Естественная и искусственная радиоактивность природных вод

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Поступление радионуклидов в окружающую среду

1.1. Естественная радиоактивность

1.2.Искусственная радиоактивность

2. Радионуклиды в гидросфере

2.1. Естественная радиоактивность гидросферы

2.2. Искусственная радиоактивность гидросферы

2.3. Актиниды в гидросфере

Выводы

Список использованной литературы



Введение

Определение естественных и техногенных радионуклидов в объектах окружающей среды (в воздухе, в природных водах и почвах, в продуктах питания) позволяет оценить возможную опасность радиационного воздействия на здоровье человека. В то же время исследование распределения радионуклидов в окружающей среде может дать ценную информацию о происходящих в ней процессах. Радионуклидные методы применяются для изучения перемещения водных и воздушных масс, определения времени жизни аэрозолей, датирования геологических и археологических объектов.

Загрязнение поверхностных вод началось в центральной России еще в XVI в., когда начали удобрять поля навозом. С тех пор в центральных районах страны основным загрязнителем вод было сельское хозяйство. В более северных районах большую роль играл сплав леса, особенно молевой, при котором бревна тонули и гнили в воде. С развитием промышленности и ростом городов стала расти роль коммунальных и промышленных загрязнений.

Резкое усиление загрязнений произошло в ХХ в. Особая опасность связана с совпадением периода роста сбросов загрязненных сточных вод и многовековой тенденции нарастания сухости климата, снижения водности водоемов. В этих условиях растут концентрации поллютантов в растворах и, следовательно, степень их вредного воздействия на природные системы и здоровье человека.

Цель работы заключается в рассмотрении естественной и искусственной радиоактивности природных вод.



1. ПОСТУПЛЕНИЕ РАДИОНУКЛИДОВ В ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

1.1 ЕСТЕСТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ

Природные радионуклиды можно разделить на две большие группы - первичные, т.е. те, которые образовались одновременно со стабильным веществом Земли, и космогенные, которые образуются постоянно в результате ядерных реакций под действием космического излучения или поступают со внеземным веществом.Очевидно, к настоящему моменту в окружающей среде присутствуют только те первичные радионуклиды, период полураспада которых соизмерим с возрастом Земли ( табл. 1)

Таблица 1. Основные первичные радионуклиды

Радионуклид	Т 1/2, лет	Доля в природной смеси изотопов, %
238U	4, 5*109	99, 27
235U	7,0*108	0,72
232Th	1,4*1010	100
40K	1,3*109	0,0117
87Rb	4.9*1010	27,8
150Nd	5*1010	5,6
147Sm	1,6*1011	15,07
176Lu	3,6*1010	2,6
138La	1*1011	0,089

Три первичных радионуклида- ²³⁸U, ²³⁵U и ²³²Th - являются родоначальниками естественных радиоактивных рядов. С течением времени в естественных радиоактивных рядах установилось вековое равновесие - состояние, в котором радиоактивности (но не количества ядер) всех членов ряда равны между собой. Вековое равновесие между радионуклидами устанавливается в том случае, если период полураспада материнского радионуклида велик по сравнению с периодом полураспада дочернего. Накопление дочернего радионуклида подчиняется закону

A= A₀( 1-e^-лt)

где А - активность дочернего радионуклида, А₀ - активность материнского радионуклида, л- постоянная радиоактивного распада дочернего радионуклида, t- время, прошедшее с начала накопления дочернего радионуклида.

Для установления радиоактивного равновесия достаточен промежуток времени, равный 10 периодам полураспада дочернего радионуклида. Различные геохимические процессы могут приводить к фракционированию членов радиоактивных рядов, поэтому вековое равновесие сохраняется только в системе, замкнутой относительно материнского и дочерних радионуклидов.

Когда образовалась Земля, в состав природной смеси изотопов урана входило определенное количество урана-238, и миллиард лет назад доля урана-235 в природном уране была значительно выше. Для поддержания устойчивой работы ядерного реактора достаточно 3% урана-235.

В настоящее время именно природные радионуклиды составляют основу дозовой нагрузки на человека.

А. Беккерель, изучая флуоресценцию соединений урана, установил примерно через 100 дней после открытия рентгеновских лучей, что фотопластинки, даже завернутые в черную бумагу, темнеют при соседстве с солями урана. Явление было названо «радиоактивность»

В последствии было показано, что радиоактивность-это самопроизвольный распад атомных ядер вещества с испусканием ядерных излучений:б-частиц (ядер гелия), в-частиц (электронов) и г-квантов. Позже были открыты и другие, более редкие виды распада: спонтанное деление ядер, двойной в- распад, испускание ядерных кластеров и т.д.

б-Частицы и г-кванты, испускаемые ядрами при радиоактивных превращениях, обладают дискретными значениями энергии, так как они возникают при переходе ядер из одного определенного энергетического состояния в другое. Распределение частиц или квантов по энергиям называется спектром. Спектры б-частиц и г-квантов дискретны. [13]

При в- распаде одновременно с в- частицами испускается нейтрино, и энергия распада распределяется между в- частицей и нейтрино. В результате в- частицы обладают не дискретным, а непрерывным спектром.

