7Be и 137Cs как мониторы радиоактивности атмосферы (на примере г. Ростова-на-Дону)

Размещено на http://www.allbest.ru/

7Be и 137Cs как мониторы радиоактивности атмосферы (на примере г. Ростова-на-Дону)

Воронченко А.С., Стасов В.В.

Радионуклиды в приземный слой воздуха поступают из верхних слоев атмосферы (космогенный 7Ве), от земной поверхности (эманации радона и торона и продукты их распада, в том числе 210Pb, естественные (ЕРН) и искусственные (ИРН) радионуклиды, поднимаемые ветром с пылью) и из нижнего слоя атмосферы (ЕРН технологических выбросов транспорта и различных промышленных объектов, ИРН от нормальной работы, при инцидентах и авариях ЯТЦ). И среди этих радионуклидов только 7Ве, зависящий лишь от уровня солнечной активности и метеоусловий региона, в котором он определяется, практически не связан с деятельностью человека. Следовательно, его можно использовать как монитор для выявления источников поступления в атмосферу других радионуклидов [1].

Для этого строится регрессионная модель, и в качестве факторов влияния на распределения объемной активности 7Ве используются: метеоусловия в пункте наблюдения данного радионуклида (Х1-количество выпавших осадков, Х2-температура воздуха, Х3-скорость ветра, Х4-относительная облачность, Х5-относительная влажность воздуха, Х6-атмосферное давление), показатели солнечной активности (Х7-числа Вольфа) и запыленность атмосферы (Х8). Все перечисленные факторы допускают количественные изменения, и ни один из них не является составной частью другого. В результате многофакторного регрессионного анализа установлено, что зависимость между 7Ве и факторами Х1, Х2, Х3, Х4 Х5, Х6,Х7 и Х8 является линейной или близко к ней. Получено следующее уравнение множественной регрессии:

У=7,68E-02+6,84E-06*Х1+1,03E-04*Х2+2,08E-04*Х3-2,27E-04*Х4-4,49E-05*Х5-6,64E-05*Х6-2,22E-05*Х7-1,39E+01*Х8

Статистическая проверка адекватности уравнения показала, что оно значимо. Значение коэффициента множественной корреляции составило 0,91. Расчетное значение коэффициента множественной детерминации равно 0,83. Статистическая проверка адекватности модели показала, что значение коэффициента множественной корреляции остается по-прежнему значимым (0,909).

Рис.1 Активность 7Ве экспериментальная и прогнозируемая за период 2002-2008 гг

Объемная активность (ОА) 7Ве в аэрозолях, измеренная за весь период наблюдений, и расчетная, зависящая от всех рассматриваемых факторов, приведены на Рис.1, на котором видна высокая степень согласия экспериментальных и расчетных по модели ОА 7Ве. Таким образом, можно считать оцененные по модели степени влияния различных факторов достоверными.

После поступления 7Ве к земной поверхности с атмосферными осадками он накапливается преимущественно в растительности, в опаде и относительно немного в почве: удельные активности относятся как 125:50:15. В то же время 137Cs содержится в тех же пробах как 0:25:60, а 40К как 800:275:300. Эти два радионуклида используются как реперы на основе полученных по значительному массиву данных (n342) аппроксимационных соотношений между содержанием 7Ве от ветрового подъема в воздухе АВеВП и содержаниями в нем 137Cs и 40К АCs и АК.

По 137Cs: АВеВП= бi АCs+в1, а по 40К: АВеВП= бiАК+в2,

где б1=235,53; б2=9,36 и в1=1,21е-07; в2=2,43е-08.

Определяемые по этим соотношениям содержаниям 7Ве в воздухе следует относить к плотности выпадения 7Ве на земную поверхность:

,

где V - плотность выпадения 7Ве на земную поверхность в данный месяц (мБк/м2мес), АiВе?, Pi, ti полные содержания 7Ве в атмосферном воздухе в i-й месяц (мБк/м3), количество выпавших осадков в i-й месяц (м/мес) и время 5-ti число месяцев, прошедших до момента определения V.

