Для г. Калуга основной источник радиации – радиоактивный газ радон.
Тяжелый радиоактивный газ радон – продукт радиоактивного превращения радия. В рассеянном виде радиоактивные уран, торий, радий присутствуют во всех горных породах, в почвах и водах — т. е. во всех элементах земной коры.
Ядра атомов радия, содержащие около сотни протонов и более сотни нейтронов, миллионы лет могут спокойно лежать в крис¬таллической решетке горных пород, обычной гальки или песчинок. Но приходит тот заветный миг, когда два нейтрона и два протона в ядре вдруг объединяются в так называемую альфа-частицу и вырываются из ядра. Оставшийся остаток ядра - это уже не радий. Это ядро газообразного элемента, называемого радоном. Атомы любого газа обладают стремлением при малейшей возможности покинуть ту полость, которая их заключает в себя.
Атомы радона внутри камня такой возможностью обладают в ограниченной мере. Часть радона выходит в атмосферу через поверхность камня. Но большая часть атомов радона оказывает¬ся заключенной в порах горной породы, будь то горные блоки или камни, валяющиеся под ногами. Если поры имеют сообще¬ние с поверхностью, то поровый воздух, обогащенный радоном, может просачиваться вовне. Интенсивность выхода радона из пор будет возрастать, если камень подвергнуть сжатию. Такой эксперимент провели в 1981 году американские ученые Р. Хоулаб и В. Брейди. Они подвергли одноосевому сжатию кусок обычного гранита, и из него интенсивно стал выделяться рад он. Так или иначе, атомы радона оказываются в атмосфере — самой подвижной и всепроникающей земной оболочке.
В органы дыхания человека за сутки попадают около 20 мил¬лионов атомов радона, а при высоком радоноснабжении — более миллиарда тяжелых атомов этого испускающего разрушающие живую ткань частицы радиоактивного газа.
В природе радон встречается в двух основных формах:
1) в виде 86Rn222 (член радиоактивного распада ядра урана 92U238);
2) в виде 86Rn220 (член радиоактивного распада ряда тория 90Th232).
Эти материнские нуклиды уран-238 и торий-232 стары как сама Земля (возраст Земли около 4,5 млрд. лет). Они сохранились только потому, что периоды полураспада основателей радиоактивных семейств очень велики и составляют для урана-238 4,5 - 109лет и для тория-232 - 14 -109 лет.
В результате распада радона в воздухе образуются короткоживущие радиоактивные изотопы полония, свинца и висмута, которые чаще всего прикрепляются к микроскопическим пылинкам - аэрозолям. Поверхность легких человека составляет несколько десятков квадратных метров. Это хороший фильтр, осаждающий радиоактивные аэрозоли, которые таким образом устилают поверхность. Два радиоактивных изотопа полония с массовыми числами 218 и 214 «обстреливают» альфа-частицами поверхность легких и обусловливают свыше 97% дозы облуче¬ния, связанного с радоном.
Ниже представлен ряд радиоактивного распада радона-222:
86Rn222 α + 84Po218 T = 3,82 дня
84Po218 α + 82Pb214 T = 0, 05 дня
82Pb214 e + 83Bi214 T = 26, 8 дня
83Bi214 e + 84Po214 T = 9, 5 дня
84Po214 α + 82Pb210 T = 1, 6∙10-4 с
Долгоживущий изотоп свинца-210 удаляется из легких рань¬ше, чем успевает распадаться, поскольку его период полураспада составляет 22 года.
Радон - инертный тяжелый газ без цвета и запаха, 7,5 раза тяжелее воздуха, точка кипения - 65°С, растворяется в воде.
Радон хорошо растворяется в крови и лимфе, и поэтому со¬держание его в единице объема человеческого тела достигает примерно 50% от содержания в окружающем воздухе. Как было показано выше, у радона есть еще три радиоактивных элемента, связанных с ним. Это его «дочерние» продукты рас¬пада, также радиоактивные изотопы полония, свинца и висмута. Сейчас известно, что радиационная доза в легких от дочерних продуктов во много раз больше, чем от самого радона.
