изменение

мощности

ВКИ

по высоте

получило

название

барометрического

эффекта, связанного

в

основном

с тем, что

чем выше над уровнем моря,

тем меньше

слой

экранирующей

атмосферы. Изменение мощности дозы, возникающее при широт­ ных перемещениях, получило название широтного эффекта и обусловливается, с одной стороны, тем, что мощность тропосфер­ ного слоя воздуха в районе экватора значительно больше, чем над полюсами. Поэтому экранирующее влияние воздушной обо­ лочки от ВКИ в районе экватора существеннее, чем в полярных областях. С другой стороны, поскольку частицы космического излучения имеют электрический заряд, их траектория в боль­ шей мере искривляется магнитным полем Земли в области экватора.

Отклонение космических лучей геомагнитным полем приво­ дит к тому, что частицы с малой энергией вообще не дости­ гают поверхности Земли, особенно на низких широтах в эквато­ риальной области [18].

Широтный эффект на уровне моря составляет около 10% и резко возрастает при подъеме. Так как колебания интенсивности потока ВКИ сопряжены с одновременным смещением его спек­ трального состава, то это приводит к существенным изменениям ионизирующего эффекта.


Относительная

биологическая

эффективность

космических

лучей на уровне моря, как

считает

Ю. М. Штуккенберг [19], рав­

на примерно 2,

на

высоте

4,5 км

ОБЭ равна 2,5,

а на высоте

9 км ОБЭ равна

3.

 

 

 

 

2Q\

i l l

і і

I і

I і

I

 

О

2

t

S

8

W

 

 

Высота над уровнем моря, км

 

Рис. 9.

Изменение

мощности

дозы

ВКИ

при

подъеме

и

широтном

перемещении.

 

 

Непосредственные измерения потока космического излучения, проведенные в Антарктиде в поселке Мирном, позволили уста­ новить, что годовая доза облучения его жителей достигает

ПО мбэр, в то время как в средних широтах она не превышает 88 мбэр [20].

Изменения мощности дозы космической радиации под влия­ нием высотного и широтного эффектов с учетом соответствую­ щего сдвига ОБЭ графически представлены на рис. 9. На этом рисунке по оси ординат отложена тканевая доза, по оси абс­ цисс— высота подъема над уровнем моря.

Основные физические параметры, характеризующие косми­ ческое излучение на различных высотах, представлены в табл. 14.

Т а б л и ц а 14

Характеристика космического излучения

Характеристика

Энергия, получаемая в секунду каждым 1 см2 атмосферы, эв

Нижний предел энергии частиц, преодолева­ ющих магнитное поле Земли, эв

Средняя энергия частицы, достигающей Зем­ ли, эв

Вероятное число частиц, проникающих через каждый 1 см* внешней поверхности атмо­ сферы в 1 мин, эв

Общее число частиц и квантов, приходящих в атмосферу в 1 сек

Общая энергия, поступающая в верхние слои атмосферы в 1 сек, Гэв

Среднее число частиц и квантов в верхних

слоях

атмосферы,

см2/сек

 

 

Средняя

энергия

всех

падающих

частиц (ши­

рота более 40°), Гэв

 

 

Средняя

энергия

всех

падающих

частиц (все

области), Гэв

 

 

 

 

Энергия

космического

излучения,

достигающе­

го поверхности

атмосферы,

эрг/'(см2-сек)

Средняя

энергия

космического

 

излучения,

входящего в атмосферу, эв

 

 

Энергия, необходимая для ионизации столба

воздуха от поверхности

Земли

до верхних

слоев атмосферы сечением

1 см2

на широте

60°,

эрг/(см2-сек)

 

1 сек

Число пар иснов в таком столбе в

То же, в

1 сек на 1 см

 

 

Общее число у-квантов на уровне моря,

квант/(мин-см2)

Число пар ионов, образующееся на уровне моря под действием К.И в 1 CJH3

Геомагнитная широта, град

 

39

1-Ю9

1,7.10е

15.10»

8 , Ы 0 9

З Л О "

1,6-Юю

1,9

6,5

8- 101'

9- 101°

0,16

7

11

3 , 8 - 1 0 - »

• 7 - Ю - 8

3 , 8 1 0 - 3

7,4-10?

90

1,2

1,63


§ 2. ИОНИЗИРУЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ПОЧВЫ

Наблюдаемое у поверхности земли у-излучение своим пропсхождением в основном обязано тем радиоактивным элементам, которые широко диспергированы в почвах. По степени значи­ мости вклада в суммарную дозу у-излучения эти радионуклиды можно условно свести в две большие группы.

В первую группу следует отнести 2 3 8 U , ^ U , 2 3 2 Th и 4 Э К. Удельная активность и распространенность этих четырех эле­ ментов и их дочерних продуктов в совокупности делают их основными источниками радиоактивности горных пород и почв.

Вторая группа (например, 1 1 5 1п, l 4 7 Sm) состоит из радио­ активных ядер, о которых известно, что они присутствуют в био­ сфере, однако распространенность и удельная активность их пренебрежимо малы. Вклад их в полный поток у-изл>чения био­ сферы составляет тысячные или меньшие доли и поэтому, как

правило, в экологии и гигиенических

исследованиях во внима­

ние не принимается.

 

Зависимость радиоактивности почв от состава материнских

пород. Законы развития природного

ландшафта, формирования

особенностей его геохимии свидетельствует о том, что основным источником радиоактивных элементов, содержащихся в почве, являются почвообразующие горные породы. Поэтому в некото­ рых случаях существует хорошо выраженная, генетически обус­ ловленная связь между степенью и характером радиоактив­ ности почвы и концентрацией радиоактивных элементов в мате­ ринской породе.

Известно также, что почвы, образовавшиеся из продуктов разрушения кислых горных пород, часто содержат больше ра­ диоактивных элементов, чем возникающие на основных или

ультраосновных массивах. Кроме того, обнаружено,

что чем

больше

в почве содержится глинистых частиц, тем

выше ее

удельная

активность.

 

Глинистые частицы на своей поверхности несут

большое

количество отрицательных зарядов и поэтому могут притягивать положительные ионы, что является одним из важных свойств

почвы.

 

 

Если бы глинистые частицы

почвы не сорбировали элементы

в ионной форме, то растворенные питательные

вещества не

могли бы долго задерживаться

в почве и быстро

выщелачива­

лись бы из нее. Благодаря этим свойствам пелитовых* частиц почвы происходит удерживание в ней и радионуклидов. Подсчи­ тано, что суммарная поверхность глинистых частиц в 1 м3 суг­ линка занимает площадь более 1 км2.

Зависимость активности грунта от содержания в нем пелитовых частиц наглядно иллюстрируется кривой на рис. 10,

* Коллоидные осадочные частицы грунта,