Радиоактивное загрязнение

Радиоактивное загрязнение представляет особую опасность для человека и всей биосферы. Явление радиоактивности связано с самопроизвольным распадом атомных ядер, приводящим к изменению их атомного номера или массового числа и сопровождающимся альфа-, бета- и гамма-излучениями. Альфа-излучение – поток тяжелых частиц, состоящий из протонов и нейтронов, который задерживается листом бумаги и не способен проникнуть сквозь кожу человека. Однако он становится чрезвычайно опасным, если попадает внутрь организма, где вызывает процессы ионизации и распада. Бета-излучение обладает более высокой проникающей способностью и проходит в ткани человека на 1–2 см. Гамма-излучение может задерживаться лишь толстой свинцовой или бетонной плитой.

Процесс самопроизвольного распада нестабильного атома называется радиоактивным распадом, а сам нестабильный атом – радионуклидом. Время, за которое распадается в среднем половина всех радионуклидов данного типа, принято считать периодом полураспада соответствующего нуклида, а число распадов в секунду в радиоактивном образце – его активностью. Единицей измерения активности в системе СИ является 1 беккерель (Бк, Bq), который равен одному распаду в секунду. Количество энергии излучения, переданной тканям организма, называется дозой, а количество такой энергии, поглощенной единицей массы облучаемого тела, – поглощенной дозой, измеряемой по системе СИ в греях (Гр, Gy) (1 Гр = 1 Дж/кг). Однако при одной и той же поглощенной дозе альфа-излучение гораздо опаснее бета- и гамма-излучений (в 20 раз). Пересчитанная с учетом этой кратности доза альфа-излучения считается эквивалентной дозой. Ее единицей в системе СИ является зиверт (Зв, Sv).

Кроме того, широко распространены внесистемные единицы: кюри (Ки, Cu) – единица активности изотопа (1 Ки = 3,7×1010 Бк), рад (рад, rad) – единица поглощенной дозы облучения (1 рад = 0,01 Гр), бэр (бэр, rem) – единица эквивалентной дозы (1 бэр = 0,01 Зв).

Радионуклиды подразделяются на естественные (образовавшиеся на начальном этапе эволюции Земли и при последующих геологических процессах) и искусственные (полученные человеком в атомных реакторах и других энергетических установках). Основную часть облучения (более 80 % годовой эффективной эквивалентной дозы) население земного шара получает от естественных источников радиации. Среди естественных радионуклидов выделены четыре группы: долгоживущие (уран-238, уран-235 (актиноуран), торий-232); короткоживущие (радий, радон и другие радиоактивные элементы) – дочерние продукты распада урана, актиноурана и тория; долгоживущие одиночные радиоактивные изотопы, не образующие семейств (калий-40); радионуклиды, возникающие в атмосфере, гидросфере и земной коре в результате взаимодействия космических частиц с атомными ядрами вещества Земли (углерод-14 и др.).

Уровни земной радиации неодинаковы в разных районах и зависят от концентрации радионуклидов вблизи поверхности. Аномальные радиационные поля природного происхождения образуются при обогащении ураном, торием, некоторых типов гранитов и других магматических образований с повышенным коэффициентом эманирования; на месторождениях радиоактивных элементов в различных породах; при современном привносе урана, радия, радона в подземные и поверхностные воды, геологическую среду. Высокой радиоактивностью часто характеризуются угли, фосфориты, горючие сланцы, некоторые глины и пески, в том числе пляжные.

Зоны повышенной радиоактивности распределены на территории России неравномерно. Они известны как в европейской части, так и в Зауралье, на Полярном Урале, в Западной Сибири, Прибайкалье, на Дальнем Востоке, Камчатке, северо-востоке России. В большинстве комплексных пород, геохимически ориентированных на радиоактивные элементы, значительная часть урана находится в подвижном состоянии, легко извлекается и попадает в поверхностные, подземные воды, а затем в пищевую цепь. Именно природные источники ионизирующего излучения в зонах аномальной радиоактивности вносят основной вклад (до 70 %) в суммарную дозу облучения населения, равную 420 мбэр/год. При этом данные источники могут создавать высокие уровни радиации, влияющие в течение длительного времени на жизнедеятельность человека и вызывающие различные заболевания вплоть до генетических изменений в организме.