Для оценки воздействия ионизирующего излучения на вещества и живые организмы используют понятие «дозы». Поглощенная доза-это отношение энергии, переданной веществу излучением, к массе вещества. Единица поглощенной дозы-грей (1 Гр=1 Дж/кг). Для оценки воздействия излучения на живые организмы используют эквивалентную дозу, при расчете которой учитывается тот факт, что ионизирующие излучения разного типа и энергии по-разному воздействуют на организм. Единицей эквивалентной дозы в системе СИ является зиверт (Зв). Поглощенная доза трудно поддается непосредственным измерениям, поэтому для расчета эквивалентной и поглощенной доз используют экспозиционную дозу, являющуюся мерой ионизации, т.е. непосредственно измеряемой величиной. Единицей экспозиционной дозы является рентген (Р).

1.2 ИСКУССТВЕННЫЕ РАДИОНУКЛИДЫ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ

Искусственные радионуклиды поступают в окружающую среду в результате испытаний ядерного оружия, ядерных взрывов, проводившихся в мирных целях, а также деятельности предприятий ЯТЦ. Локальными источниками служат аварии самолетовс ядерным оружием на борту, гибель подводных лодок, оснащенных атомными силовыми установками и ядерным оружием. В течении ряда лет многие страны, в том числе и СССР, сбрасывали в моря и реки жидкие радиоактивные отходы и затапливали отработавшие ядерные установки. Вклад в техногенную радиоактивность окружающей среды вносят и аварии искусственных спутников Земли с ядерными источниками энергии. Развитие атомной энергетики также привело к тому, что радионуклиды поступали и продолжают поступать в окружающую среду, как при штатной работе АЭС, так и в результате аварийных ситуаций, из которых наиболее серьезные последствия имела авария на Чернобыльской АЭС 26 апреля 1986. В таблице 2. Представлены обобщенные данные о поступлении техногенных радионуклидов в окружающую среду в результате испытаний ядерного оружия (в том числе и подземных), деятельности предприятий ядерного топливного цикла и аварийных ситуаций на них.[12]

Таблица 2. Оценка выброса техногенных радионуклидов

Источник	Активность выбросов, Пбк
	3Н	14С	Радиоакт. благород. газы.	90 Sr	131I	137 Cs
Атмосферные ядерные взрывы	2,4Ч105	220		604	6,5Ч105	910
Подземные ядерные взрывы			50		15
Работа реакторов	140	1,1	3200		0,4
Переработка ОЯТ	57	0,3	1200	6,9	4Ч10-3	40
Производство и использование радионуклидов	2,6	1,0	52		6,0
Три-Майл-Айленд		370		6Ч10-4		40
Чернобыль					630	70
Кыштым				5,4		0,04
Селлафилд		1,2			0,7	0,02
Космос-954				3Ч10-3	0,2	3Ч10-3



2. Радионуклиды в гидросфере

Понятие гидросферы включает океаны, моря, озера, реки, болота, льды, подземные воды, а также атмосферную влагу.

Определяющую роль в радиоактивности гидросферы играют в настоящее время естественные и искусственные радионуклиды, характер распределения которых в атмосфере, водной толще и в донных отложениях определяется совокупностью геохимических и биогеохимических процессов, протекавших в гидросфере за время ее существования.

Роль искусственных радионуклидов в общем балансе радиоактивности гидросферы относительно невелика. Однако локальные уровни радиоактивного загрязнения, связанные главным образом с работой предприятий ядерного топливного цикла, в частности со сбросом низкоактивных отходов по трубопроводам непосредственно в море (Ядерный центр в Селлафилде, Великобритания; предприятие «Кожема» на мысе Аг, Франция), с захоронением контейнеров с высокоактивнми отходами (Тихий и Атлантические океаны, США и Великобритания; Арктические моря), а также с авариями судов с ядерными энергетическими установками, могут заметно превышать уровни радиоактивности, обусловленные естественными причинами.

Продолжает вносить свой вклад в глобальном масштабе и радиоактивность из стратосферного резервуара, где продукты деления длительное время накапливались в результате испытаний ядерного оружия. Значительная часть радионуклидов, поступающих в окружающую среду на континентах, рано или поздно с водами рек или подземным стоком оказываются в морской среде [2].

2.1 Естественная радиоактивность гидросферы

Основной вклад в природную радиоактивность гидросферы вносит ⁴⁰ К. Заметный, но существенно меньший вклад вносят 87 Rb, а также первичные радионуклиды уран-238, уран-235 и торий-232 с продуктами их распада, составляющими естественные радиоактивные ряды. Кроме того, на земную поверхность постоянно поступают радионуклиды, образующиеся пр взаимодействии космического излучения с ядрами атомов газов и паров, входящих в состав верхних слоев атмосферы. Концентрации в природных водах некоторых радионуклидов, вносящих значительный вклад в радиоактивность гидросферы, приведены в таблице 3.

