Исследование источников поступления и процессов переноса радионуклидов в приземной атмосфере промышленных городов

Стасов, Виталий Викторович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Исследование источников поступления и процессов переноса радионуклидов в приземной атмосфере промышленных городов
ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Исследование источников поступления и процессов переноса радионуклидов в приземной атмосфере промышленных городов"

005062109

НА ПРАВАХ РУКОПИСИ

СТАСОВ ВИТАЛИИ 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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических паук

г о к:сн ш

Нальчик 2013

005062109

Работа выполнена в Отдельной лаборатории ядерной физики Научно исследовательского института физики при Южном федеральном университете.

доктор физико-математических наук Давыдов Михаил Гаврилович

кандидат химических наук Бураева Елена Анатольевна

доктор физико-математических наук, зав. лаб. микрофизики облаков ФГБУ «ВГИ», г. Нальчик Хучунаев Бузигит Муссаевич

доктор физико-математических наук, зав. отделом математического моделирования Южного математического института Владикавказского научного центра РАН и PCO (Алания), г. Владикавказ

Каменецкий Евгений Самойлович

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М.Бербекова», г. Нальчик

Защита состоится «12» июля 2013 г. в 15 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 327.001.01 при ФГБУ «Высокогорный геофизический институт» Росгидромета по адресу: 360030, КБР, г. Нальчик, проспект Ленина, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Высокогорного геофизического института по адресу: 360030, КБР, г. Нальчик, пр. Ленина, 2.

Автореферат разослан «7» июня 2013 г.

Научный руководитель:

Научный консультант: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Ученый секретарь диссертационного совета, к.г.н., доцент

Н.В. Кондратьева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 также 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 интереса для большинства указанных служб.

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 222Яп с его дочерними продуктами распада (ДПР)); 2) процессы образования в атмосфере и на земной поверхности с переносом воздушными массами в горизонтальном направлен™ (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, особенностей климата и метеорологических условий.

Изучение радиоактивности атмосферы города имеет и практический интерес в связи с проблемами радиационной безопасности населения, так как оно 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 и переноса космогенного радионуклида 7Ве, естественных радионуклидов семейств 238и, ТЬ и искусственного Се от природных, урбанизированных и

техногенных источников в приземный слой атмосферы 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 7Ве, 40К, шСз, 2341Ъ, 22бЯа, 210РЬ, 232ТЬ, 224Ка в атмосферных аэрозолях и плотности их выпадений на земную поверхность (для условий

г. Ростова-на-Дону).

2. Установление корреляционной связи объемной активности

7Ве и

П7С5 в атмосферных аэрозолях с числами Вольфа (7Ве) и основными метеопараметрами (7Ве, 137Сз), как радионуклидов-реперов для изучения процессов переноса всех иных радионуклидов.

3. Определение временной (сезонной) зависимости объемных активностей радионуклидов

7Ве, '"Се, ЕРН в атмосферных аэрозолях и плотности их выпадений на земную поверхность.

4. Установление связи объемных активностей 137Сб 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 137Сз 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

Ве 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 7Ве, 4 ii и l37Cs.

4. Впервые для климатических условий г. Ростова-на-Дону установлены особенности временных (сезонных) вариаций объемных активностей 7Ве, ,37Cs и EPH в атмосферных аэрозолях и в плотности выпадений на земную поверхность.

5. Впервые для условий города и его пригородов определены особенности ветрового подъема l37Cs и EPH в различных зонах (сельскохозяйственных земель, земной зоны и зоны автодорог).

6. Впервые оценены техногенные выбросы EPH 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 EPH);

— для изучения приземного слоя атмосферы крупных населенных пунктов и промышленных объектов с использованием радионуклидов-реперов 7Ве, 4ÖK и ,37Cs;

— 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. Получены и обработаны данные еженедельного контроля содержании радионуклидов 7Ве, 238Ц ""ТЪ, И2ТЬ, 226Яа, 224Яа, 210РЬ, 40К и '"Се и ежемесячные данные по плотности выпадений их на земную поверхность за период 2002-2011 гт.

2. Выявлен и охарактеризован сезонный ход объемной активности радионуклидов 7Ве, ^К, 234ТЬ, 226Ка, 211)РЬ, тТЬ, 224Яа в атмосферных аэрозолях.

3. Выявлены факторы, влияющие на составляющую ветрового подъема в объемных активностях ЕРН, полученные нормированием их содержаний на 7Ве и 137Сз.

4. Установлена техногенная составляющая в объемных активностях ЕРИ, полученная нормированием их содержаний на 7Ве и 137Сэ.

5. Разработана методика расчета ветрового подъема шСз с земной поверхности с почвенной и растительной пылью, в том числе и с поверхности сельскохозяйственных угодий, зеленой зоны и зоны автодорог.

