Методика определения радиоцезия в приземном слое воздуха на примере Ростова-на-Дону

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Искусственный радионуклид 137Cs поступал непосредственно в атмосферу с продуктами деления от испытаний ядерного оружия и от крупных ядерных аварий. В результате естественных процессов, в том числе сухого осаждения и вымывания атмосферными осадками, атмосфера со временем очищалась, а земная поверхность загрязнялась. Период полувыведения 137Cs из нижней стратосферы ~10,4 месяца (после ядерного взрыва в атмосфере) и ~1 месяц из тропосферы при ядерной аварии (такой как авария ЧАЭС). В то же время атмосфера вторично загрязняется пылью, поднятой в приземный слой воздуха с загрязненной земной поверхности. Такой механизм загрязнения имеет место всегда, но особенно заметен при значительном загрязнении местности, в особых природных условиях и при самоочищении атмосферы от первичных радиоактивных загрязнений становится определяющим.

К 1987-2000 гг. поступление тропосферного 137Cs в приземную атмосферу стало минимальным, а его содержание стало полностью определяться ветровым подъемом.

Процесс ветрового подъема радиоактивности изучается со времен первых глобальных выпадений. Интерес к этой проблеме особенно возрос после аварии ЧАЭС в связи необходимости оценки вторичного загрязнения дезактивированной или ранее чистой территории за счет ветрового подъема.

Механизм ветрового подъема заключается в том, что даже при небольшой скорости ветра (2-3 м/с) наиболее мелкие частицы пыли, несущие радионуклиды (<1-2 мкм) поднимаются с поверхности почвы и практически не оседают под действием силы тяжести. С увеличением скорости ветра кроме мелких частиц в воздух могут подниматься и более крупные. В целом из полидисперсных почвенных частиц ветер выдувает наиболее мелкие фракции, которые поступают в атмосферу и частично вновь выпадают на земную поверхность за счет сухого осаждения или вымывания атмосферными осадками.

Крупные частицы (до 0,1 мм) поднимаются ветром в воздух и вновь оседают, передвигаясь в потоке ветра скачками (эффект сальтации). При скоростях ветра до 10 м/с частицы размером >0,5 мм не могут подпрыгивать и лишь перекатываются по поверхности почвы. Сальтация и перекатывание частиц почвы являются основными процессами ветровой эрозии почв (дефляции).

Особенно сложен учет ветрового подъема радиоактивности для крупных промышленных центров. Существующие способы определения параметров ветрового подъема и принятые модели не могут быть применены в условиях города из-за разнообразия процессов осаждения и переноса радионуклидов при значительном числе разнообразных микроландшафтов.

Поэтому представляется актуальной попытка применения обобщенного подхода для оценки ветрового подъема радиоактивности (в частности 137Cs) для крупного населенного пункта (в частности г. Ростова-на-Дону).

Наш подход основан на том, что: 1) пункт непрерывного контроля радионуклидного состава приземного слоя воздуха (аспирационная станция) с одновременной регистрацией метеопараметров расположена в черте города; 2) относительно пункта контроля (АС) территория города и пригородов разделены на 8 секторов в соответствии с направлениями ветра; 3) территория в пределах каждого сектора разделена на минимальное количество зон, специфичных относительно пыления территории (техногенного и от ветрового подъема) и возможного наличия или отсутствия загрязнения 137Cs; 4) метеорологические условия в 2006-2007 гг. резко отличались от таковых в 2002-2005 гг. Величины запыленности и объемной активности 137Cs рассматривались отдельно, дополнительно изучался сезонный ход этих величин. Предполагается, что при более сильных ветрах восточного направления зона влияния ветрового подъема распространяется и на восточный пригород.

При этом для разделения на сектора и зоны использовалась карта-схема г. Ростова-на-Дону. Определялись относительные площади б: зеленой зоны, зоны застройки (жилой и промышленной), зоны наиболее загруженных автомобильных дорог (наиболее загрязненных, ширина принята 25 м) и зоны сельскохозяйственных угодий (пахотных земель) при расстоянии от АС до границы сектора R=4 км (до восточной границы города) и R=10 км (включая восточный пригород). Источником техногенной пыли считались зоны застройки и автодорог, но первая не давала вклад в содержание 137Cs в атмосферном воздухе, так как он практически полностью был смыт в зону открытого грунта (то есть в земную зону) или покрыт асфальтом, бетоном, строительными конструкциями и различными отходами.

Учитывалась зависимость ветрового подъема от типа подстилающей поверхности (пахота, лес, луг и др.), ее состояния (сухая, влажная, мокрая), дисперсности образующих ее частиц, скорости ветра, а так же, в частности, зависимость коэффициента ветрового подъема б от скорости ветра V (м/с), которая указана в общем виде б~Vn, где n может быть 4,8, а зависимость от состояния подстилающей поверхности указана в виде б~хi-1,4, где хi может быть шероховатостью почвы (см), высотой травяного покрова (см) или сухой массой растительности (г/см2).

Основным источником поступления 137Cs в приземный слой воздуха согласно имеющимся данным являются пахотные земли, а также в меньшей степени зеленая зона (газоны, парки, сады, лесопосадки и т.д.) и поднятая при движении транспорта придорожная пыль.