Таблица 3.Средние удельные активности некоторых естественных радионуклидов (Бк/л) в природных водах

Радионуклид	Дождевая вода	Озера, реки	Грунтовые воды	Питьевая вода	Поверхностные воды океана
Терригенные радионуклиды
40 К	1,6Ч10-2	0,26	4Ч10-2	0,2	13
87 Rb	-	1,5Ч10-3	-	-	0,11
222Rn	4Ч102	0,8	37	11	1Ч10-3
226Ra	-	5Ч10-3	4Ч10-2	4Ч10-3	1Ч10-3
230 Th	-	2,6Ч10-3	-	-	2Ч10-6
232Th	-	1,1Ч10-4	5Ч10-3	-	4,4Ч10-8
238 U	-	1,1Ч10-2	0,14	2Ч10-3	4Ч10-2
Космогенные радионуклиды
7 Ве	1,1	7Ч10-3	-	-	2Ч10-3

Радиоактивность подземных вод. Подземными водами, в самом общем смысле, называют влагу, заполняющую пустоты земной коры. С точки зрения радиоактивности окружающей среды наибольший интерес представляет лишь та часть влаги, которая находится в области эрозионных врезов поверхностных водоемов и участвует в обще и внутриматериковом влагообороте.

Объем подземных вод земного шара достигает примерно 100 млн км³, .е. в 14 раз меньше объема воды Мирового океана и примерно в 8000 раз больше объема атмосферной влаги. В круговороте радионуклидов в биосфере подземная влага принимает меньшее участие, чем другие воды. Так, если объем влаги в атмосфере меняется каждые 9 суток, а в поверхностных водах океанов и морей примерно каждые 2000лет, то подземные воды меняются в среднем только через 8000 лет. В самой верхней части земной коры подземные воды движутся обычно со скоростью 1-1000 м/год, а на глубинах 1000-2000 м. радиоактивность подземный гидросфера излучение

По условиям залегания подземные воды делятся на почвенные, грунтовые, межпластовые. В состав последних входят и так называемые минеральные воды, часто отличающиеся сравнительно высокой радиоактивностью. Как правило, уровень активности подземных вод зависит от их химического состава, который физико-химическими, физико-географическими, геологическими, гидрологическими, физическими, биологическими и искусственными факторами.

Так как почвенные вод залегают вблизи земной поверхности и формируются за счет атмосферных осадков, то их активность зависит от количества растворимых радионуклидов, содержащихся в почвенных слоях. Этим же обстоятельством определяется и радионуклидный состав грунтовых вод, которыми называются воды, скапливающиеся на первом от поверхности водоупорном слое пород.

Межпластовые воды представляют собой скоплении водной массы между водоупорными слоями в толще осадочных пород. В случаях преобладания процессов испарения над процессами увлажнения радиоактивность почвенной воды может достигать весьма больших величин.

В водах, глубоко залегающих и сильно минерализованных, содержание калия, как правило, повышено. Увеличение активности артезианских вод идет более или менее параллельно увеличению общей концентрации солей, в них содержащихся. Высокая концентрация калия найдена и в минерализованных водах древнепалеозойских отложений Белоруссии.

Содержание тория в почвенных, грунтовых и пластовых водах невелико и, за редким исключением, на 1-2 порядка ниже содержания урана. В водах осадочных и метаморфических пород содержание тория несколько выше, в среднем достигает 2Ч10^-6 г/л, что примерно на порядок меньше содержание урана. [11]

Радиоактивность минеральных вод. Согласно принятой в радиогидрогеологии классификации, все воды радиоактивных минеральных источников в зависимости от преобладания в их составе того или иного радиоактивного элемента делятся на три группы: радоновые, радиевые и урановые. Кроме того, существуют промежуточные типы вод: радоново-радиевые и радиево-мезоториевые воды. В некоторых минеральных источниках концентрация радия достигает очень высоких значений.

Радиоактивность речной воды в основном обусловливается ⁴⁰К, содержание которого зависит как от химического состава пород, омываемых этими водами, так и от ряда климато-метеорологических факторов. Как правило, поверхностные воды (снеговые, дождевые, ледниковые и т.п.) содержат относительно небольшое количество радиоактивных веществ, и поэтому в период весеннего снеготаяния или интенсивных ливней поступление в реки больших масс воды этого происхождения сопровождаются понижением удельной активности речной воды. Во время паводка общая радиоактивность воды рек несколько снижается, а в период межени повышается.

В некоторых случаях химический состав растворенных веществ в воде реки в течении года изменяется столь сильно, что река переходит из одного класса в другой (природные воды классифицируются на гидрокарбонатные, сульфатные и хлоридные). Такие резкие колебания в химическом составе сопровождаются соответствующими изменениями и в уровне радиоактивности рек.