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-Допу -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), X 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 молодежном 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. Основные положения диссертации опубликованы в 56 работах, включающих 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, в качестве трассеров горизонтального перемещения (ветрового подъема) 40К (растительная компонента) и 137Сз (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 вклад ветрового подъема и техногенных выбросов в объемную активность ЕРН в приземной атмосфере. По особой методике автором были оценены поступления радионуклида 137Сз 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, четырех глав, выводов, списка литературы, содержит 151 страницу печатного текста, в том числе 23 рисунка, 29 таблиц и список литературы, включающий 164 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении рассматриваются актуальность темы, сформулированы цель работы и задачи исследований, перечислены положения, выносимые на защиту, показана новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены сведения об их апробации, публикациях, объеме и структуре работы.

В первой главе (анализ литературы) рассмотрены особенности радиоэкологии атмосферы крупного промышленного центра. Описаны системы радиоэкологического контроля приземного слоя воздуха, изучены процессы образования, поступления и переноса радиоактивных элементов в приземную атмосферу промышленного города. Приведены данные по

физико-географическим, климатическим и экологическим особенностям г. Ростова-на-Дону.

Во второй главе (методической) описаны использованные (общепринятые и в значительной мере стандартизированные) методики пробоотбора и пробоподготовки атмосферных аэрозолей и осадков, почво-грунтов. Дано описание общих характеристик использованного в качестве основного метода определения активностей радионуклидов инструментального гамма-спектрометрического метода. Обсуждаются особенности определения некоторых из радионуклидов, в том числе способы учета возможных систематических погрешностей. Отдельно описана аппаратура и методы определения содержания ЕРН и ИРН, а также ЭРОА радона в приземном слое воздуха в стационарных условиях (на аспирационной станции) и в полевых условиях.

Третья глава содержит результаты еженедельного контроля содержаний радионуклидов 7Ве, 2зяи, 234ТЬ, 232ТИ, ^а, 224Яа, 210РЬ, 40К и

137 „

Сб и ежемесячные данные по плотности выпадении их на земную поверхностьза период 2002-2011 гг.

Таблица 1

Коэффициенты корреляции между 7Ве и усредненные по сезонам и годам за период 2002-2011 гг.

Сезон Коэ< )фициент корреляции между 'Ве и

2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 Ср.

Зима 0,02 1,00 0,52 0,75 0,62 0,58 0,49 0,48 0,64 0,53 0,56

Весна 0,90 0,99 0,70 0,92 0,73 0,62 0,68 0,61 0,59 0,71 0,75

Лето 0,84 0,33 0,20 0,43 0,36 0,42 0,39 0,47 0,41 0,49 0,43

Осень -0,29 0,92 -0,09 0,96 0,54 0,61 0,63 0,61 0,52 0,57 0,50

Год 0,37 0,81 0,33 0,76 0,52 0,57 0,54 0,54 0,54 0,58 0,56

Особую значимость систематическому контролю 7Ве в атмосфере в г. Ростове-на-Дону придает расположение станции контроля на умеренной широте и при умеренно-континентальном климате при сравнительно малом количестве осадков.

Установлена положительная корреляция ОА 7Ве в аэрозолях с числами Вольфа при усреднении по недельным интервалам (табл. 1).

Также удалось установить тренд изменений ОА 7Ве для второй половины 23-го цикла солнечной активности — возрастание ее среднегодовых значений к концу цикла (табл. 2).

Достаточно четко фиксируется известный для различных широт и климатических условий сезонный ход 7Ве в аэрозолях, связанный с весенней перестройкой атмосферы в системе 5 — Т (табл. 2 и Рис. 1).

Средние за 10 лет ОА 7Ве в аэрозолях г. Ростова-на-Дону ~ 5,2 мБк/м (2002-2011 гг.), а для г. Москвы 4,4 мБк/м3.

ОА 7Ве усредненная по сезонам за период 2002-2011 гг.

Год ОА 'Ве, мБк/м" та х/ тш ОА среднее, мБк/м3 XV ср.

Зима Весна Лето Осень

2002 4,43 3,66 5,07 2,33 2,18 3,82 107,0

2003 2,01 3,12 5,83 4,02 2,90 3,7 84,8

2004 2,34 3,89 6,43 3,97 2,75 4,15 68,9

2005 3,32 5,72 6,41 3,38 1,93 5,27 54,0

2006 3,04 7,78 9,97 5,05 3,28 6,89 15,2

2007 3,71 6,48 8,96 4,61 2,42 5,95 9,4

2008 3,46 7,15 9,09 5,19 2,63 6,24 8,2

2009 5,35 8,20 13,63 6,04 2,55 8,30 2,8

2010 4,57 9,05 12,44 4,61 2,77 7,67 16,5

2011 4,24 9,13 11,75 4,69 2,77 7,45 41,6

2002-2011 3,65 6,42 8,96 4,39 2,61 5,86 40,8

Получены данные о плотности выпадения 7Ве на земную поверхность (табл, 3). В среднем за 10 лет плотность выпадений наибольшая в весенне-летний период, как и сезонный максимум содержания 7Ве в аэрозолях.

