Исследования источников поступления и процессов переноса радионуклидов в приземной атмосфере промышленных городов (на примере г. Ростова-на-Дону)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВЫСОКОГОРНЫЙ ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

НА ПРАВАХ РУКОПИСИ

СТАСОВ ВИТАЛИЙ ВИКТОРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ ИСТОЧНИКОВ ПОСТУПЛЕНИЯ И ПРОЦЕССОВ 

ПЕРЕНОСА РАДИОНУКЛИДОВ В ПРИЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЕ 

ПРОМЫШЛЕННЫХ ГОРОДОВ

(НА ПРИМЕРЕ г.РОСТОВА-НА-ДОНУ)

25.00.30 – метеорология, климатология, агрометеорология

диссертация на соискание ученой степени 
кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

д. ф.-м.н.                                               

Научный консультант:

к. х. н.                                                                                                    Бураева Е.А.

Нальчик

2012

Давыдов М.Г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................. 4

ГЛАВА I. РАДИОЭКОЛОГИЯ АТМОСФЕРЫ КРУПНОГО 

ПРОМЫШЛЕННОГО ЦЕНТРА.......................................................................... 12

1.1. Системы радиоэкологического контроля .............................................. 12

1.2. Радионуклиды в атмосфере ..................................................................... 16

1.3. Распределение радиоактивности в приземном слое воздуха 

промышленного центра..................................................................................... 19

1.4. Естественные радионуклиды космогенного происхождения в 

атмосфере............................................................................................................ 22

1.5. Естественные радионуклиды в приземном слое воздуха..................... 26

1.6. Поведение искусственных радионуклидов в атмосфере...................... 35

1.7. Ветровой подъем радионуклидов с земной поверхности как источник 

загрязнения приземного слоя воздуха............................................................. 40

1.8. Физико-географические, климатические и экологические особенности 

г. Ростова-на-Дону............................................................................................. 43

ГЛАВА II. МЕТОДИКА ПРОБООТБОРА, ПРОБОПОДГОТОВКИ. ГАММА
СПЕКТРОМЕТРИЧЕКИЙ МЕТОД..................................................................... 51

2.1. Методика пробоотбора и пробоподготовки почв, атмосферных 

аэрозолей и осадков........................................................................................... 51

2.2. Характеристики гамма-спектрометрического метода.......................... 58

2.3. Определение содержания ЕРН и ИРН в атмосферных аэрозолях и 

осадках ................................................................................................................ 61

2.4. Описание радиометрической и спектрометрической аппаратуры. 

Особенности калибровки гамма-спектрометров............................................ 66

2.4.1. Низкофоновая специализированная радиометрическая установка 

РЭУС-II-15 на основе GeHP детектора........................................................ 66

2.4.2. Описание интегрального радиометра радона РГА-04...................... 68

ГЛАВА III. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЕРН И ИРН В АТМОСФЕРЕ И ДРУГИХ

ОБЪЕКТАХ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫГ. РОСТОВА-НА-ДОНУ ................... 70

3.1. Содержание 7Ве в приземном слое воздухаг. Ростова-на-Дону............ 70

3.2. Содержание 238U, 234Th, 232Th, 226Ra, 224Ra и 40К в атмосферных 

аэрозолях и осадках г. Ростова-на-Дону ......................................................... 76

3.3. Содержание радона, торона и их продуктов распада в приземном слое 

воздуха г. Ростова-на-Дону............................................................................... 81

3.4. Исследование связи радионуклидного состава почвенных фракций и 

атмосферных аэрозолей .................................................................................... 85

3.5. Комплексный индекс загрязнения как количественная характеристика 

радиоактивного загрязнения атосферы ........................................................... 94

ГЛАВА IV. ВЫЯВЛЕНИЕ ТЕХНОГЕННЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ

РАДИОАКТИВНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ Г.РОСТОВА-НА
ДОНУ И ОЦЕНКА ВКЛАДА ВЕТРОВОГО ПОДЪЕМА ................................. 98

4.1. Разработка регрессионной модели для анализа влияния метеоусловий 

на распределение удельной активности 7Ве [126].......................................... 98

