Радионуклиды атмосферы. 
Радон в природе

Радиоактивность атмосферы Земли связана как с естественными (изотопы радона и продукты их распада, тритий, 14С, входящий в состав углекислого газа и метана и др.) так и техногенными (криптон-83, ксенон-133, тритий). Естественная радиоактивность воздуха обусловлена выделением из почв газообразных продуктов радиоактивных семейств урана-радия и тория — радона-222, радона-220 (торона), радона-219 (актинона) и дочерними продуктами их распада, находящимися, главным образом, в аэрозольной форме.

Табл. 1: Источники радона-222 в земной атмосфере.

Торон в воздухе содержится в значительно меньших количествах. Дочерние продукты распада радона и торона находятся в воздухе в виде золей, причем отношение их концентраций к концентрации самих эманаций составляет 0,9−0,4, снижаясь до 0,1 и менее после дождей. Содержание космогенных радионуклидов в приземном слое воздуха крайне незначительно. В окружающую среду радон поступает из различных источников. Большая часть выделяется из скальных пород в земной коре и переносится к поверхности потоками грунтовых вод. Основные источники выбросов радона в окружающую среду приведены в следующей таблице:

Табл. 2: Установленные выбросы 222Rn в США в 1978 г. от различных естественных и техногенных источников.

Среднее содержание 238U на материках около 3 мкг/т. При этом результирующая активность горных пород составляет 50 000 Бк/т*с, т. е. каждую секунду тонна горной породы генерирует 50 000 атомов радона. Однако радон в недрах земли распространен крайне неравномерно. Это связано с тем, что радон накапливается в тектонических нарушениях, куда он поступает по системам микротрещин из горных пород.

Величина поток радона из гонных пород определяется концентрацией в них материнских нуклидов эманации, их коллекторскими свойствами (способностью аккумулировать радон) и коэффициентом эманирования (способностью выделять накопленный16 радон). Нередки случаи, когда слаборадиоактивные породы содержат в своих пустотах и трещинах радон в количествах, в сотни и тысячи раз больших, чем более радиоактивные горные породы. При своеобразном дыхании Земли радон выделяется из горных пород в атмосферу, причем в наибольших количествах из участков Земли, в пределах которых имеются коллекторы радона.

Наиболее важный естественный источник 222Rn — распад 226Ra в почве и скальных породах в земной коре. Среднее содержание 226Ra в почве равно 2*10−12 г радия на 1 г почвы.

Гамма-излучение над горными породами и почвами за счет естественных изотопов радия, тория (и их продуктов распада) и калия колеблется обычно от 7 до 20 мкр/час, составляя в среднем 8−10 мкр/час (без учета гамма-излучения за счет космического излучения, равного 3,7- 4,6 мкр/час). В некоторых районах массового проживания человека фон естественной радиации значительно превосходит средний уровень по земному шару (за счет аномально высокого содержания в почве естественных радионуклидов, а также из-за повышения интенсивности космических лучей с увеличением высоты).

Содержание радия в морской воде колеблется в пределах (0,007−0,3)*10−12 кюри/л, в реке Миссисипи — (1−3)*10−12, в питьевой воде: Россия 1*10−12, Австрия — 6*10−12, колодцы США — до 3,5*10−12, источники: США 3*10−7, Япония 7*10−7, Чехия (Яхимов) 5*10−7, воды урановых месторождений (8−2000)*10−12 кюри/л. Источники минеральных вод СНГ: Пятигорск 3*10−12, Баку 9*10−12, Ухта 7,5*10−9, Закавказье (№ 18) 3,7*10−10, Мацеста 5*10−11 кюри/л. Радиоактивность травы равна 1*10−8 — 0,5*10−9 кюри/кг, мхов — 0,5*10−7 — 1*10−7. Содержание радия-226 в растениях и пищевых продуктах изменяется от 0,1*10−12 до 6,1*10−12 кюри/г. Содержание радия в зерне 2,3*10−15 кюри/г продукта, в картофеле 9,6*10−15, в сухом молоке1,7*10−15, в треске 4,0*10−15, моркови и капусте 1,7*10−15 кюри/г. Содержание радия-226 в теле человека колеблется в пределах (3−1400) пкюри/г (в среднем 75), радия-228 (мезоторий) 50 пкюри.