Рис. 1. Сезонный ход 7Ве усредненный за 10 лет, Бк/м3

Обобщенные результаты анализа связи содержаний 7Ве в аэрозолях и осадках показывают наличие обратной связи с коэффициентом -0,61-=- -0,66 (по годам).

В целом, результаты предварительного анализа содержания 7Ве в атмосферных аэрозолях и осадках позволяют выявить основные особенности

вариации этих величин и их связи с климатическими характеристиками региона.

Таблица 3

Плотность выпадений 7Ве наземную поверхность в среднем за 10 лет

Год 'Ве, плотность выпадений, мКи/км2*мес тах/тт Средняя за год плотность выпадений

Зима Весна Лето Осень

2002 0,79 1,38 0,91 1,01 1,75 1,02

2003 1,09 0,88 2,79 1,10 3,17 1,47

2004 0,56 3,31 1,56 0,65 5,91 1,52

2005 0,71 1,53 1,05 0,71 2,15 1,00

2006 0,82 1,34 2,37 0,39 6,08 1,23

2007 0,74 2,05 3,01 0,51 5,90 1,58

2008 0,51 1,05 4,75 0,22 9,31 1,63

2009 0,42 1,85 2,84 0,84 6,76 1,49

2010 0,84 1,69 1,97 0,62 3,18 1,28

2011 1,03 2,16 2,06 0,45 4,80 1,43

2002-2011 0,75 1,72 2,33 0,65 4,90 1,36

Содержание естественных радионуклидов в приземном слое определяется ветровым подъемом пыли с земной поверхности, пылью дорожной и строительной, а также техногенными естественными радионуклидами выбросов автотранспорта и промышленных предприятий.

Содержание 238И, 234Т11, 226Яа, 232ТЬ, 224Яа и 40К в аэрозолях имеет более или менее ясно выраженный сезонный ход с максимумом в весенне-летний период и минимумом в осенне-зимний период. Причем сезонный ход 232ТЪ и 40К практически одинаков.

Таблица 4

Содержание ЕРН в атмосферных аэрозолях за период 2002-2011 гг.

Год О А, Бк/м'

Т11-234 и-238 Яа-226 Яа-224 ТЬ-232 К-40

2002 6,29Е-05 1,40Е-05 6,94Е-06 4,70Е-06 6,40Е-06 2,54Е-05

2003 1,06Е-05 1.96Е-05 1Д4Е-05 4,93Е-06 6,55Е-06 7,70Е-05

2004 6,93Е-05 9,24Е-06 6,58Е-06 3,41Е-06 6,80Е-06 3,57Е-05

2005 1,ЗОЕ-04 4,00Е-06 8,89Е-06 5,73Е-06 7,07Е-06 3,97Е-05

2006 1,53Е-04 5,82Е-06 2,28Е-05 7,04Е-06 7,77Е-06 5,62Е-05

2007 1,91Е-04 1,42Е-05 2,02Е-05 8,60Е-06 7,72Е-06 3,86Е-05

2008 1,40Е-04 1,09Е-05 1,63Е-05 6,39Е-06 7,00Е-06 5,27Е-05

2009 1,42Е-04 1Д9Е-05 1,82Е-05 6,06Е-06 6,20Е-06 5.48Е-05

2010 1,46Е-04 1,22Е-05 1.34Е-05 5,92Е-06 6,76Е-06 5,32Е-05

2011 1,31Е-04 1,02Е-05 1,13Е-05 5,37Е-06 6,51Е-06 5,09Е-05

среднее 1,18Е-04 1,12Е-05 1,37Е-05 5,82Е-06 6.88Е-06 4,84Е-05

Содержание ЕРН в атмосферных осадках за период 2002-2011 гт.