Поскольку радиоактивный радон воздействует на верхние дыхательные пути человека, возникающие при его распаде, альфа-частицы облучают эпителий бронхов, т.е. происходит ионизация и возбуждение атомов покровных слоев ткани, т.е. клеток эпителия.
В последние десятилетия установлено, что несколько раз в ме¬сяц содержание радона в приземной атмосфере вдруг резко уве¬личивается во много раз. Эти настоящие радоновые бури сопро¬вождаются бурями электрическими, точнее — аэроионными, тогда столь же резко возрастает концентрация ионов в воздухе. И как следствие этого примерно у 30% населения наблюдают¬ся одышка, сердцебиение, мигрень, бессонница, тревожное состояние и другие неприятные явления.
Что же является причиной радоноаэроионных бурь, не толь¬ко способствующих развитию рака легких, но и воздействующих на организм немедленно, вызывая функциональные нарушения даже у практически здоровых людей и создавая серьезную опасность для жизни больных или несформировавшихся организмов?
Оказалось, что проблема радона удивительным образом со¬пряжена с комплексом физических процессов на Солнце, и это породило новые подходы к пониманию механизмов солнечно-земных связей.
Важность проблемы влияния солнечной активности на земную природу и социальные процессы еще недостаточно понята научной общественностью. Порой даже у серьезных естествоиспыта¬телей, не являющихся, однако, специалистами в данной области, вызывает недоумение сама постановка вопроса о воздействии образующихся на Солнце темных пятен на земные процессы.
А между тем, эти пятна есть проявление мощных физических процессов в недрах звезды. Размеры таких пятен в десятки раз превышают диаметр нашей планеты. И рядом с ними происходят грандиозные взрывы - солнечные хромосферные вспышки. Во время вспышек выделяется энергия порядка 1024-1026 Дж, и в межпланетном пространстве распространя¬ются ускоряющиеся корпускулярные потоки, жесткое рентге¬новское излучение, горячая намагниченная плазма и, форми¬руемая ею, ударная волна. Импульсы солнечной активности создают ионизацию и молекулярные изменения в высоких сло¬ях земной атмосферы; вызывают геомагнитные бури. Геомагнит¬ные бури имеют 27-дневную повторяемость, что связано с тем, что период обращения Солнца вокруг своей оси для земного на¬блюдателя равен 27 дням.
Значит, и вариации уровня концентрации радона в призем¬ной атмосфере должны иметь такую же периодичность.
Уже говорилось, что возрастание концентрации радона в воздушной среде при геомагнитных бурях нешуточное - в 5-10 и более раз! Организм человека не может оставаться безучастным к такому сильному изменению количества этого радиоак¬тивного газа в воздухе: радон проникает в легкие и разносится кровотоком по всем закоулкам человеческого тела, а к тому же имеет способность концентрироваться в некоторых жизненно важных органах.
В каких же узловых органах накапливается радон?
Какими же путями проникает радон в дома и почему его концентрация в них выше, чем снаружи? Так как гравий, глина, песок содержат всегда соединения урана и тория, то строительные материалы являются источниками радона, в некоторых случаях очень даже обильными. Кроме того, радон поступа¬ет в дома вместе с почвенным воздухом, который затягивается из грунта вследствие того, что из-за разности давлений внутри и вне здания оно действует как вытяжная труба. Если в доме от¬сутствует сквозная вытяжка, то для насыщенного радоном грун¬тового воздуха комнаты являются отличной ловушкой. Если дом стоит на богатом радиоактивными элементами грунте, то ситуа¬ция особенно неблагоприятна. Так как для строительства используются природные материалы, то и в домах человек не избавлен от облучения естественной радиоактивностью. Меньше всего она в деревянных домах (до 0,5 мЗв в год), а в кирпичных и железобетонных может быть до 1,5 мЗв в год. Причиной возра¬стания содержания радона внутри помещений является не только строительный материал, но также грунт под зданием. Поэтому в некоторых деревянных домах концентрация радона выше, чем в кирпичных, хотя дерево выделяет совершенно ничтожное количество радона по сравнению с другими материалами.