Радиоактивность озерных вод. Активность воды озер тесно связана с химическим составом воды впадающих в них рек и питающих их подземных вод. Как правило, существует прямая зависимость между степенью минерализации и радиоактивностью озерной воды. Озера с низким уровнем минерализации воды и слабой активностью встречаются в Карелии, на Кольском полуострове, в северных областях Сибири. Озера со средним уровнем минерализации и соответствующим уровнем активности преимущественно расположены в районе средней полосы европейской части России и в Сибири.

В тех случаях, когда озеро находится в зоне избыточного увлажнения и приток воды превышает ее испарение, возникает сток воды из озера. В результате таких соотношений активность озерной воды мало чем отличается от степени активности воды рек и, как правило, бывает невысокой. Вследствие превышения испарения над притоком сток из таких озер отсутствует и в них происходит аккумуляция солей и соответственное увеличение радиоактивности воды.

Естественная радиоактивность морской воды. Основные источники первичных радионуклидов, содержащихся в океанической воде, - речной сток и гидротермальные потоки из зон разломов океанической коры. Космогенные радионуклиды и значительная часть техногенных поступают в океан из атмосферы.[10]

Калий -40 вносит в настоящее время наибольший вклад в радиоактивность земной коры и вод океана. Распад ядер происходит по двум основным направлениям: 89,5% ядер испускают в-частицы с максимальной энергией 1.33 Мэв, а 10,5 % ядер испытывают К-захват с последующим испусканием г-квантов с энергией 1,46 МэВ. Удельная в-активность земного калия составляет 28, 27±0,05 Бк/кг, а удельная г-активность калия составляет 3,26±0,05 Бк/кг. Таким образом, калий -40 вносит вклад и в в и в г-радиоактивность окружающей среды.

Из естественных радионуклидов средней части периодической системы следующим после калия-40 по значению удельной активности в океанической воде является рубидий-87, а также относящийся к первичным радионуклидам. В природной смеси изотопов рубидия на долю ⁸⁷ Rb приходится 27,85%, период его полураспада равен 6,5Ч10¹⁰ лет. Ядра рубидия испускают в-излучение с максимальной энергией 0, 394 МэВ. Из-за низкой скорости распада и относительно небольшой энергии испускаемого в-излучения вклад этого радионуклида в уровень дозовых нагрузок в окружающей среде весьма незначителен.

Уран. В состав природной смеси изотопов урана входят уран-234, уран-235 и уран-238. Последние два изотопа являются родоначальниками актиниевого и уранового рядов, а уран-234-продукт распада урана-238.

В речном стоке доли урана во взвешенном и растворенном состоянии примерно равны. Основная масса взвешенного речного урана осаждается в прибрежной зоне, на шельфе и на материковом склоне. Однако часть его остается в составе терригенных частиц в океаническом взвешенном материале, а в поверхностных водах наблюдается пропорциональность между содержанием во взвеси карбоната кальция и концентрацией взвешенного урана. [6].

В водах морей и океанов уран находится преимущественно в растворенной форме в виде устойчивого уранилкарбонатного комплекса [UO₂ (CO₃)₃]^4-.

Радиоактивное равновесие между ²³⁸ U и ²³⁴U в океанической воде нарушается из-за того, что ²³⁴U прочно удерживается кристаллической решеткой в исходных продуктах выветривания пород. Среднее значение соотношения ²³⁴ U /²³⁸U в водах океана равно 1, 15 .

Торий. Торий-232 поступает в океан с речным стоком главным образом во взвешенном состоянии в виде мельчайших терригенных частиц, в состав кристаллической решетки которых он входит, и основная масса его осаждается в устьевых районах и на шельфе. В поверхностных водах открытого океана, где концентрации взвеси низка, для взвешенного тория обычно не превышает 10-20 %.

Источником остальных изотопов тория в водах океана является в основном распад материнских радионуклидов. Поступление тория-238 и тория-234 с речным стоком пренебрежимо мало из-за короткого времени их жизни. Торий подвергается процессам гидролиза, комплексообразования, в также адсорбции на частицах взвеси. Этим определяется и существенный сдвиг радиоактивного равновесия тория-230 с ураном: в океанической воде содержится лишь 0,005-0,12 % равновесного тория-230, что свидетельствует об очень быстром удалении его из вод океана.

Основная роль в удалении тория-230 из вод океанов принадлежит адсорбционным процессам на поверхности взвешенных частиц и их осаждению на дно, а в поверхностных слоях- биогенному извлечению. По мере движения взвеси через толщу вод доля взвешенного тория -230 увеличивается. Торий-228 и торий-234 в отличие от тория-230 имеют малые периоды полураспада и основным путем удаления их из вод океана является радиоактивный распад.

Время пребывания тория в водах океана оценивается сотнями лет. Для короткоживущих тория-238, тория-234 перенос со взвешенным веществом приводит к заметным смещениям радиоактивного равновесия с материнским радием-228 и ураном-238.

Отношения концентраций взвешенных и растворенных форм тория-230 и тория-228 составляют около 0,15-0,20.