Среди естественных радионуклидов наибольшее радиационно-генетическое значение имеют радон и его дочерние продукты распада (радий и др.). Их вклад в суммарную дозу облучения на душу населения составляет более 50 %. Радоновая проблема в настоящее время считается приоритетной в развитых странах, в которых ей уделяется повышенное внимание. Опасность радона (период полураспада 3,823 суток) заключается в его широком распространении, высокой проникающей способности и миграционной подвижности, распаде с образованием радия и других высокорадиоактивных продуктов. Радон не имеет цвета, запаха и считается невидимым врагом, угрозой для миллионов жителей Западной Европы, Северной Америки.

Образующиеся при распаде радона радиоактивные продукты в виде мельчайших твердых частиц легко проникают в органы дыхания и осаждаются в них, испуская альфа-лучи. По сообщениям печати, около 8 млн домов в США (10 % всего количества) наполнены радоном свыше принятых норм. В плохо проветриваемых помещениях радон накапливается, что усугубляет ситуацию. Отмечаются случаи наличия радона в водопроводной воде, используемой для питьевых нужд. Радон, радий и уран в количествах, часто превышающих ПДК для питьевой воды, обнаружены во всех штатах США.

В России радоновой проблеме начали уделять внимание лишь в последние годы. Территория нашей страны в отношении радона слабо изучена. Полученная в предыдущие десятилетия информация позволяет утверждать, что и в Российской Федерации радон широко распространен как в приземном слое атмосферы, подпочвенном воздухе, так и в подземных водах, включая источники питьевого водоснабжения.

Ядерная энергетика (при условии строжайшего выполнения необходимых требований) экологически чище, нежели теплоэнергетика, поскольку исключает вредные выбросы в атмосферу (золы, диоксидов углерода, серы, оксидов азота и пр.). Это обстоятельство объясняет строительство и эксплуатацию атомных электрических станций (АЭС), при нормальной работе которых выбросы радионуклидов в окружающую среду незначительны.

Согласно базе данных МАГАТЭ по энергетическим реакторам, на начало 2011 г. в мире эксплуатировались 442 ядерных энергоблока общей мощностью 375 001 МВт (примерно 20 % мирового производства электроэнергии). Самые сдержанные прогнозы говорят о том, что в перспективе 2030 г. на планете будет эксплуатироваться до 500 энергоблоков.

Ежегодно атомные станции в Европе позволяют избежать эмиссии 700 млн т СО2, а в Японии – 270 млн т СO2. Действующие АЭС России ежегодно предотвращают выброс в атмосферу 210 млн т углекислого газа. По этому показателю наша страна находится на четвертом месте в мире.

Тем не менее, любая АЭС независимо от уровня ее защиты представляет собой потенциально опасный объект. В зависимости от места аварии на АЭС и ее масштаба возможно загрязнение среды такими радионуклидами, как стронций-90, цезий-137, церий-141, йод-131, рутений-106 и др. Отсюда высокие требования к обеспечению надежности атомных реакторов, а также к соблюдению жестких правил их эксплуатации, гарантирующих безаварийную работу.

Авария на Чернобыльской атомной электростанции, расположенной на территории Украинской ССР (ныне Украина), произошла 26 апреля 1986 г. в результате разрушения четвертого энергоблока. Разрушение носило взрывной характер, реактор был полностью разрушен, и в окружающую среду было выброшено большое количество радиоактивных веществ. В отличие от бомбардировок Хиросимы и Нагасаки, взрыв напоминал очень мощную «грязную бомбу» – основным поражающим фактором стало радиоактивное заражение.

