Радіоактивність грунту

Вступ

Освоєння людством ядерної енергії  у другій половині XX століття призвело до штучного радіоактивного забруднення довкілля, зумовленого випробуваннями ядерної зброї та аваріями на підприємствах атомної енергетики. Чорнобильська катастрофа (1986 р.) суттєво змінила радіаційну ситуацію на значних територіях України та сусідніх країн. Викид радіоактивних речовин з аварійного блока на великі висоти визначив глобальний характер забруднення довкілля, а варіації погодних умов на момент осаджень та різномаїття природних ландшафтів зумовили його строкатість (мозаїчність). Вивчення особливостей постчорнобильського забруднення свідчить про ландшафтну залежність вмісту 137Cs в ґрунтах гірських масивів (які є своєрідними природними перепонами на шляху хмар з радіоактивними викидами), зумовлену їх впливом на переміщення повітряних потоків, збільшення тут атмосферних випадінь, а отже, і на збільшення щільності осадженого на їх території радіонукліда.

Радіоактивність ґрунтів  зумовлена наявністю в них  радіоактивних елементів. Вивчення цього явища має важливе значення для екологічної оцінки ґрунтів тієї чи іншої території та впливу його на здоров'я місцевого населення.

1. Радіоактивність грунту

Радіоакти́вність (від  лат. radio — «випромінюю» radius — «промінь»  і activus — «дієвий») — явище спонтанного перетворення нестійкого ізотопа хімічного елемента в інший ізотоп (зазвичай іншого елемента) (радіоактивний розпад) шляхом випромінювання гамма-квантів, елементарних частинок або ядерних фрагментів.

Радіоактивність відкрив  у 1896 р. Антуан Анрі Беккерель. Сталося це випадково. Вчений працював із солями урану і загорнув свої зразки разом із фотопластинами в непрозорий матеріал. Фотопластини виявилися засвіченими, хоча доступу світла до них не було. Беккерель зробив висновок про невидиме оку випромінювання солей урану. Він дослідив це випромінювання і встановив, що інтенсивність випромінювання визначається тільки кількістю урану в препараті і абсолютно не залежить від того, в які сполуки він входить. Тобто ця властивість властива не сполукам, а хімічному елементу урану. В 1898 р. П'єр Кюрі і Марія Склодовська-Кюрі відкрили випромінювання торію, пізніше були відкриті полоній та радій. у 1903 році подружжю Кюрі було присуджено Нобелівську премію. На сьогодні відомо близько 40 природних елементів, яким властива радіоактивність. Встановлено, що всі хімічні елементи з порядковим номером, більшим за 83 — радіоактивні. Природна радіоактивність — спонтанний розпад ядер елементів, що зустрічаються в природі. Штучна радіоактивність — спонтанний розпад ядер елементів, отриманих штучним шляхом, через відповідні ядерні реакції.

Радіоактивність ґрунтів зумовлена  наявністю в них радіоактивних  елементів. В науковій літературі немає  даних про безпосередній вплив  радіоактивності на процеси ґрунтоутворення. Проте вивчення цього явища має важливе значення для екологічної оцінки ґрунтів тієї чи іншої території та впливу його на здоров'я місцевого населення.

Радіоактивність ґрунтів  виражається кількістю ядерних  розпадів за одиницю часу. В міжнародній  системі СІ одиницею кількості радіоактивності є беккерель (1 Бк=1 розп/с), а одиницею активності — кюрі (1 Кд = 3,7 • 1010 Бк).

Мінеральні добрива, що вносяться в грунт для підвищення врожайності, містять переважно  азот, фосфор і калій. Велике розповсюдження отримали азотні добрива на городах, де вирощуються овочеві і баштанні культури. При помірних дозах вони не представляють небезпеки, при надмірному ж вмісті в грунті нітратів і нітриту вони нагромаджуються в рослинах, погіршують смак харчових продуктів і можуть зробити шкідливий вплив на здоров'я споживачів.

Радіоактивність грунту обумовлена її геологічною будовою і в гірських породах буває дещо більшою, роблячи  відповідний вплив і на підземні води, що не відображається істотно  на природному радіоактивному фоні навколишнього середовища. При забрудненні грунту промисловими радіоактивними покидьками, радіоактивними ізотопами, що поступають з інших джерел, можливо значне підвищення радіоактивного фону. В цьому випадку радіоактивне забруднення грунту передається, як указувалося вище, далі по так званому харчовому ланцюжку через різні ланки біосфери і харчові продукти -- людині. Найбільшу небезпеку представляють цезій -90 і цезій-137, які, потрапляючи в організм корів, виділяються потім з молоком.

Залежно від характеру накопичення радіоактивних елементів в ґрунтах розрізняють природну і штучну радіоактивність.

2. Природна радіоактивність  ґрунтів

Природна радіоактивність  ґрунтів (ПРГ) зумовлюється природними радіоактивними елементами (ПРЕ), які завжди є в ґрунтах і ґрунтоутворюючих породах, їх поділяють на дві групи: первинні і космогенні.