Особенно сильное действие радон оказывает на людей, находящихся в подвальных помещениях, и на жителей первых этажей жилых зданий, что должно учитываться при проектировании и строительстве домов в городах и сельской местности. Для того чтобы уменьшить риск получить радоновое облучение, необходимо проводить защитные мероприятия - использовать для полов специальные покрытия, тщательно проветривать помещения. Активная вентиляция помещения в течение 2-3 часов снижает концентрацию радона в 3-4 раза. Если уровень радона в воздухе не удается снизить ниже 400 Бк/м3, то, по рекомендации специалистов, жильцов этого дома необходимо переселять.
Часть радона в здании накапливается также из природного газа и воды. Содержание радона в воде зависит от источника водоснабжения, колеблется от 0 до 100 млн. Бк/м3. Много радона может содержать вода из глубоких скважин или артезианс¬ких колодцев. Например, в подземных водах его концентрация может изменяться от 4-5 Бк/л до 3-4 МБк/л, т. е. в миллион раз. В водах озер и рек концентрация радона редко превышает 0,5 Бк/л, а в водах морей и океанов - не более 0,05 Бк/л.
При кипячении воды большая часть радона улетучивается. Даже поступающий с некипяченой водой радон быстро выводится из организма.
Сырая вода с радоном, попавшая в организм, не столь вредна и опасна, как радон, попадающий в легкие. А ведь распыляя воду в ванной с помощью душа, переводим радон из воды в воз¬дух, а затем в легкие. Вот где в квартире имеется большая опасность облучения радоном — под душем!
На кухне радон поступает вместе с природным газом. Поэтому нужны вытяжки. Но даже при отсутствии вытяжки на кухне концентрация радона в ванной примерно в три раза может превысить таковую на кухне. Таким образом, в жилых помещениях следует защититься от радона, поступающего из подвалов, а точнее, — из грунта под домом. Для этого надо загерметизировать междуэтажные перекрытия, а в подвалах установить принудительную вентиляцию. Вентиляция нужна и в ванной, а на кухне надо установить вытяжку.
В разных помещениях одного дома радиоактивность неодинакова, может отличаться в несколько десятков раз. Как было отмечено выше, радон в основном проникает в дом вместе с воздухом, который возникает из почвы вследствие разницы в давлениях внутри и вне дома. Эта разница (~ 0,0001 атм.) возникает отчасти благодаря эффекту «дымохода», связанному с тем, что теплый воздух всегда стремится подняться. Воздух проходит в помещение через различные щели и неплотности, в особеннос¬ти вокруг оконных и дверных рам, а также труб и электропровод¬ки. В большинстве домов воздух обновляется за 1—2 часа. Такой обмен сопровождается постоянной утечкой энергии. В то же вре¬мя уплотнение дверных и оконных рам, заделывание щелей в кор¬пусе зданий приводит к снижению скорости вентиляции, а, следовательно, к повышению количества радона внутри помещения. И, наконец, химические взаимодействия с частицами, взвешенными в воздухе, с различными поверхностями также влияют на кон¬центрацию радона и продуктов его распада (свинца, висмута). Совокупная изменчивость скорости поступления, скорости венти¬ляции и скорости химических реакций и дает огромный диапазон концентрации этих радиоактивных веществ.
По современным оценкам, концентрация радона в домах варьирует в пределах четырех порядков. Особого внимания заслуживают случаи аномально высоких значений объемных активностей радона в отдельных домах. Максимальные зарегистрированные значения объемной активности радона составляют 20 тыс. Бк/м3 (Швеция). Среднее значение колеблется в зависимости от стран от 6 до 60 Бк/м3. Около 1% населения живут в домах, в воздухе которых содержится более 100 Бк/м3; 0,01% живущих в зданиях с повышенным содержанием радона, дышат воздухом, содер¬жащим ~ 400 Бк/м3 (Усманов С.М., 2001).
Уровни в г. Калуга
Повышенные концентрации радона свыше 10 кБк/м3 отмечаются на участках с близповерхностным залеганием известняков, перекрытых четвертичными отложениями малой мощности (0,4-0,8) м3. К таким участкам относятся; густонаселенная центральная часть города, а также участки городской застройки на склонах вдоль левого берега р.Оки, Яченки, Киёвки и восточного берега Яченского водохранилища, где наблюдаются выходы известняков на дневную поверхность.