В результате радиоактивного распада изотопов радия атомы радона попадают в кристаллическую решетку минералов. Процесс выделения радона из минералов и пород в паровое или трещинное пространство получил название эманирования. Не все атомы радона могут выделиться в поровое пространство, поэтому для характеристики степени высвобождения радона используется коэффициент эманирования.

Эманирование — выделение радиоактивных изотопов радона из твердых веществ, содержащих изотопы радия. Используется, например, при поиске радиоактивных руд и минералов.

Эксхаляция — выделение газов (любых!) из горных пород, почвы, вулканов и т. п.

Замечание: при изучении выхода эманации из тел небольших размеров (например, из зерен порошков) используют термин эманирование, при изучении выхода эманации из обширных геологических структур или из слоя почвы предпочитают термин эксхаляция (эксгаляция).

Скорость эсхаляции зависит от характера породы, ее структуры и степени ее раздробленности, а также от таких параметров, как пористость влажности и температура, а также от времени суток, сезона и метеорологических условий. Различают два механизма эманирования: за счет отдачи и за счет диффузии. Чем меньше зерна породы, чем больше внешняя поверхность зерен, тем активнее идет процесс выделения радона.

Миграция радона зависит от характера заполнения порового пространства породы. В зоне аэрации, то есть выше уровня грунтовых вод, поры и трещины пород и почв заполнены, как правило, воздухом. Ниже уровня грунтовых вод все пустотное пространство пород заполнено водой (в нефтегазоносных районах оно может быть также заполнено нефтью и газом). В первом случае радон как всякий газ распространяется по законам диффузии. Во втором — может также мигрировать вместе с водой. Дальность миграции радона определяется его периодом полураспада. Поскольку этот период не очень велик, дальность миграции радона не может быть большой. Для сухой породы она больше, однако, как правило, радон мигрирует в водной среде. Именно поэтому наибольший интерес представляет изучение поведение радона в воде.

Концентрации изотопов радона и продуктов их распада в приземном слое воздуха разных районов земного шара различны; водная поверхность, снежный и ледовый покровы препятствуют выходу радиоактивных газов из почв и горных пород, эманирование же из самих этих объектов очень мало. Поэтому среднее содержание радона-222 в воздухе континентальных областей равно примерно 3,7 (0,1), в приморских районах и на островах — 0,37 (0,01), над океанами и полярными областями — 0,037 Бк/м3 (0,001 пКи/л).

Во всех местах залегания урановых и ториевых минералов, радон и торон поступают в атмосферу путем диффузии (Важную роль играет и процесс отдачи, но мы им займемся позднее). Поскольку выделение радона из почвы сильно зависит от типа почвы в данной местности и от атмосферных условий, поток радона из почвы и соответствующие его концентрации в атмосфере сильно изменяются в зависимости от местности и времени суток. Однако существует достаточное число данных для того, чтобы оценить выбросы радона от этого источника значением 4,44*1018 Бк/год. Относительно малые количества (менее 0,2%) приходятся на долю деятельности по добыче урана и на долю отвалов переработанных руд, т. е. на деятельность, связанную с производством ядерной энергии. Средние концентрации радона и торона в воздухе составляют 1−3*10−13 и 0,5*10−13 кюри/л. В районах повышенной естественной радиоактивности эти значения могут быть выше в несколько десятков раз. Выход радона и торона из почвы в атмосферу (эксхаляция) колеблется от времени года. Так, эксхаляция радона в Павловске (под Петербургом) в среднем составляет весной, летом, осенью и зимой 2,6; 6,6; 7,7 и 5,2*10−10 кюри/м3*ч.

Помимо содержания естественных радиоактивных элементов урана и тория в почве большое влияние на величину удельной концентрации радона и торона в атмосферном воздухе оказывают условия перемещения воздушных масс. Наибольшая концентрация изотопов радона наблюдается в приземном слое атмосферы, с увеличением высоты она уменьшается. Если концентрацию этих газов на уровне почвы принять за 100%, то на высоте 100 м концентрация радона 69%, а торона 25%. До 90% активности естественных радиоактивных изотопов, содержащихся в воздухе, сорбировано на частицах диаметром не более 5 микрон; при этом основная часть активности приходится на аэрозоли диаметром от 0,001 до 0,4 мк.