Авария расценивается как крупнейшая за всю историю атомной энергетики, как по предполагаемому количеству погибших и пострадавших от ее последствий людей, так и по экономическому ущербу. 31 человек погиб в течение первых трех месяцев после аварии. Наибольшие дозы получили примерно 1000 человек, находившиеся рядом с реактором в момент взрыва и принимавшие участие в аварийных работах в первые дни после него. Эти дозы варьировали от 2 до 20 грэй (Гр) и в ряде случаев оказались смертельными. Более 115 тыс. человек из тридцатикилометровой зоны были эвакуированы. Для ликвидации последствий были мобилизованы значительные ресурсы, в ликвидации последствий аварии участвовали более 600 тыс. человек.

В результате аварии в атмосферу было выброшено, по разным данным, от 190 до 765 т радиоактивных веществ, с суммарной активностью не менее 50 млн кюри. Суммарный выброс радиоактивных продуктов в атмосферу в радиусе 300–400 км от станции составил 77 кг. Для сравнения – при взрыве атомной бомбы над Хиросимой количество радионуклидов не превысило 740 г. Люди в Чернобыле подверглись облучению в 100 раз большему, чем при падении бомбы на Хиросиму.

В состав радиоактивных осадков вошло около 30 радионуклидов с периодом полураспада от 11 (криптон-85) до 24 100 (плутоний-239) часов.

Облако, образовавшееся от горящего реактора, разнесло различные радиоактивные материалы, и прежде всего радионуклиды йода и цезия, по большей части территории Европы. Наибольшие выпадения отмечались на значительных территориях в Советском Союзе, расположенных вблизи реактора и относящихся теперь к территориям Белоруссии, Российской Федерации и Украины.

Загрязнению подверглось более 200 тыс. км², примерно 70 % – на территории Белоруссии, России и Украины. Чернобыльским выбросом в различной степени загрязнены 80 % территории Белоруссии, северная часть Правобережной Украины и 17 областей Российской Федерации.

Радиоактивные вещества распространялись в виде аэрозолей, которые постепенно осаждались на поверхность земли. Загрязнение было очень неравномерным, оно зависело от направления ветра в первые дни после аварии. Наиболее сильно пострадали области, в которых в это время прошел дождь. Большая часть стронция и плутония выпала в пределах 100 км от станции, так как они содержались в основном в более крупных частицах. Иод и цезий распространились на более широкую территорию. Загрязнение не ограничилось тридцатикилометровой зоной. Было отмечено повышенное содержание цезия-137 в лишайнике и мясе оленей в арктических областях России, Норвегии, Финляндии и Швеции.

Из-за аварии на ЧАЭС пять миллионов гектаров земли стали непригодны для сельского хозяйства, тридцатикилометровая зона вокруг АЭС стала зоной отчуждения, были уничтожены более 100 поселков.

Другая крупная авария, к счастью, не сравнимая по тяжести последствий с чернобыльской, произошла на японской атомной станции «Фукуси-ма-1». В результате землетрясения в Японии 11 марта 2011 г. из строя вышли системы охлаждения на двух АЭС Японии. Наибольший ущерб был нанесен станции «Фукусима-1», на четырех энергоблоках которой произошла серия взрывов и пожаров. Авария привела к крупной утечке радиации. Чрезвычайное происшествие получило максимальную оценку опасности по международной шкале INES. Население, проживающее в радиусе 20 км от АЭС «Фукусима-1» и «Фукусима-2», было эвакуировано. Восстановительные работы продолжались несколько месяцев. В августе компания-оператор АЭС приступила к строительству защитного купола над наиболее поврежденным реактором станции. В конце 2011 г. правительство Японии объявило о холодной остановке аварийных реакторов. Японское правительство оценило общее количество радиоактивности в атмосфере после аварии, составляющее примерно одну десятую количества, которое было выпущено на Чернобыльской АЭС.