Напорные подземные воды облегчают поступление радона к дневной поверхности и создают неустойчивые его концентрации в почвах и соответственно в зданиях (район ул. Широкой - Яченской). В целом по содержанию радона в почво-грунтовом слое терри¬торию г.Калуги можно отнести к безопасной, которая чередуется с умеренно-опасными участками (с концентрациями более 10 кБк/м3).
При обследовании входящих в черту города населенных пунктов на фоне относительно низких концентраций радона 0,3-2,0 кБк/м3 отмечены аномальные его значения в пос.Секитово (8 - 20 кБк/м3), Азарово (7-8 кБк/м3) и д.Кукареки (14 кБк/м3) в пределах отдельных локальных участков.
Измерения эквивалентной мгновенной объёмной равновесной активности радона (ДПР) выполнялось в зданиях различного назначения и типа.
По степени радонозащищенности все строения в г.Калуги подраз¬деляются, на две группы: первую составляют современные многоэтажные строения с бетонированными подвалами, тлеющими железобетонное перекрытие. Вторая группа представлена двумя типами зданий - деревянными строениями частной застройки и каменными домами старого типа, имеющими ленточный фундамент, грунтовый пол подвалов или подпольного пространства, и деревянные полы. В пределах второй группы зданий встречаются строения, имеющие бетонное перекрытие подвалов, однако, количество их в городе ограничено. По радонозащитным свойствам указанные типы зданий имеют примерно одинаковую низкую степень защиты и объединены в одну группу.
Измерения ОА радона выполнены в основном в зданиях жилого и социально-бытового назначения.
Измеренные значения ОА радона в воздухе помещений изменяются в широких пределах от 5-15 Бк/м3 на нерадоноопасных территориях или в радонозащищенных зданиях, до значений, превышающих предельно допустимый уровень в 2-6 раз.
Для существующих зданий уровень среднегодовой эквивалентной равновесной объёмной активности ограничен 200 Бк/м3, а для вновь вводимых строений - 100 Бк/м3 .
Учитывая увеличенный риск последствий радиационного воздействия на формирующийся организм человека, для детских учреждений указанная норма должна быть снижена в 2,5-3 раза (50-я публикация МКРЗ). Анализ материалов измерений ОА радона в 334 зданиях, (212 объектов), полученный при районировании территории города по радоноопасности, показал наличие значительного количества строений, имеющих повышенные и аномальные концентрации радона.
Динамика аномальных по радону объектов характеризуется следующими показателями. Из 334 зданий, в которых были выполнены измерения в отдельных помещениях, в 96 зданиях (28%) были выявлены повышенные и аномальные значения эквивалентной ОА радона в помещениях 1-го этажа и подпольном пространстве. При этом следует оговорить, что представительность обследования зданий на этом этапе работ была не полной, т.е. измерения выполнялись только в нескольких помещениях здания и в отдель-ных отсеках подвалов. Но, тем не менее, в 84 зданиях (25%) были выявлены концентрации радона 50 Бк/м3 и более 30 (14%)
более 100 Бк/м3, в 7 (3%) более 200 Бк/м3. В то же время ОА радона более 100 Бк/м3 установлена в подвалах и техническом прост¬ранстве 34 зданий (24% от числа домов, в которых эти измерения выполнялись), более 200 Бк/м3 в 21 (15%) и более 400 Бк/м3 в
16 домах (11%).
В подвалах ряда зданий выявлены очень высокие значения ОА радона от I 000 Бк/м3 до 12 000 Бк/м3.
Учитывая, что измерения ОА радона в жилых и других помещениях производились в теплый период года при высоких значениях коэффициента воздухообмена, для оценки радоноопасности необходимо использовать и значения концентраций радона в подвалах и подпольном пространстве.
Такая оценка была выполнена на части аномальных объектов. Одновременно, для определения вклада материалов строительных конструкций в величины измеренных ОА радона, на большинстве обследованных объектов выполнены измерения мощности экспозиционной дозы гамма-излучения на высоте I м от пола в центре помещений.