Первинні ПРЕ —  елементи, що надійшли в ґрунт з  ґрунтоутворюючих порід або з  геохімічним потоком з інших  територій, їх поділяють на дві підгрупи. До першої підгрупи належать елементи, всі ізотопи яких є радіоактивними. Вони утворюють три радіоактивних ряди:

1. Ряд урану, родоначальником  якого є 238ІІ (період напіврозпаду  ТІ/2=4,5-109 років), включає 17 радіоактивних  ізотопів. З проміжних продуктів  розпаду заслуговує на увагу  226Ка, який є хімічним аналогом елементів — біофілів Са і М§. Кінцевим продуктом розпаду даного ряду є стабільний ізотоп свинцю — 206РЬ.

2. Ряд актинію, родоначальником  якого є 235П (ТІ/2=7,1-108 років), включає  14 радіоактивних ізотопів, кінцевим  продуктом є 207РЬ.

3. Ряд торію, родоначальником  якого є 232ТЬ (ТІ/2=1,4-1010 років), включає  12 радіоактивних ізотопів, кінцевим  продуктом є 208РЬ. Більша частина проміжних продуктів розпаду—короткоживу-чі ізотопи — випромінюють в основному альфа-частки, деякі — бета- і гама-частки.

До другої підгрупи належать ізотопи «звичайних» елементів, які здатні до радіоактивного розпаду (40К; 87КЬ; 48Са; 962г та ін.). Найбільшу  природну радіоактивність з цих  елементів має калій. Валовий вміст ПРЕ залежить від ґрунтоутворюючих порід. Продукти вивітрювання кислих порід містять більше ПРЕ, ніж продукти основних і ультраосновних порід. Космогенні ПРЕ надходять в ґрунт з атмосфери, де вони виникають в результаті взаємодії космічного випромінення з ядрами стабільних елементів. До цієї групи належать тритій (3Н), берилій (7Ве, 10Ве) і вуглець (14С).

Вертикальне розподілення ПРЕ по профілю ґрунту залежить від особливостей ґрунтоутворюючого процесу. Так, карбонатні ґрунти мають вищу концентрацію ПРЕ у верхньому гумусному горизонті. Підзолисті, сірі лісові, солонцюваті, оглеєні, навпаки, акумулюють ПРЕ в ілювіальних і глейових горизонтах.

3. Штучна радіоактивність ґрунтів

Штучна радіоактивність  ґрунтів зумовлена забрудненням їх радіоактивними ізотопами в результаті виробничої діяльності людини. Вперше загроза радіоактивного забруднення ґрунтів виникла в 50-ті роки XX століття, коли в багатьох регіонах земної кулі проводились випробування атомної зброї в атмосфері. В наш час кількість джерел радіоактивного забруднення значно збільшилася. До них належать атомні електростанції, уранові шахти і збагачувальні фабрики, заводи по переробці ядерного палива, сховища радіоактивних відходів, теплові електростанції тощо. Викиди радіоактивних речовин забруднюють не лише прилеглу до підприємства територію. Вони переносяться вітром на значні відстані і, випадаючи з атмосферними опадами, забруднюють повітря, ґрунти і природні води на великих територіях.

Радіоактивні елементи, які мають, порівняно, короткий період піврозпаду (110Ва; 114Се; 133І; 893г та ін.), можуть бути небезпечними, коли з краплями дощу вони випадають на поверхню ґрунту. Особливо небезпечними є елементи з тривалим періодом піврозпаду—137Сз (ТІ/2=33 роки) і 905г (ТІ/2=28 років). Радіоактивні елементи включаються в біологічний кругообіг і з рослинною і тва­ринною їжею потрапляють в організм людини. Тут вони накопичуються і зумовлюють радіоактивне опромінення. Отже, потрібно знати процеси вбирання цих ізотопів ґрунтом, їх міграцію і засвоєння рослинами.

4. Динаміка вбирання  та міграції радіоактивних елементів в ґрунтах

Вміст в ґрунтах радіоактивних  елементів незначний і тому вони не впливають на зміну основних властивостей ґрунту: реакцію ґрунтового розчину, рухомість елементів живлення рослин тощо. Важливе значення для характеристики ґрунтів має гранична концентрація радіоактивних речовин, які надходять з ґрунту в рослинні організми, розподіл їх по профілю та швидкість самоочищення ґрунту від радіоактивного забруднення.

 В результаті аварії на Чорнобильській АЕС в ґрунти навколишніх територій потрапили різні радіоактивні елементи (і34Сз; 137Сз; 141Се; 144Се; 103Рчи; 952г; 90'5г та інші). Найбільша частина від їх сумиприпадає на 134Сз; 137Сз і 905г. Проведені в 1986 — 1989 роках геохімічні дослідження ґрунтів 30-кілометрової зони ЧАЕС (ж. Поч-воведение, 1990, № 10) показали, що механізми міграції даних елементів різноманітні і залежать від форми сполук, в складі яких були вони викинуті з реактора, особливостей клімату і властивостей ґрунту. В основному переміщення радіонуклідів відбувається за рахунок біологічного перемішування ґрунтової маси, просіювання часток радіоактивного пального крізь пори ґрунту та руху ґрунтової вологи, яка містить розчинені і колоїдні форми радіоактивних елементів.