Таким образом, относительные доли ветрового подъема определяются по

Д= АВеВП/V

Средние по годам величины Д определенные по 137Cs и по 40К, а так же в максимумах ветрового подъема 7Ве каждого года величины Дm

Таблица 1

Различие оценок Д по разным радионуклидам-реперам связано с различием частиц-носителей этих радионуклидов: носителями 137Cs являются мелкодисперсные фракции почвы, а носителями 40К - частицы почвы и растительности (с преобладанием последних). Заметим, что содержания этих радионуклидов в воздухе не коррелируют с его запыленностью. Максимумы величин Д определяются сочетанием относительно высокой температуры, низкой влажности и малого количества осадков в конце лета.

Средние по годам доли ветрового подъема 7Ве существенно связаны со средними индексами ветра: при =2 балла средние Д1 и Д2 равны 8,3% и 9,7%, а при =4,3 балла средние Д1 и Д2 равны 12,7% и 16,8%. Почти каждый год ветровой подъем в среднем и в максимумах с растительными остатками преобладает. Исключения имеются лишь только в 2002 г. и 2004 г., когда ветровой подъем и в среднем и в максимумах преобладает с почвенной пылью. Средние многолетние доли ветрового подъема с различными частицами зависят от силы ветра: при =2 балла в максимумах преобладает подъем почвенных фракций, а при =4,3 балла - растительных фракций.

Рис. 2 Сезонный ход содержания 7Ве в приземном слое воздуха г. Ростова-на-Дону за 2002-2008 гг

Сезонный ход содержания ОА 7Ве в приземном слое воздуха г. Ростова-на-Дону (полного и связанного с ветровым подъемом) приведен на Рис. 2. Суммарный ветровой подъем (по 137Cs и 40К) 7Ве имеет максимумы в марте-апреле, связанные с весенне-летней перестройкой атмосферы, и в сентябре-октябре.

Вычитая вклад ветрового подъема, и учитывая влияние солнечной активности (числа Вольфа), введем поправки и получим распределение объемной активности 7Ве, которая описывает сезонное поведение радионуклида 7Ве в атмосфере с учетом изменения метеопараметров из года в год. В таком виде ОА 7Ве учитывает только общие для всех радионуклидов особенности вертикального перемешивания воздушных масс во всей толще атмосферы над пунктом наблюдения, учитывающим основные влияющие метеорологические факторы. Таким образом, полученное распределение является своеобразным индикатором для определения «отклонений» от распределения объемной активности любого радионуклида, который мы фиксируем в атмосфере. И, следовательно, можно выделить данные «отклонения», которые будут являться продуктами деятельности ЯТЦ, вторичным загрязнением атмосферы (ветровой подъем) или техногенной составляющей (деятельность различных предприятий города и выбросы автотранспорта).

На Рис. 3 приведено распределение ОА 137Cs, нормированное на исправленную ОА 7Ве. К настоящему времени верхние слои атмосферы практически полностью очистились от глобального загрязнения 137Cs, а его содержание в приземном слое воздуха определяется ветровым подъемом с земной поверхности загрязненной этим радионуклидом пыли. Этот процесс особенно интенсивен в сухие месяцы года, следующие за особо теплыми месяцами, и связан также с отмиранием растительного покрова. Обычно это происходит в регионе в сентябре-октябре. Заметен рост этого эффекта в 2006-2007 гг. во время сильных восточных ветров. Такая временная зависимость полной объемной активности 137Cs в атмосфере отражает чисто ветровой характер поступления этого радионуклида в приземный воздух и подтверждает правомерность использования 137Cs в качестве монитора ветрового подъема с почвенной пылью.

Рис. 3 Отношение распределения объемной активности 137Cs к исправленной активности 7Ве

Так как 137Cs является хорошим трассером ветрового подъема, то отношение объемной активности любого радионуклида к цезию покажет более четко распределение активности без учета ветрового подъема. Данные распределения показаны на Рис. 4.