Радий. Основной источник поступления радия в воды морей и океанов-донные осадки. Роль речного стока и образования в водной толще в результате распада находящихся там изотопов урана и тория незначительна. Период распада радия-226 составляет 1560 лет, и концентрация растворенных форм радия постепенно убывает с уменьшением глубины. Продукт распада радия-226 благородный газ радон-222 хорошо растворим в воде, и поскольку он обладает сравнительно коротким периодом полураспада, вертикальный профиль его концентрации в океане в значительной степени повторяет распределение радия. Продукты распада радона-222 - полоний-218, свинец-214 и висмут-214 - обладают короткими периодами полураспада. Они вносят свой вклад в б-,в- и г-радиоактивность морской воды, так как практически находятся в состоянии радиоактивного равновесия с радоном-222. Свинец-210 обладает уже достаточно большим периодом полураспада и его поведение в морской среде определяется совокупностью сорбционных и десорбционных процессов, аналогичных рассмотренным выше для изотопов тория[6].

Радий в морских водах находится преимущественно в катионной форме, и воды океана недонасыщены его наиболее труднорастворимыми соединениями. Незначительная роль биоты в связывании радия подтверждается отсутствием корреляции между концентрацией радия и содержанием органического вещества во взвешенном материале, а также малой долей радия, связанного с планктонными организмами. Прибрежные и придонные воды наиболее обогащены радием-228. Благодаря интенсивному обмену в поверхностных слоях он переносится в центральные районы океанов адвектным и диффузионным путями, и в процессе этого переноса концентрация его уменьшается.

Максимальные значения концентрации радия-238 наблюдается в области пикноклина (слой водной толщи, в котором происходит скачкообразное изменение плотности), что связано с медленным обменом поверхностных вод с нижележащими. В природных слоях радия-228, поступающий из донных отложений, диффундирует в вышележащие слои воды в соответствии с интенсивностью протекающих здесь процессов вертикального обмена, и заметные концентрации его обнаруживаются на расстояниях до 1-1,5 км до дна.

Радон. Все изотопы благородного газа радона - продукты распада соответствующих изотопов радия. Самый долгоживущий из них- радон-222.

Радон в океане в основном образуется в результате распада радия и из-за малого периода полураспада находится в равновесии с радием-226. Некоторая часть радона поступает из донных осадков, и его концентрация в придонных слоях воды может превышать равновесное значение в несколько раз. В поверхностных водах открытого океана определенная часть радона уходит из океана в атмосферу, и дефицит радона в перемешанном слое может достигать половины равновесной с радием концентрации. Влияние потоков радона через границы раздела сказывается лишь в узкой области, прилегающей к границе. Удаление его из океана происходит в основном вследствие радиоактивного распада.

Свинец-210. Основной источник его в океане - это распад материнского радия-226. Он поступает с речным стоком и из атмосферы. Распределение изотопов свинца в океане в значительной степени связано со взвешенным веществом. Время пребывания свинца в водной толще океанов составляет 50-100 лет, так что двух третей свинца-210 может выводиться из океанических вод в результате радиоактивного распада, а остальная часть - в результате процессов гравитационного осаждения на взвеси и адсорбции донными осадками.

В поверхностных слоях морской воды содержание свинца-210 обычно превышает равновесное с радием-226 значение, что является следствием поступления его из атмосферы. Нарушается эта система в районах с низким атмосферным поступлением свинца-210 и высоким содержанием взвешенного вещества.

С глубиной отношение активности свинца-210 к активности радия-226 уменьшается и, начиная с нескольких сотен метров, становится меньше единицы. Однако в районах с низкой биологической активностью равновесие между свинцом -210 и радием-226 может сохраняться до значительных глубин. В глубинных слоях концентрация свинца-210 может отличаться от равновесной с радием-226 в два раза и более. По мере приближения ко дну отношение активностей свинца-210 и радия-226 быстро уменьшается до минимальных значений. Влияние этих процессов благодаря вертикальному перемешиванию сказывается только в пределах 1000 м над поверхностью дна.

Полоний. Полоний-210 - продукт распада свинца-210, являющегося основным источником полония-210 в океане. Вклад речного стока и атмосферы незначителен.

Полоний в океане в значительной степени ассоциирован со взвешенным веществом. В верхнем перемешанном слое отношение активностей полония-210 и свинца-210 почти всегда меньше единицы. Это связано с тем, что время пребывания полония-210 в поверхностном слое меньше, чем свинца-210, составляя 0,6 года для вод Атлантического и Тихого океанов.

Ниже поверхностного слоя отношение полония-210 к свинцу-210 быстро растет до равновесного значения и в дальнейшем с глубиной колеблется, оставаясь в среднем несколько меньше единицы. Наблюдается рост с глубиной концентрации взвешенного полония-210 относительно свинца-210, что свидетельствует о более быстром удалении полония-210 из глубинных вод [6].

Космогенные радионуклиды. Поступившие из атмосферы космогенные радионуклиды включаются в циклы соответствующих элементов в океане. Благодаря существованию широтных вариаций в распределении космогенных радионуклидов в нижней атмосфере, аналогичный эффект для трития, бериллия-7 и углерода-14 отмечается и в поверхностных водах океанов.