Потрапляючи в ґрунт, частки радіоактивного пального зазнають хімічних змін, в результаті чого виникають обмінні і необмін-ні форми сполук. Обмінні форми вбираються ГВК в кількості, яка зумовлена ємкістю вбирання цього ґрунту. Оскільки ґрунти Київського та Житомирського Полісся мають низьку ємкість вбирання, обмінні форми 905г і І37Сз вбираються неповністю. В цих ґрунтах швидкість вилуговування 905г більша, ніж швидкість його закріплення колоїдами. Частина їх в розчиненому стані мігрує в нижні горизонти ґрунту. При випаданні таких сполук на ґрунти з високою ємкістю вбирання (сірі лісові, чорноземи, каштанові) вони майже повністю будуть закріплені ґрунтом. Необмінні форми сполук мігрують в нижні горизонти дуже повільно. Рухомість радіоактивних елементів в ґрунтах неоднакова. За цією властивістю вони утворюють т/акий ряд: 905г>І06Ки> > "7Сз > 144Се> 129І >239Ри. 905г і 137Сз за хімічними властивостями є аналогами Са і К. Тому поведінка їх в біологічному кругообігу речовин подібна до поведінки зазначених елементів. Кореневі системи рослин однаково засвоюють як кальцій, так і стронцій, як калій, так і цезій. Щоб зменшити засвоєння рослинами зазначених радіоактивних ізотопів, слід підвищувати концентрацію Са і К внесенням мінеральних добрив.

Розподіл радіоактивних  елементів по профілю ґрунту залежить від механічного складу і водного режиму ґрунту. На глинистих і суглинкових ґрунтах з непромивним режимом основна частина радіонуклідів антропогенного походження протягом багатьох років зберігається у верхньому (до 10 см) шарі ґрунту. Отже, швидкість вертикальної міграції на таких ґрунтах дуже низька. Значно швидше мігрують радіонукліди вглиб піщаних ґрунтів. За 10 — 15 років вони проникають на глибину до 40 - 50 см. При досягненні рівня ґрунтових вод вони починають мігрувати горизонтально і можуть потрапити в гідрографічну мережу.

Радіонукліди, що випали на поверхню ґрунту, виносяться за межі забрудненої території поверхневим  стоком води. За даними Ф. А. Тихомирова (1988), на рівнинних територіях гумідних ландшафтів поверхневий і ґрунтовий  стоки 905г за рік становлять 0,4 % загального його запасу, а в гірських районах — до 5 %. Він підрахував, що період напівочищення орного горизонту з урахуванням радіоактивного розпаду становить приблизно 0,4—0,7 періоду пів-розпаду цих елементів (905г, І37Сз), тобто 10—20 років. Радіоактивні ізотопи 14С та 129І, які увійшли до складу гумусу, залишаються в ґрунті на сотні років.

Отже, самоочищення ґрунтів  від радіоактивного забруднення  залежить від тривалості життя радіоактивних  ізотопів та їх міграційної здатності. Прискорити цей процес можна вивезенням з поля біомаси рослин, яка засвоїла з ґрунту радіоактивні елементи.

5. Охорона ґрунтів від забруднення радіоактивними речовинами

До радіоактивних елементів, які можуть забруднювати ґрунт і  є найбільш небезпечними належать: 1⁴⁰Ва, ^М4Са, ^ІЗІІ, ²³⁸U, ⁹⁵U й особливо елементи з тривалим періодом розкладу, як, наприклад, ^І37Сз (50 років) і ⁹⁰Sr (27 років).

Потенційними джерелами  радіоактивного забруднення можуть бути аварії або нещасні випадки  на атомних установках. Проте іонізуюче  випромінювання у природі існує та існувало раніше. Це пов'язано із космічною радіацією, яка заповнює всі міжзіркові та навіть міжгалактичні простори. Крім іонізуючого випромінювання космічних елементів, людина піддається впливу телурових компонентів, викликаних наявністю у земній корі багатьох радіоактивних елементів, які постійно випромінюють радіацію.

У 50-80 роках важливим джерелом радіоактивного забруднення ґрунтів  було випробування атомних бомб, а  в 1986 році - аварія на ЧАЕС.

Радіоактивні елементи у ґрунті мігрують переважно двома способами. Перший зумовлюється переміщенням їх у результаті господарської діяльності людини, а другий - фізико-хімічними властивостями як ґрунту, так і окремих ізотопів. Істотне значення у цьому процесі мають: форма сполук, в яких перебувають радіонукліди, наявність у ґрунті іонів, близьких за хімічними властивостями до радіоізотопів, рН середовища, кількість опадів та деякі

ґрунтово-кліматичні умови. Так, із крутих схилів радіонукліди разом  з частками ґрунту можуть зноситися  поверхневими стоками і накопичуватися у низинах та водних джерелах.

У ґрунті, особливо в його верхньому горизонті, концентруються радіоактивний стронцій (^Sr) і цезій (^l37Cs), звідки вони потрапляють у рослини або тварини.