4.2. Возможности оценки ветрового подъема радионуклидов с земной 

поверхности [140] ............................................................................................ 100

4.3.
7Ве и 137Сs как мониторы радиоактивности атмосферы [141] ........... 103

4.4.
137Сs в приземном слое воздуха г. Ростова-на-Дону [146]................. 116

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................... 129

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................... 132

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.
Исследование источников поступления в 

атмосферу и переноса в ней радионуклидов представляет особый научный 

интерес для радиоэкологии как науки о радионуклидах в окружающей среде, 

так как атмосфера является универсальной и самой динамичной средой их 

переноса. В природных условиях особенности процессов в радиоэкологии 

атмосферы 
определяются 
преимущественно 
метеорологическими 

характеристиками, но в условиях промышленных центров процессы 

поступления радионуклидов в приземную атмосферу и переноса в ней имеют 

свои особенности. Во-первых, эманирование радона и ветровой подъем 

других радионуклидов с земной поверхности существенно искажены в 

условиях 
урбанизированной 
территории 
городов. 
Во-вторых, 
в 

промышленных центрах имеется множество источников газоаэрозольных 

выбросов, содержащих практически все естественные радионуклиды (ЕРН).

Эти особенности изучены лишь в незначительной степени и главным 

образом в связи с последствиями глобальных выпадений искусственных 

радионуклидов (ИРН) после аварии Чернобыльской АЭС (ЧАЭС) и в связи с 

оценкой радоновой опасности районов застройки. Кроме того, имеются 

отдельные исследования космогенного 7Ве в атмосфере крупных городов.

Несомненно, важная проблема снижения доз облучения населения 

должна обеспечиваться развернутой в городах сетью ведомственных служб 

контроля радиоактивности атмосферы
(наиболее полно и системно –

Гидрометеоцентрами, а так же службами Санэпиднадзора Министерства ЧС 

и др.). Однако в функции этих служб не входит изучение особенностей 

процессов образования и переноса радионуклидов в атмосфере городов. Если 

содержания радионуклидов в воздухе не превышает допустимых по нормам 

радиационной безопасности уровней, то вообще не представляет интерес для 

большинства указанных служб.

Особой остротой отличается проблема радиационной опасности жилых 

и общественных зданий. Содержание радона в помещениях связано с его 

содержанием в приземном слое воздуха и плотностью потока с земной 

поверхности.

Для радиоэкологии атмосферы, как в природных условиях, так и в 

условиях антропогенного ландшафта все процессы образования и переноса 

радионуклидов можно разделить на две группы: 1) процессы образования в 

верхних слоях атмосферы и в земной коре с переносом воздушными массами 

в вертикальном направлении (для 7Ве и 222Rn с его дочерними продуктами 

распада (ДПР)); 2) процессы образования в атмосфере и на земной 

поверхности
с 
переносом 
воздушными 
массами 
в 
горизонтальном 

направлении (для ИРН при ядерных взрывах, выбросах предприятиями ЯТЦ, 

при авариях и выбросах промышленными предприятиями, а также при 

ветровом подъеме).

Поэтому исследование путей поступления и переноса радионуклидов в 

приземный слой атмосферы города является актуальной научной проблемой 

как радиоэкологии, так и ряда смежных дисциплин. Это исследование для 

г.Ростова-на-Дону 
представляет 
особый 
интерес 
из-за 
его 
физико
географических условий, особенности климата и метеорологических 

условий.

Изучение радиоактивности атмосферы города имеет и практический 

интерес в связи с проблемами радиационной безопасности населения, так как 

дает информацию для оценки доз хронического облучения от различных 

радионуклидов при дыхании.

Диссертационная работа выполнена в рамках тематического плана НИИ 

физики при Южном Федеральном Университете:

1. «Исследование природы вариации радиоактивности приземного слоя 

воздуха на основе систематических радиометрических и спектрометрических 

измерений». ГР № 01.200.2.05.046.

2. 
«Исследование 
научно-методических 
основ 
и 
разработка 

информационно-образовательной среды по радиоэкологии». ГР № 01.200.1 

12836.