Радиационный фон составил 10-12 мкР/ч в большинстве помещений, изредка повышаясь до 18-20 мкР/ч. При указанных значениях МЭД в аномальные концентрации радона обязаны его поступлению из почв. Это подтверждается измеренными значениями ОА радона в ряде верхних этажей зданий, которые находились на уровне фоновых - 2-5 Бк/м3 по ДПР и менее 10 Бк/м3 по концентрации радона непосредственно (гостиница "Калуга", "Ока").
Специальных работ по оценке содержания радона в источниках водоснабжения не проводилось. Учитывая широкое использование подземных вод, их вклад в общую объёмную активность возможен.
По результатам детализационно-оценочных работ, выполненных на отдельных аномальных объектах, установлено увеличение эквива¬лентной объёмной активности радона в помещениях при приближении к зимнему периоду года.
С учётом прогнозного среднегодового уровня эквивалентной объёмной активности радона территория г.Калуги подразделена на три вида радоноопасных площадей: безопасные, умеренно-опасные и опасные.
К безопасным относятся участки территории города, где вероятность обнаружения объектов (зданий) с уровнем среднегодовой равно¬весной эквивалентной объёмной активностью более 200 Бк/м3 маловероятна для всех типов зданий. С учётом масштабов выполненных съёмок она оценивается менее 5%. Площадь безопасных территорий сос-тавляет 4,8 км2 (24%).
К умеренно-опасным отнесена большая часть селитебной зоны города. Её площадь 10,7 км2 (53%). Вероятность встречи помещений со среднегодовой ОА радона от 200 до 400 Бк/м3 оценивается в 20% от числа обследованных зданий. Это, прежде всего, относится к об-ъектам 2-й группы радонозащищенности зданий (индивидуальные дома, малоэтажные деревянные и каменные строения) и к подвальным поме¬щениям зданий I группы (малоэтажным зданиям современной постройки).
К опасным отнесены 10 участков территории общей площадью 4,5 км2 (22%). Ожидаемый уровень среднегодовой ОА радона в зданиях 2-й группы и подвалах 1-й группы составляет более 400 Бк/м3.
Вероятность обнаружения таких объектов оценивается в 15%. В помещениях первых этажей зданий I группы радонозащищенности воз¬можно наличие умеренно-опасных концентраций радона.
Таким образом, выполнен первый этап планомерных экологических работ,
направленных на оздоровление радиационной обстановки в г.Калуге
по фактору "Радон" - составлена карта районирования города по
радоноопасности на площади 20 км2 и карта результатов измерений
концентраций радона в почвах и грунтах в пределах городской черты на общей площади 45 км2 масштаба 1:10 000, являющихся основой для проведения дальнейших экологических исследований (см. приложение I).
Подтверждена прогнозная оценка влияния радонгенерирущих угленосных отложений визейского яруса нижнекаменноугольного
возраста на повышенные уровни концентраций радона в город, .г.Калуга отнесен к умеренно-опасным городам РФ. По воздей¬ствию радона и ДПР на его жителей.
При проведении эколого-радонометрических съёмок обнаружены
ореолы радона с концентрациями до 30 кБк/м3 в почвах и грунтах,
которые и создают умеренно-опасные и опасные его концентрации в
зданиях. 40% из числа обследованных объектов имеют аномальные
помещения в пределах 1-го этажа с эквивалентной ОА радона более 50 Бк/м3 и прогнозной оценкой повышения среднегодового уровня до 200 Бк/м3. Максимальная эквивалентная ОА радона в жилых помещениях составила 1000 Бк/м3 , а в подвалах до 12 000 Бк/м3 . Отмечается повсе¬местно значительный приток радона в зданиях.
2. Площадь радоноопасных участков в городе составила 4,5 км2,
умеренно-опасных 10,7 км2. Общая площадь территории, требующая
дальнейшего эколого-радонометрического обследования, составляет 15,2 км2 или 76% территории города (Отчет по результатам «Экологорадиогеохимиическое районирование территории г. Калуга по радоноопасности», 1993). 