Поступившие на поверхность океана радионуклиды распространяются в нижележащие слои воды. При этом глубина их проникновения определяется (помимо процессов вертикального обмена, общих для всех радиоактивных изотопов различных элементов) скоростью радиоактивного распада, от которой зависит и время установления стационарного вертикального распределения.[9]

Тритий в виде молекул НТО является составной частью воды, а малая его часть входит в состав органического вещества (содержание органического вещества в поверхностных водах около 1 мг/л). До начала ядерной эры соотношение концентраций трития и протия в природных водах составляло 1:10¹⁸. Затем он стал поступать в природные воды в результате испытаний ядерного оружия и деятельности предприятий ЯТЦ.

В перемешенном слое концентрация трития меняется мало, затем идет слой с резким градиентом, а далее с ростом глубины наблюдается плавное уменьшение концентрации. На такую общую картину могут накладываться эффекты горизонтального переноса. На высоких широтах северной Атлантики в глубинных слоях наблюдается повышенные концентрации трития, что связано с быстрым опусканием вод.

Бериллий-7 поступает в океан из атмосферы, главным образом с атмосферными осадками. Благодаря небольшому периоду полураспада, он содержится в основном в перемешанном слое пикнолина. В ультрамалых концентрациях в водных растворах бериллий, по-видимому, довольно легко адсорбируется на поверхности взвешенных частиц. Коэффициент концентрирования бериллия морскими организмами достигает 10³.

Углерод-14 (в виде ¹⁴ СО₂) поступает в океан в процессе обмена углекислым газом с атмосферой. В океане он включается в углеродную систему, состоящую из растворенного и взвешенного органического углерода, карбонатной системы и карбонатов взвесей. Большая часть углерода в той или иной форме находится в растворе. Так, органический взвешенный углерод составляет в поверхностных слоях лишь несколько процентов от растворенного, с глубиной эта доля уменьшается. Содержание неорганического растворенного углерода (?СО₂) в океане составляет около 90-105 мг/л, и, следовательно для углерода (в пересчете на СО²) в составе карбонатов кальция и магния в поверхностной океанической взвеси составляет несколько десятых долей процента и менее. Эта доля с глубиной уменьшается вследствие растворения карбонатов в процессе оседания взвешенного материала. Сравнение содержания неорганического и органического углерода в растворе показывает, что в составе органического вещества углерода примерно в 30 раз меньше. Очень малая часть радиоуглерода в океанических водах может находиться во взвешенном состоянии. Благодаря большому периоду полураспада углерода-14, космогенный радиоуглерод довольно однородно распределен в водах океана по глубине. Значительные количества углерода-14, поступающие от ядерных взрывов, привели к большому росту концентрации в поверхностных слоях и большим градиентам концентрации в верхнем 1000-метровом слое Тихого океана.

Кремний-32 в океане находится преимущественно в растворенном виде. Фильтрация через мембранные фильтры с диаметром пор 0,45 мкм показала, что в поверхностных водах Тихого и Атлантического океанов во взвешенном состоянии находится менее 10% кремния. С глубиной эта величина уменьшается. Подавляющая часть кремния-32, поступающего из атмосферы в океан, должна находиться в растворенной форме [6].

2.2 ИСКУСТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ ГИДРОСФЕРЫ

История радиоактивного загрязнения окружающей среды началась с пуском заводов по переработке урана и первых реакторов в Хэнфорде на реке Колумбия (США). До 1971 г. там работало 8 реакторов. Жидкие отходы низкой активности разбавляли водой до удельной активности около 4 Бк/л и сбрасывали в реку. Отходы более высокой активности выдерживали в специальных емкостях до распада короткоживущих радионуклидов.

В реки США в 1958 г. было сброшено 7Ч10¹⁵ Бк радиоактивных отходов. В результате многолетнего сброса искусственных радионуклидов в реки в их устьях образовались обширные области с повышенной радиоактивностью техногенного происхождения.

Различные радионуклиды по-разному ведут себя по отношению к взвешенному веществу и донным осадкам рек. Стронций-90 образует преимущественно растворимые формы и легко переносится водными массами на большие расстояния. Радиоактивные изотопы цезия способны сорбироваться на глинистых составляющих почв и речной взвеси, что во многом затрудняет его миграцию с речными водами, богатыми взвешенным веществом. Это принципиальное различие в поведении цезия-137 и стронция-90 было наглядно продемонстрировано многочисленными исследованиями техногенной радиоактивности Дуная и Днепра, проведенными после Чернобыльской аварии.

Воды Дуная составляют около 60 % речного стока в Черное море, а его бассейн - это почти половина территории Западной Европы. Поэтому Дунай в настоящее время служит наиболее значимым источником поступления искусственной радиоактивности в Черное море. Характерная особенность Дуная - высокое содержание взвешенного вещества. [7].