В диссертации представлены также результаты работ, выполненных в 

рамках гранта РФФИ: «Исследование процессов переноса и миграции 

радионуклидов в объектах экосферы и на границах их раздела». РФФИ, 

проект 05-08-01201-а.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в 

рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические 

кадры инновационной России» (соглашение №14.А18.21.0633).

Цель работы. Исследовать процессы поступления космогенного 

радионуклида 7Ве, естественных радионуклидов семейств 238U, 232Th и 40К, 

искусственного 
137Cs от природных, урбанизированных и техногенных 

источников в приземный слой атмосферы и процессы переноса этих 

радионуклидов в этом слое в условиях крупного промышленного центра (на 

примере г. Ростова-на-Дону).

Для достижения поставленной цели решались следующие научные 

задачи:

1.
Установление 
временных 
вариаций 
объемных 
активностей 

радионуклидов 7Be, 40K, 137Cs, 234Th, 226Ra, 210Pb, 232Th, 224Ra в атмосферных 

аэрозолях и плотности их выпадений на земную поверхность (для условий 

г.Ростова-на-Дону).

2.
Установление корреляционной связи объемной активности 7Be и 

137Cs в атмосферных аэрозолях с числами Вольфа (7Be) и основными 

метеопараметрами (7Be, 137Cs), как радионуклидов-реперов для изучения 

процессов переноса всех иных радионуклидов.

3.
Определение 
временной 
(сезонной) 
зависимости 
объемных 

активностей радионуклидов 7Be, 137Cs, ЕРН в атмосферных аэрозолях и 

плотности их выпадений на земную поверхность.

4.
Установление связи объемных активностей
137Cs
и ЕРН в 

атмосферных аэрозолях с содержанием их в почвах и придорожной пыли, в 

том числе в ее фракциях.

5.
Оценка уровней и временной зависимости техногенных выбросов 

ЕРН в приземный слой атмосферы города.

6.
Оценка уровней и временной зависимости ветрового подъема ЕРН в 

приземном слое атмосферы города, а также ветрового подъема 137Cs в 

различных зонах городской территории и территории пригорода.

Научная новизна работы.

1.
Впервые на современном уровне осуществлен многолетний цикл 

мониторинга радиоактивности приземного слоя атмосферы крупного 

промышленного центра на основе систематического контроля гамма
излучающих радионуклидов в атмосферных аэрозолях и в выпадениях на 

земную поверхность.

2.
Впервые для особых физико-географических и климатических 

условий г. Ростова-на-Дону установлены корреляции объемной активности 

7Be
с солнечной активностью (числами Вольфа) и с основными 

метеорологическими характеристиками.

3.
Предложены новые способы изучения механизмов поступления и 

переноса радионуклидов в приземную атмосферу с использованием в 

качестве радионуклидов-реперов 7Be, 40K и 137Cs.

4.
Впервые 
для 
климатических 
условий 
г. 
Ростова-на-Дону 

установлены особенности временных (сезонных) вариаций объемных 

активностей 7Be, 137Cs и ЕРН в атмосферных аэрозолях и в плотности 

выпадений на земную поверхность.

5.
Впервые для условий города и его пригородов определены 

особенности ветрового подъема 
137Cs
и ЕРН в различных зонах 

(сельскохозяйственных земель, земной зоны и зоны автодорог).

6.
Впервые оценены техногенные выбросы ЕРН в приземную 

атмосферу крупного промышленного центра, связанные со сжиганием 

органического топлива в зимний период в системах отопления и в остальное 

время года на предприятиях с непрерывным технологическим циклом и на 

автотранспорте.