Рис. 4

Рис. 5

Рис. 6 Отношение распределений объемных активностей: а) 226Ra, б) 40К, в) 210Pb, г) 232Th,д) 224Ra,е) 234Th к исправленным активностям 7Ве и 137Cs

В распределениях ЕРН, нормированных на 7Ве, более или менее четко проявляются пики, связанные с сезонными изменениями метеопараметров: пики в марте-апреле (весенняя перестройка атмосферы), в июне-июле (максимальное выпадение осадков), а также в августе-сентябре (ветровой подъем). Относительная интенсивность этих пиков несколько различается у различных радионуклидов из-за специфической реакции каждого из них на изменение метеоусловий.

Например, пики, связанные с ветровым подъемом для 40К становятся более интенсивными в годы с повышенной скоростью ветра. Поведение максимумов у 232Th и у его дочернего продукта распада 224Ra подобно.

Однако самым интересным является появление во временных зависимостях зимних максимумов в интервале ноябрь-февраль. Почти у всех радионуклидов они были наиболее яркими в зимы 2005-2006 гг. и 2007-2008 гг., а среди всех ЕРН они были более интенсивными у 210Pb. Этот эффект значительного повышения объемной активности ЕРН зимой естественно связывать с выбросами этих радионуклидов при сжигании органического топлива в зимний период.

По существу указанные отношения объемных активностей Х-го радионуклида (кроме 137Cs) к исправленной активности 7Ве являются отношениями типа , т.е. содержат как техногенную составляющую, так и составляющую ветрового подъема. Соответственно отношения объемных активностей Х-го радионуклида к активности 137Cs являются временным ходом исключительно техногенной составляющей Х-го радионуклида.

Рис. 7

Рис. 8

Рис. 9 Зависимость площадей зимних техногенных пиков от средней температуры: а) для 40K и 234Th, б) для 232Th и 226Ra, в) для 210Pb, г) для 224Ra

В распределениях ЕРН, нормированных на 137Cs, очень четко видны максимумы, имеющие место в самые холодные месяца года (с ноября по февраль-март), которые связаны с выбросами систем отопления. Зависимость площадей данных максимумов от температуры показана на Рис.5. Наблюдается следующая тенденция - при понижении температуры увеличивается площадь. Максимальным значением для всех функций является зима 2005-2006 года - самая холодная за весь наблюдаемый период.

На Рис. 6-9 видно, что соотношения площадей зимних техногенных пиков относятся как 350:10:5:2:1:1 (210Pb:234Th:40K:226Ra:232Th:224Ra). Причем подавляющий вклад в техногенные выбросы радиоактивности объектов систем отопления в приземную атмосферу города дает 210Pb как сам по себе, так и в результате распада радона.

При сжигании природного газа в бытовых целях, а также в целях отопления содержатся радионуклиды, как это показали первые пробные эксперименты. Радионуклидный состав природного газа представлен в таблице 2, из которой видно, что 210Pb, 234Th, 40K, 226Ra, 232Th, 224Ra относятся как 426:13:6:6:1:1. Причем данные соотношения практически схожи с соотношениями площадей зимних техногенных пиков.

Таблица 2

В распределениях ЕРН, нормированных на 137Cs, для всех естественных радионуклидов характерно наличие некоторого общего фона (непрерывного во времени). Это свидетельствует о том, что выбросы этих радионуклидов происходят практически непрерывно (от предприятий с непрерывным технологическим циклом и от автотранспорта). И как видно из Рис. 6, с каждым годом количество этих выбросов растет пропорционально увеличению транспорта.

Рис. 6 Площади распределения отношений без учета площадей зимних максимумов: а) для 40K, 234Th, 224Ra, 232Th и 226Ra, б) для 210Pb

экология радиоактивность атмосфера выброс

Подавляющий вклад в техногенную составляющую от выбросов автотранспорта и промышленных предприятий города дает также 210Pb. Как видно из таблицы 2, активность 210Pb

Размещено на Allbest.ru