В настоящее время Днепр в среднем и нижнем течении представляет собой систему водохранилищ. Скорости течения Днепра малы, перемещение водных масс от верховья до устья занимает около года. В результате создаются идеальные условия для связывания растворенных компонентов со взвешенным веществом и поступления их в донные осадки Днепровского каскада. Около 94% взвешенного вещества оседает в пределах водохранилища и только 6% достигает следующего резервуара. Скорость переноса ⁹⁰ Sr с днепровскими водами существенно выше по сравнению со скоростью переноса ¹³⁷ Cs [2].

Радиоактивное загрязнение морской среды приняло глобальный характер с началом испытаний ядерного оружия. Было испытано более 350 боеприпасов и над землей, ив океане, в том числе 2 подводных взрыва, 11- над открытым океаном. 113- над или на коралловых островах, 79- на арктических островах.

Продукты ядерных взрывов поднимались на большие высоты в стратосферу и распространялись по всему земному шару. Искусственные радионуклиды из стратосферного резервуара, куда они попали при испытаниях в атмосфере, на поверхности Земли или океана, продолжают поступать на поверхность суши и океана с атмосферными выпадениями. Радионуклиды, поступающие на поверхность суши, которая является площадью водосбора рек, с речными водами также могут поступать в океан.

На долю океана приходится около 70 % поверхности Земли, непосредственные выпадения на поверхность океана создали в конце 50-х-начале 60-х гг. прошлого века заметные уровни искусственной радиоактивности в поверхностных слоях морской воды.

Процессы биогеохимической седиментации привели к довольно быстрому удалению многих радионуклидов из поверхностных слоев морской воды через всю водную толщу на дно. Распределение продуктов деления, поступающих из стратосферного резервуара на земную поверхность, было неравномерным и максимум выпадений пришелся на 40-50-е градусы северной широты. Экватор оказался важным барьером, препятствующим проникновению значительной части радионуклидов из северного полушария, где проводилась большая часть испытаний в южное.[10]

Реки приносят в океан растворенные и взвешенные формы радионуклидов, собранные сов сего своего бассейна. На границе происходит геохимические превращения, связанные со скачкообразным изменением на этом барьере многих гидрохимических параметров: рН, температуры, солености, окислительно-восстановительного потенциала. В результате ряд радионуклидов, присутствовавших в речных водах в растворенной форме, в зоне смещения пресных и морских вод уходит на дно.

Поведение искусственных радионуклидов, попадающих в океан, и их распределение в океане определяются их физико-химическими свойствами, в том числе способностью к гидролизу, сродством к взвешенному веществу, участием в биогеохимических процессах. Важная особенность поведения многих радионуклидов в морской среде связана с их взаимодействием с органическим веществом с образованием комплексных соединений. Поверхность океана покрыта тончайшим микрослоем, содержащим поверхностно-активные вещества, где концентрируются многие микроэлементы. [5]

Постоянно образующиеся в подповерхностном слое воздушные пузырьки лопаются, поднимаясь на поверхность, и этот процесс приводит к выносу на поверхность не только главных ионов солевого состава океанической воды, но и с большей эффективностью ионов многих микроэлементов из поверхностного микрослоя. В результате морские аэрозоли оказываются обогащенными микроэлементами по отношению к главным компонентам морской соли. В подобных процессах могут участвовать и радионуклиды.

Около 80% плутония, сбрасывавшегося европейскими предприятиями по переработке ядерного топлива в растворенной форме, удалялось в процессе седиментации, до того как водные массы достигали Баренцева и Гренландского морей [7].

В поверхностных водах открытого океана взвешенная фаза содержит 12-35% плутония, а в подповерхностных водах около 6% плутония. Основным источником плутония-239,240 в водах океана являются глобальные выпадения, а источник плутония-238 - европейские предприятия по переработке ядерного топлива. Заметную роль в загрязнении окружающей среды плутонием-238 сыграли аварии космических аппаратов с ядерными энергетическими установками.[1]

2.3 АКТИНИДЫ В ГИДРОСФЕРЕ

В водных системах для актинидов характерен ряд степеней окисления от +3 до +6. Степеням окисления +5+6 отвечают конетически и термодинамически стабильные линейные диоксокатионы. Из-за стерических затруднений координационные числа пяти- и шестивалентных актинидов в водных растворах равны 4 и 6 соответственно. Для An ³⁺ и An ⁴⁺ координационные числа могут меняться от 6 до 12.

Торий в растворе исключительно четырехвалентен. Наиболее характерная степень окисления урана - +6. Для нептуния и протактиния наиболее типично пятивалентное состояние, нептуний может окисляться или восстанавливаться до шести- и четырехвалентного состояний соответственно. Америций и кюрий в условиях окружающей среды проявляют лишь одну степень окисления +3. Наибольшее разнообразие степеней окисления проявляет плутоний: в природных условиях, по-видимому, могут сосуществовать четыре степени окисления от +3 до +6.