Практическая значимость работы. Полученные в диссертации 

результаты могут быть использованы:


при организации мониторинга радиоактивности приземного слоя 

атмосферы (по гамма-излучающим ИРН и ЕРН);


для изучения приземного слоя атмосферы крупных населенных 

пунктов и промышленных объектов с использованием радионуклидов
реперов 7Be, 40К и 137Cs;


при оценке доз хронического облучения населения г. Ростова-на
Дону и доз облучения в случае чрезвычайной ситуации;


для прогнозных оценок состояния радиоактивности приземного 

слоя атмосферы г. Ростова-на-Дону на основе имеющихся многолетних 

данных о вариациях содержания радионуклидов;


для 
принятия 
решений 
о 
необходимости 
регулирования 

техногенных выбросов;


в учебно-научной работе при подготовке кадров различного уровня 

по дисциплинам физического, биологического, медицинского профилям или 

дисциплинам в области наук о Земле.

Положения работы, выносимые на защиту.

1.
В сезонном ходе объемной активности 7Be, 40K, 234Th, 226Ra, 210Pb, 

232Th, 224Ra в атмосферных аэрозолях и плотности их выпадений на земную 

поверхность для умеренных широт и условий антропогенно-измененного

ландшафта имеет место наличие весенне-летних максимумов объемной 

активности в сезонном поведении 7Be, 40K, 234Th, 226Ra, 232Th, 224Ra и 

максимум в зимний период для 210Pb.

2.
Составляющая ветрового подъема в объемных активностях ЕРН, 

полученная нормированием их содержаний на 7Ве и 137Cs, имеет фоновую 

компоненту в течение всего года и максимумы в период август-сентябрь, 

связанные с отмиранием растительной массы и оголением почвенного 

покрова (усилением сальтации вплоть до пыльных бурь).

3.
Техногенная 
составляющая 
в 
объемных 
активностях 
ЕРН, 

полученная нормированием их содержаний на 7Ве и 137Cs, имеет фоновую 

компоненту в течение всего года от предприятий с непрерывным 

технологическим циклом и автотранспорта и максимум в зимние месяцы (в 

ноябре-феврале) от предприятий, сжигающих органическое топливо в целях 

отопления. Наибольший вклад в радиоактивность атмосферы дают 

техногенные выбросы 210Pb. Техногенные выбросы ЕРН с 2002 по 2011 гг. 

ежегодно возрастают.

Апробация 
работы.
Материалы 
диссертации 
докладывались 
и 

обсуждались на XI Всероссийской научной конференции студентов-физиков 

и молодых ученых (Екатеринбург, 2005), V Международном семинаре в 

школе молодых ученых и специалистов «Физика окружающей среды» 

(Томск, 2006), XII Всероссийской научной конференции студентов-физиков 

и 
молодых 
ученых 
(Новосибирск, 
2006), 
IV
научно-практической 

конференции с международным участием «Экологические проблемы. Взгляд 

в будущее» (СОЛ «Лиманчик», 2007), XIII
Всероссийской научной 

конференции студентов-физиков и молодых ученых (Ростов-на-Дону 
Таганрог, 2007),V Международной научно-практической конференции по 

высоким технологиям и фундаментальным исследованиям (Санкт-Петербург, 

2008), XIV Всероссийской научной конференции студентов-физиков и 

молодых ученых (Уфа, 2008), V научно-практической конференции с 

международным участием «Экологические проблемы. Взгляд в будущее» 

(СОЛ 
«Лиманчик», 
2008), 
Всероссийской 
дистанционной 
научно
практической конференции «Актуальные проблемы современной физики» 

(Краснодар, 2008),  XV Всероссийской научной конференции студентов
физиков и молодых ученых (Кемерово-Томск, 2009), XIV международной

экологической студенческой конференции «Экология России и сопредельных 

территорий» (Новосибирск, 2009), Всероссийской научной конференции

«Природные минеральные сорбенты Юга России и перспективы их 

использования» (Ростов-на-Дону, 2009), Х Международном семинаре по 

магнитному резонансу (Ростов-на-Дону, 2010), XVI Всероссийской научной 

конференции студентов-физиков и молодых ученых (Волгоград, 2010), 

Всероссийской 
конференции 
«11-я 
Баксанская 
молодежная 
школа 

экспериментальной и теоретической физики» (Кабардино-Балкария, 2010), 

XV 
Международной 
экологической 
студенческой 
конференции

(Новосибирск, 2010), X Международной научно-практической конференции 

«Исследование, 
разработка 
и 
применение 
высоких 
технологий 
в 

промышленности»
(Санкт-Петербург, 2010), I
международной научно
практической 
конференции 
«Экологические 
проблемы 
природных и 