Антропогенными источниками радиоактивных загрязнений среды являются радиоактивные аэрозоли, вносимые в атмосферу ядерными взрывами или предприятиями атомной промышленности, а также радиоактивные отходы, сбрасываемые в гидросферу или литосферу. Прежде всего, к ним относятся радиоактивные отходы предприятий по добыче и обогащению урановой или ториевой руды, переработке ядерного горючего, получению металлов из ртутных концентратов, изготовлению тепловыделяющих элементов, регенерации ядерного горючего, а также при многих вспомогательных, ремонтных и дезактивационных работах.

Радиоактивное загрязнение биосферы при переработке ядерного горючего связано с наличием большого числа обстоятельств, возникающих вследствие отклонения от заданного технологического режима и сопровождающихся аварийными выбросами в окружающую среду радионуклидов.

В коммунальных условиях внешнее облучение может практически полностью определяться радиоактивностью строительных материалов. К таким материалам относятся некоторые разновидности гранитов, пемзы, а также бетона, при производстве которого использовались глинозем, фосфогипс и кальций-силикатный шлак, обладающие довольно высокой удельной радиоактивностью. Отмечались случаи, когда в бетон попадали высокорадиоактивные вещества. В закрытых и непроветриваемых помещениях продукты распада урана и тория (в том числе радон) накапливаются и создают высокие уровни радиации.

Уран и другие радионуклиды могут в значительных количествах выбрасываться в атмосферу при работе ТЭЦ, котельных, автотранспорта. Это связано с тем, что угли и нефти иногда характеризуются повышенной ураноносностью. Площадь такого радиоактивного загрязнения может быть обширной.

В настоящее время радиационная обстановка в России определяется глобальным радиоактивным фоном, наличием загрязненных территорий, образовавшихся вследствие чернобыльской (1986) и кыштымской (1957) аварий, эксплуатацией урановых месторождений, предприятий ядерного топливного цикла, судовых ядерно-энергетических установок, региональных хранилищ радиоактивных отходов, а также аномальными зонами ионизирующих излучений, связанных с природными источниками радионуклидов.

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ

Биологическое загрязнение может быть случайным или вызванным деятельностью человека. Оно проявляется через проникновение в эксплуатируемые экосистемы и технологические устройства чуждых данной территории растений, животных и микроорганизмов (последние могут вообще быть чуждыми природным условиям, в которых обитает человек). Особенно сильно загрязняют среду предприятия, производящие антибиотики, ферменты, вакцины, сыворотки, кормовой белок, биоконцентраты и другие предприятия промышленного биосинтеза, в выбросах которых присутствуют живые микроорганизмы. К биологическому загрязнению следует также отнести преднамеренную интродукцию и случайную инвазию видов растений и животных с территорий, не относящихся к их естественному ареалу.

Результаты интродукции живых организмов в новую среду ведут не только к постепенному изменению распределения видов на планете, но и создают прецеденты их весьма неблагоприятного воздействия на естественные условия. Интродуцированный или инвазионный вид, не имеющий естественных врагов на новой территории (хищников, паразитов) и находящийся вне конкуренции в свободной экологической нише, обычно дает в своем развитии из поколения в поколение вспышку массовой численности. Примером инвазионного вида может быть колорадский жук. Его естественный ареал охватывает юг Северной Америки, где он питается дикими пасленовыми растениями. В 1920 г. он был обнаружен во Франции. Дальнейшее его распространение по всему миру произошло с развитием культуры картофеля. Примером неудачной интродукции может служить пятнистый олень, завезенный в числе нескольких голов специально как ценное промысловое животное в Хоперский государственный заповедник в Воронежской области. Здесь для него были подготовлены условия для беспрепятственного размножения – уничтожены волки, а аборигенный вид, благородный олень, был вывезен за пределы заповедника. В итоге через три десятка лет пятнистый олень на территории всего в 16 тыс. га размножился в числе 4 тыс. голов. При этом олени стали сильно уничтожать подрост деревьев (питаются молодыми ветками и порослью). Сами же олени были поражены на 100 % паразитическими червями. Поголовье пятнистого оленя стало приходить в упадок, а экосистема заповедника оказалась сильно нарушенной. В начале XXI в. вся популяция интродуцированного вида в Хоперском заповеднике была ликвидирована.