Для условий города (R=4 км) по данным определений содержания пыли в приземном слое воздуха Р (10-5 г/м3) за 2002-2005 гг. при средней силе ветра (балла) и числе среднемесячных значений n в i-х секторах с относительной долей зон бiк: зеленой бi1, застройки бi2 и дорог бi3 (Таблица 1) составлены уравнения вида :

Таблица 1

Получаем систему трех уравнений:

n=32 (1) 0,488 S0 P11+0,512 S0 P12=9,89;

n=8 (2) 0,528 S0 P21+0,438 S0 P22+0,034 S0 P23=7,80;

n=12 (3) 0,642 S0 P31+0,347 S0 P32+0,011 S0 P33=9,65;

где S0 - площадь сектора (км2). В уравнениях принято, что пыление равномерно по площади в каждой зоне и не зависит от сектора. Решая уравнения (1)-(3) получим вклады 1 км2 каждой зоны в запыленность атмосферы:

Р1=0,83*10-5 г/м3км2, Р2=2,30*10-5 г/м3км2 и Р3=18,57*10-5 г/м3км2.

Для этих же условий можно составить уравнения для объемной активности 137Cs (А, мкБк/м3) в приземном слое атмосферы города:

n=32 (1) 0,488 S0 А11 = 1,50;

n=8 (2) 0,528 S0 А21 + 0,034 S0 А23 = 1,64;

n=12 (3) 0,642 S0 А31 + 0,011 S0 А33 = 2,52.

Здесь, согласно сказанному выше, принято, что вклад зоны застройки в загрязнении атмосферы отсутствует, то есть А2=0.

Тогда решая (1)-(2), учитывая площадь сектора S0 =6,28 км2, получим:

А1 = 0,482 мкБк/м3 км2 и А3 = 0,094 мкБк/м3 км2.

Относительные вклады секторов в загрязнение атмосферы 137Cs будут:

- северный - зеленая зона 100%, дороги --;

- северо-восточный - зеленая зона 98,8%, дороги 1,2%;

- восточный - зеленая зона 99,7%, дороги 0,3%.

Для 2006-2007 гг. с преобладанием сильных ветров в восточном направлении рассмотрение проведено для секторов при R=10 км для двух направлений ветра (Таблица 2) с учетом техногенных источников запыленности (застройка, аэропорт, дороги) и естественных источников (сельскохозяйственные угодья).

Таблица 2

Тогда и (10-5 г/м3) определяются по уравнениям:

0,24 S0 P1e + 0,37 S0 P1т = 8,39;

0,53 S0 Pт = 6,38.

Учитывая, что в этом случае S0 = 40 км2, получим:

Pe = 0,41 * 10-5 г/м3 км2 и Pт = 0,30 * 10-5 г/м3 км2.

Для объемной активности 137Cs в секторах в этих же условиях Аik (мкБк/м3):

Восток:

n=12 (1) 0,33 S0 А1+0,24 S0 Ас/х+0,06 S0 А3=2,80.

при б1 =0,33; бс/х =0,24; б3 =0,06);

север:

n=3 (2) 0,61 S0 А1=2,32.

при б1 =0,61;

запад:

n=3 (3) 0,47 S0 А1+0,11 S0 А3=1,93

при б1=0,47; б3=0,11.

Решение (1)-(2) дает вклады 1 км2 каждой зоны в содержание 137Cs в приземном воздухе:

А1 = 0,605 мкБк/м3 км2, Ас/х = 0,976 мкБк/м3 км2

и А3 = 0,203 мкБк/м3 км2.

Используя полученные данные по объемной активности 137Cs в воздухе и запыленности воздуха почвенной пылью от ветрового подъема получим удельную активность 137Cs в этой пыли как:

.

Для условий города от зеленой зоны Аа = 58,7 Бк/кг, а от придорожной пыли Аа = 0,51 Бк/кг. Прямые измерения в районе АС (8 точек в слое почвы 0-5 см) дают средние значения Аа = 59 Бк/кг, что точно соответствуют условиям зеленой зоны города (отбор проб производился в районе рощи).

Эта величина близка к полученной выше независимо из определений в приземном слое воздуха А0 = 58,7 Бк/кг, которая соответствует удельной активности 137Cs в мелкодисперсной фракции самого верхнего (пылящего) слоя почвы и поэтому должна быть несколько выше определений непосредственно в почве зеленой зоны в слое 0-5 см.

По определениям 2006-2007 гг. в условиях восточного пригорода г.Ростова-на-Дону удельные активности 137Cs:

,

аэрозольной пыли составили в зеленой зоне 168 Бк/кг, для сельскохозяйственных угодий 373 Бк/кг и для зоны автодорог ~10,5 Бк/кг. Плотности загрязнения земной поверхности аП можно получить из удельной активности АП по известным соотношениям для аП (Кu/км2). Запас 137Cs в слое 0-20 см на площади в 1 км2: для целины аП=1,134*10-3АП и для пашни аП=1,486*10-3АП. Для зеленой зоны восточного пригорода получим аП=0,190 Кu/км2, а для сельскохозяйственных угодий аП=0,550 Кu/км2. Как указывалось выше, эти величины являются верхней оценкой реальной загрязненности, так как получены только для мелкодисперсной почвенной фракции самого верхнего пылящего слоя почвы.