антропогенных территорий» (Чебоксары, 2011), XVII
Всероссийской 

научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Екатеринбург, 

2011), IV Международной научно-практической конференции «Актуальные 

проблемы биологии, нанотехнологий и медицины» (Ростов-на-Дону, 2011), II 

Ростовском
молодежного научно-практическом
форуме
«Молодежная 

инициатива - 2011» (Ростов-на-Дону, 2011), XVIII Всероссийской научной 

конференции студентов-физиков и молодых ученых (Красноярск, 2012), 

Молодежной конференции «Миссия молодежи в науке» (Ростов-на-Дону, 

2012).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 56 работ, 1 

учебник для ВУЗов и 9 статей в рецензируемых журналах, рекомендованных 

ВАК 
Минобрнауки 
России 
для 
публикации 
результатов 
научных 

исследований.

Личный вклад автора. Автором был разработан и применен новый 

подход 
к 
исследованию 
источников 
поступления 
радионуклидов
в

приземную атмосферу промышленных городов. Выбирая в качестве трассера 

вертикального перемещения радионуклидов в приземной атмосфере 7Ве, 

трассерами 
горизонтального 
перемещения 
(ветрового 
подъема) 
40К 

(растительная компонента) и 137Cs (почвенная компонента) и используя 

полученные (в том числе и самим автором) многолетние данные содержаний 

радионуклидов в атмосфере, автор построил модель, описывающую сезонное 

поведение радионуклида 7Ве в атмосфере только с учетом изменения 

метеопараметров из года в год, а также оценил вклады ветрового подъема и 

техногенных выбросов в объемную активность ЕРН в приземной атмосфере. 

По особой методике автором были оценены поступления радионуклида 137Cs

в атмосферу города и пригородов от различных зон. Во всей работе автор 

принимал самое активное участие, как в постановке, так и в решении задач.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, 

выводов, списка литературы, содержит 151 страницу печатного текста, в том 

числе 23 рисунка, 29 таблиц и список литературы, включающий 164

наименования.

ГЛАВА I. РАДИОЭКОЛОГИЯ АТМОСФЕРЫ КРУПНОГО 

ПРОМЫШЛЕННОГО ЦЕНТРА

1.1.
Системы радиоэкологического контроля

Радиоактивное загрязнение окружающей среды в значительной степени 

определяется процессами атмосферного переноса от их источников, причем 

они самые динамичные и могут иметь даже глобальный масштаб (в отличие 

от иных процессов переноса). Из атмосферы радиоактивное загрязнение 

переносится на земную поверхность (в почву, растительность) и в водные 

экосистемы (воду, биоту, донные отложения) путем сухого осаждения и 

вымывания осадками радиоактивных аэрозолей.

В некоторых случаях такое радиоактивное загрязнение территории 

воздушным путем может представлять радиационную опасность для 

населения – во всех случаях, когда дозы облучения человека превышают 

уровни, установленные в действующих нормах радиационной безопасности. 

При этом должны учитываться не только радиоактивные загрязнения 

воздуха, но и почвы, и растительности (дозы внешнего и внутреннего 

облучения). 
Кроме 
хронического 
облучения 
от 
многих 
постоянно 

действующих источников (интенсивность которых может изменяться во 

времени) особо следует учитывать возможность повышенного облучения в 

случае аварийного загрязнения воздуха при возможных испытаниях ядерного 

оружия, при инцидентах и авариях на предприятиях ЯТЦ (в том числе на 

АЭС), радиационных авариях и т.д.

Поэтому 
следует 
считать 
необходимым 
непрерывный 
контроль 

(мониторинг) радиоактивности атмосферного воздуха, который может 

оперативно реагировать на любое изменение содержания различных 

естественных и искусственных радионуклидов в атмосфере в населенных 

пунктов, особенно в крупных промышленных центрах.