Из трех сфер обитания жизни на Земле – воздуха, воды и почвы – наиболее подвержена биологическому загрязнению гидросфера. Биогенное загрязнение воды вызывает усиленное развитие фитопланктона, приводящее к тому, что вода начинает «цвести». Под «цветением» воды понимают интенсивное развитие синезеленых водорослей. В период «цветения» концентрация водорослей достигает величины 1–5 млн клеток в 1 мл, или 1000– 5000 млрд в 1 м3 воды, которая приобретает вид зеленого бульона.

При этом в воде образуются токсичные вещества, качество воды ухудшается, появляются посторонние неприятные запахи. Купание в такой воде недопустимо из-за развития аллергической реакции на нее. В периоды отмирания большой массы микро- или макрорастительности происходит еще более резкое ухудшение качества воды, снижается содержание раствореного кислорода, появляются неприятные запахи. Это явление (изменение качества воды в результате нарушения естественного хода биологических процессов) получило название вторичного (биологического) загрязнения. Наглядным примером сильного биологического загрязнения искусственного водоема является современное состояние Воронежского водохранилища.

Под влиянием эвтрофирования и загрязнения водоемов значительно изменяются их биологические показатели, увеличивается видовое разнообразие, повышается численность и биомасса бактерий и грибов. Видовой состав водорослей и высших водных растений при росте их численности и биомассы уменьшается. В клетках гидробионтов накапливаются металлы, нефтепродукты и другие опасные соединения. Фауна водоемов изменяется качественно и количественно, многие виды беспозвоночных и позвоночных животных вымирают. Сокращается численность и биомасса рыбы, в том числе ценной; ухудшается санитарно-эпидемиологическая ситуация при усиленном размножении паразитирующих организмов, патогенной микрофлоры вирусов. Усиливаются заболевания гидробионтов, птиц, водных животных.

К основным причинам «цветения» воды относятся резкое сокращение скорости течения воды, перемешивания и, как следствие, образование застойных зон. На интенсивность развития водорослей большое влияние оказывает температура воды. Перенасыщение водоемов питательными веществами (азотом, фосфором, органическими соединениями) представляет собой третью причину интенсификации роста водорослей (Большаков, 2005). Источниками биогенных элементов являются удобрения, вносимые в почву, воды канализации, поступления из затопленных почв, наконец, многолетние донные отложения. Синезеленые водоросли чрезвычайно стойки, на любую экологическую катастрофу они откликаются первыми, изменяя характер своего развития и приспосабливаясь к новым условиям. Комплекс всех этих причин и вызывает «цветение» воды. Возникнув в силу сложившихся в водоеме условий, этот процесс повторяется из года в год с разной интенсивностью и в разных масштабах.

Ухудшение основных химических показателей воды при ее «цветении» связано с прижизненным ростом водорослей и разложением образованного ими органического вещества. В воде, подверженной интенсивному «цветению», обнаружено и идентифицировано порядка 200 разнообразных химических соединений, в том числе представляющих опасность для человека (токсины, канцерогенные вещества, аллергены). В скоплениях водорослей в результате возникающих там процессов накапливаются ацетон, масляная и уксусная кислоты, бутиловый спирт. В воде появляются фенолы (причем их концентрация может в 10 раз превышать допустимую санитарную норму), индолсодержащие компоненты, меркаптаны, амины, а рН воды снижается до 4–5 и ниже. Под влиянием поверхностной пленки водорослей усиливается нагрев воды (на 6–8°С выше нормы), что повышает испарение и способствует переходу летучих водорослевых метаболитов в воздух, вызывая его загрязнение.

Вследствие большой концентрации органических соединений создается неблагоприятная санитарно-эпидемиологическая обстановка, поскольку они служат питательной средой для развития и сохранения патогенной микрофлоры. В результате вода из полноценного и доброкачественного природного продукта превращается в опасную для всего живого жидкость. Особо серьезные последствия возникают там, где к биологическому загрязнению добавляются химическое и тепловое.