Земной гамма-фон

Откуда берётся земной гамма-фон? Дело в том, что большинство естественных радионуклидов: уран, торий, радий и другие, – элементы рассеянные. Они содержатся не только в рудных месторождениях, а распределены по всей земной коре. Например, среднее содержание урана в земной коре около одного грамма на тонну. Излучение естественных радионуклидов, входящих в состав горных пород, имеет две особенности. Во-первых, главную роль играет гамма-излучение, поскольку альфа– и бета-частицы поглощаются породой и грунтом, практически не выходя наружу. Во-вторых, большая часть излучений обусловлена так называемыми радиоактивными семействами, или радиоактивными рядами. То есть это не случайные радионуклиды. Рассмотрим этот вопрос подробнее.

В земной коре рассеяны такие долгоживущие радионуклиды, как уран и торий. И они очень-очень медленно, в течение миллионов и миллиардов лет, распадаются до стабильных нерадиоактивных изотопов свинца. Но долгоживущие изотопы далеко не сразу превращаются в стабильные, в ходе распада образуется целый ряд промежуточных радионуклидов. Поэтому мы имеем настоящие семейства радионуклидов: в каждом из них «отец» ряда находится в равновесии с продуктами распада. Некоторые из образующихся в ходе распада радионуклидов являются гамма-активными. Вот они-то и дают гамма-фон. Именно ту часть ЕРФ, которая облучает нас снизу.

На Земле в настоящее время сохранились три радиоактивных ряда: ряд урана-238, ряд актиноурана (устаревшее название изотопа уран-235) и ряд тория-232.

Как пример на рис. 12.1 представлен ряд урана. Дефицит места не позволяет привести наименования химических элементов полностью, указаны лишь символы.

Рис. 12.1 Ряд урана

Обратите внимание на гамма-активные радионуклиды в правой части рисунка. Они-то и формируют земной гамма-фон. Два других радиоактивных ряда дают похожие схемы.

Понятно, что гамма-фон определяется удельной активностью горных пород, которая зависит от их состава. Например, граниты всегда содержат повышенные концентрации урана: в среднем шесть, а иной раз до 60 грамм на тонну. А ещё фоновое излучение зависит от того, насколько близко породы выходят к поверхности.

Таким образом, гамма-фон зависит от географии: в конкретном месте он постоянен, пока не появляются каменные строения. Средний земной гамма-фон находится в пределах 0,3–0,6 мЗв/год, в России около 0,4 мЗв. Но в некоторых местах земного шара эта цифра гораздо, гораздо больше (рис. 12.2).

Чаще всего источником повышенной радиации являются монацитовые пески, богатые торием.

Рис. 12.2 Места с аномально высоким фоном земной радиации (графическая обработка данных [1–4])

Выходит, кое-где люди ежегодно получают дозы, сопоставимые с чернобыльскими и даже хиросимскими? Так оно и есть! За проживающими на территориях с аномально высоким фоном ведётся медицинское наблюдение. И что интересно: у местных жителей никаких отклонений в состоянии здоровья не выявляется. Ни повышенной онкозаболеваемости, ни сокращения продолжительности жизни в сравнении с низкофоновыми соседними районами [2, 4]. То же самое – и в отношении жителей горных районов с повышенным фоном космической радиации.

Но как же так? Почему последствия облучения не такие, как в Хиросиме и Чернобыле? Похоже, популяции местных жителей приспособились к высокому фону за счёт длительного естественного отбора [3].

Похожая картина и в отношении последствий ультрафиолетового облучения. После войны из беспокойной Европы многие уезжали в тихую Австралию. Среди эмигрантов оказалось немало любителей позагорать на солнечных пляжах. Но спустя годы началась настоящая эпидемия раков кожи. В том числе его агрессивнейшей формы – меланомы (когда перерождается родинка). А у аборигенов-то всё в порядке. Кстати, сегодня в Австралии действует запрет на показ по телевидению загорелых фотомоделей.

Итак, мы познакомились с двумя составными частями ЕРФ – космическим излучением и излучением горных пород. Кто постарше, помнит, как после чернобыльской аварии в метеосводках передавали, к примеру: «Сегодня радиоактивный фон составляет 10 микрорентген в час». Возникают вопросы: что включали эти данные, как эти микрорентгены стыкуются с нашими миллизивертами, и почему значения радиоактивного фона меняются: то 7, то 10, а то и больше микрорентген в час?

Радиоактивный фон, о котором нам сообщают, включает как раз уже рассмотренные нами две части ЕРФ. Мощность дозы иногда выражается в устаревших единицах – рентгенах (Р) или микрорентгенах (мкР) в час.

Один рентген примерно соответствует одному раду (или 0,01 Гр):

1 Р = 1 рад = 0,01 Гр.

Для гамма-излучения один грей соответствует одному зиверту:

1 Гр = 1 Зв (вспомним главу 3).

Значит, 1 Р = 0,01 Зв = 10 мЗв.

Сложим средние для России значения мощности дозы космического излучения (0,4 мЗв/год) и излучения горных пород (0,4 мЗв/год). Получается 0,8 мЗв/год, или 0,08 Р/год. Теперь прикинем, сколько это будет, если пересчитать на микрорентгены в час. Для этого нашу цифру надо умножить на миллион (число микрорентгенов в одном рентгене) и разделить на 8760 (часов в году):

0,08 ? (1 000 000 / 8760) = 9 мкр/ч. Всё сходится.

А почему радиоактивный фон время от времени меняется? Это зависит от космической и атмосферной составляющих: солнечной активности, времени года и даже облачности.

Но в одном и том же месте ЕРФ достаточно стабилен. В России он обычно в пределах от 5 до 20 мкР/ч (0,4–1,8 мЗв/год). Имеются ли у нас места с очень высоким фоном? Да, но аномалии не так выражены, как на рис. 12.2. О наших территориях мы побеседуем чуть позже.

Можно ли заметить изменения фона в случае какой-то радиационной аварии? Легко, особенно если авария сопровождается выбросами гамма-активных радионуклидов. Например, продукты деления урана, образующиеся в ядерном реакторе, всегда содержат гамма-активные изотопы.

Но вернёмся к естественному радиоактивному фону. Как мы знаем, он включает и третью часть.