В водных растворах актиниды во всех степенях окисления проявляют свойства типичных «жестких» кислот, что определяет электростатическую природу их взаимодействия с анионами и предпочтительное связывание с кислородсодержащими лигандами. В природных водах поведение актинидов определяется реакциями гидролиза и комплексообразования, главным образом с карбонат-ионами.

Гидролиз четырехвалентных актинидов начинается в кислых растворах, а для пятивалентных актинидов он незначителен до рН 9. Плутоний, сорбированный на поверхности взвешенных частиц, находится в восстановленной форме (+4). В прибрежных донных осадках и в почвах плутоний в основном связан с гуминовыми кислотами, имеющими относительно высокий молекулярный вес и с легкими фульвокислотами. [4].

Время пребывания плутония в водной толще меняется в широких пределах - от десятков дней в прибрежных водах, богатых взвешенным веществом, до десятков лет в открытом океане.

В замкнутых водоемах, а также в прибрежных зонах, богатых взвешенным веществом, может происходить изменение состояния окисления плутония. Восстановление плутония также может происходить под действием сероводорода, что наблюдается, в частности, в Черном море, где сероводород встречается повсеместно на глубине более 100 метров, и в норвежских фьордах. [3].

Для разделения плутония в высших и низших степенях окисления использовали различия в степени сорбции на трифториде лантана. Для контроля химического выхода использовали две изотопные метки, вводимые в различных химических формах. Плутоний проявляет консервативное поведение в морской воде, это обусловлено его окисленным состоянием.

Выводы

1. Время пребывания плутония в водной толще меняется в широких пределах - от десятков дней в прибрежных водах, богатых взвешенным веществом, до десятков лет в открытом океане.

2. Поведение искусственных радионуклидов, попадающих в океан, и их распределение в океане определяются их физико-химическими свойствами, в том числе способностью к гидролизу, сродством к взвешенному веществу, участием в биогеохимических процессах.

3. Искусственные радионуклиды из стратосферного резервуара, куда они попали при испытаниях в атмосфере, на поверхности Земли или океана, продолжают поступать на поверхность суши и океана с атмосферными выпадениями.

4. Различные радионуклиды по-разному ведут себя по отношению к взвешенному веществу и донным осадкам рек.

5. Радиоактивность-это самопроизвольный распад атомных ядер вещества с испусканием ядерных излучений:б-частиц (ядер гелия), в-частиц (электронов) и г-квантов.

6. Искусственные радионуклиды поступают в окружающую среду в результате испытаний ядерного оружия, ядерных взрывов, проводившихся в мирных целях, а также деятельности предприятий ЯТЦ.

7. Загрязнение вод проявляется в изменении их физических и органолептических свойств (нарушение прозрачности, окраски, запаха, вкуса), увеличении содержания солей (сульфатов, хлоридов, нитратов и др.), токсичных тяжелых металлов, сокращении содержания растворенного в воде кислорода, увеличении содержания радионуклидов, болезнетворных бактерий и других загрязнителей.



СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Перцов Л.А. Ионизирующее излучение биосферы.- М.: Атомиздат, 1973.228 с

2.Попов Н.И., Федоров К.Н., Орлов В.М. Морская вода. - Наука, 1979.327 с.

3.Виноградов А.П. Введение в геохимию океана. -М.: Наука, 1967. 215 с.

4. Батраков Г.Ф., Еремеев В.Н., Земляной А. Радиоактивные изотопы в океанографических исследованиях.- Киев: Наукова думка, 1979. 180 с.

5.Громов В.В., Москвин А.И. Сапожников Ю.А. Техногенная радиоактивность Мирового океана. - М: Энергоатомиздат, 1985. 272 с.

6.Гедеонов Л.И., Гритченко З.Г., Иванова Л.М., Орлова Т.Е., Тишков В.П., Топорков В.П., Прокопенко В.Ф. Радионуклиды стронция и цезия в низовье Дуная в 1985-1990. -Атомная энергия, 1993, т.74, №1, с.58.

7.Сапожников Ю.А., Алиев Р.А., Калмыков С.Н. Радиоактивность окружающей среды. М:БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006 -- 286 с:

8. Голицын А.Н. Промышленная экология и мониторинг загрязнения природной среды: Учебник. Издательство: ОНИКС, 2010 г. - 335 с.

9. Еремин В.Г., Сафонов В.Г. Экологические основы природопользования. М. 2002 г. - 220 с.

10. Снакин, В.В. Экология и охрана природы: Словарь-справочник. / Под ред. акад. А.Л. Яншина. - М.: Academia, 2000. - 384с.

11. Жуков А. И., Монгайт И. Л., Родзиллер И. Д. Методы очистки

производственных сточных вод М.: Стройиздат. 1991. - 204 с.

12. Повякало А. Д., Шангарев И. Р. Экологические проблемы современности -М.: Квота, 2001. - 228 с.

13. Учебник для вузов: «ЭКОЛОГИЯ» / Н.И.Николайкин, Н.Е.Николайкина, О.П.Мелехова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Дрофа, 2003. - 624 с.

Размещено на Allbest.ru