Тем не менее интересно сравнить эти оценки с данными по пятнам загрязнения чернобыльскими осадками, полученными для Ростовской области в 1992 г в совместной работе ГГП «Кольцевгеология» (г.Ессентуки) и Центра РЭТ (г.Ростов-на-Дону). В районе города Ростов-на-Дону загрязнений выше 0,14 Кu/км2 не было выявлено (в загрязнении учтена поправка на распад 137Cs за время, прошедшее после определений 1992 г). Близлежащие пятна загрязнения были выявлены в 40 км к востоку в районе ст.Багаевской: 3 пятна загрязнения общей площадью S=350 км 2 со средней плотностью загрязнения ~0,31 Кu/км2 (с поправкой на распад). Это в целом согласуется с оценками, полученными из определений 137Cs в атмосферном воздухе (аП=0,19 Кu/км2 и аП=0,55 Кu/км2) с учетом приведенных выше замечаний о различии способов определения 137Cs в почвах.

Рассмотрим сезонную зависимость запыленности атмосферы (Р*10-5, г/м3), содержания 137Cs в ней (А, мкБк/м3) и метеопараметров (силы ветра в баллах и относительной влажности V, %). Среднемесячные значения этих величин в виде гистограмм приведены на Рис. 1.

Рис. 1. Среднемесячные значения запыленности атмосферы, содержания 137Cs в ней и метеопараметров за 2002-2005 гг.

сальтация радиоцезий запыленность ветровой

В 2006-2007 гг. на территории, включающей пригород, по сравнению с предыдущими 2002-2005 гг. на исключительно городской территории средняя объемная активность возросла с 1,77 мкБк/м3 до 2,06 мкБк/м3 при снижении общей запыленности с 9,89*10-5 г/м3 до 7,68 *10-5 г/м3, таким образом вне города значительно снизилась запыленность техногенного происхождения, а содержание 137Cs возросло за счет ветрового подъема на сельхозугодиях (пашни). Роль пригородных районов на восточном направлении резко возросла в 2006-2007 гг. в связи с увеличением средней силы ветра (до 3,7 балла по сравнению с 1,8 балла в 2002-2005 гг.), причем повторяемость восточных ветров также возросла (до 66% по сравнению с 21% в предшествующие года). Практически не изменились среднегодовые значения температуры воздуха и количество выпавших осадков, но зато снизилась средняя относительная влажность воздуха (от 71,8% до 67,9%).

В сочетании эти изменения метеопараметров (в первую очередь направления и силы ветра, а также относительной влажности) способствуют ветровому подъему почвенной пыли (особенно с пахотных земель). В литературе указывалась зависимость коэффициентов ветрового подъема от скорости ветра б~Vn, но показатель степени в зависимости от конкретных условий может варьировать от n=1 до n=4,8. Была отмечена и зависимость от увлажнения почв.

Сезонная зависимость метепараметров в сравниваемые периоды несколько различна. В то время, как максимумы объемной активности 137Cs проявляются во все годы в сентябре при широком максимуме запыленности в августе-сентябре, максимум силы ветра в 2006-2007 гг. оказывается также сентябре (в предыдущие годы - в апреле), максимум температуры воздуха - в августе (в предыдущие годы- в июле), а относительная влажность минимальна в августе (в предыдущие годы- в июне).

Таким образом, в 2006-2007 гг. создались условия для ветрового подъема почвенной пыли, содержащей 137Cs. Этому способствовало географическое положение рассматриваемого района и сочетание метеопараметров, создающих условия для усиления дефляции вплоть до пыльных бурь. Согласно, через Ростов-на-Дону со стороны юго-востока (п.Ремонтный) проходит ветровой коридор и для типичных почв области (черноземов) пыльные бури могут начинаться при V>7,8 м/с (<4 б) для целины и при V>5,6 м/с (<3 б) для пахотных земель. Летом и ранней осенью при сильном ветре и сухой почве пыльные бури происходят в период уборки сельскохозяйственных культур и обработки почвы. В нашем случае -это сентябрь 2006-2007 гг. с максимальной скоростью ветра V=4,2 балла, с предшествующей низкой влажностью, с наибольшей температурой воздуха в августе и относительно малым количеством осадков в сентябре. Как следствие этих условий имеет место широкий максимум запыленности атмосферы а августе - сентябре (10,9ч11,2)*10-5 г/м3 и максимум ветрового подъема 137Cs в пригородной восточной зоне в сентябре до ~4,3 мкБк/м3 в приземном слое воздуха. В предшествующие годы 2002-2005 гг. при относительно слабом ветре, ветровой подъем 137Cs имел место и в черте города также в сентябре до уровня 3,9 мкБк/м3, но не сопровождался какими либо особыми метеорологическими условиями в августе- сентябре.

Размещено на Allbest.ru