Год ОА, Ku/Mec*km2

Th-234 U-238 Ra-226 Ra-224 Th-232 К-40

2002 6,51Е-04 8.02Е-04 9,48Е-05 1.21Е-05 2Д1Е-05 9,62Е-04

2003 5,58Е-04 3,73Е-04 4,45Е-05 2,46Е-05 2.70Е-05 1.74Е-04

2004 5,48Е-04 3,78Е-05 ЗД2Е-05 1,60Е-05 1.42Е-05 7,20Е-05

2005 4,75Е-04 2.45Е-05 3,88Е-05 1,63Е-05 1.68Е-05 1,07Е-04

2006 5.12Е-04 9,53Е-05 4,40Е-05 2,03Е-05 2,75Е-05 8.53Е-05

2007 4,45Е-04 6,29Е-05 4.82Е-05 8,66Е-06 1,62Е-05 8,78Е-05

2008 5,04Е-04 4,38Е-05 4,27Е-05 1.48Е-05 1.54Е-05 9,13Е-05

2009 5,18Е-04 9,96Е-05 4,61Е-05 1.52Е-05 1.59Е-05 1.84Е-04

2010 5,29Е-04 8,43Е-05 4,51Е-05 1.67Е-05 1.76Е-05 2.07Е-04

2011 5.13Е-04 9,02Е-05 4,74Е-05 1.71Е-05 1.61Е-05 1,95Е-04

среднее 5,25Е-04 1.71Е-04 4.83Е-05 1.62Е-05 1,88Е-05 2,17Е-04

Обратная зависимость среднемесячных содержаний 234ТЬ, 22йКа, 232ТЬ,

224Яа и 40К в атмосферных аэрозолях с содержанием в атмосферных осадках

обусловлена селективным вымыванием ЕРН из атмосферы осадками.

Среднемесячное содержание 210РЬ в атмосферных аэрозолях варьируется

в широких пределах: от 0,82 мБк/м3 до 5,61 мБк/м3 при среднегодовом

содержании 1,90 мБк/м3. Заметим, что эти содержания существенно выше (в

103 раз) содержании в аэрозолях (от 0,54 мкБк/м3 до 3,2 мкБк/м3) и,

следовательно, содержащийся в воздухе 22бЯа никак не может быть основным

222

источником образования в нем Ил и ТЬ. С другой стороны, коэффициенты корреляции содержания 210РЬ в аэрозолях с удельной загрязненностью атмосферы довольно низкие (2002 г. - 0,45; 2003 г. и 2004 г. - 0,17). Это может быть указанием на то, что и ветровой подъем с земной поверхности не оказывает существенного влияния в загрязнение атмосферы 2,0РЬ.

Зависимость ОА 210РЬ от количества выпавших осадков обратная. Это подтверждают и данные по плотности выпадения 2|0РЬ на земную поверхность (табл. 6).

Для более ясного понимания механизмов ветрового подъема радионуклидов в приземный слой атмосферы изучена связь радионуклидного состава фракций почвы и атмосферных аэрозолей.

Данные по содержанию ЕРН и ИРН в пробах пыли и в аэрозольной пыли (за 3 летних месяца) приведены в табл.7.

Таблица 6

Плотность выпадения 210РЬ на земную поверхность_

2ШРЬ Бк/м2 Средняя за

Год Зима Лето Осень max/min год

Весна плотность

выпадении

2002 21,45 6,50 42,74 15,87 6,5 21,64

Год 21иРЬ Бк/м2 max/min Средняя за год плотность выпадений

Зима Весна Лето Осень

2003 13,38 11,67 17,37 11,47 1,5 13,47

2004 18,09 25,15 47,52 30,13 2,6 30,22

2005 27,30 29,77 25,80 21,66 1,4 26,13

2006 41,83 60,81 50,57 32,01 1,9 46,31

2007 29,46 44,09 49,43 26,14 1,2 37,28

2008 32,07 52,32 41,26 31,19 1,6 39,21

2009 29,61 49,70 36,82 22,34 2,2 34,62

2010 22,53 46,32 44,68 29,61 1,9 35,79

2011 31,06 39,68 35,27 30,04 1,3 34,01

2002-2011 26,68 36,60 39,15 25,05 2,21 31,87

Таблица 7

Содержание ЕРН и ИРН в пробах пыли и в аэрозольной пыли_

радионуклид Придорожная пыль Аэрозольная пыль

интервал ер интервал ср

Cs-137 2,7-18,5 9,6 4,8-11,1 6,9

Pb-210 39,1-447,8 216,8 4987,9-1261,1 8728,3

Th-234 70,5-775 521,4 546,5-1456,7 980,6

U-238 8-157,4 51,6 21,9-21,9 21,9

Ra-226 6,7-82,4 24,5 40,6-158,5 82,8

Ra-224 6,6-90,8 28,4 8,5-35,2 21,3

Th-232 5,2-88,7 41,8 35,1-81,8 53,3

K-40 6,6-486,1 312,7 130,8-578,6 311,3

Наиболее схожи содержания в придорожной и аэрозольной пыли Схожи содержания и его продукта распада (Т1я=3,64 еут), а также содержания 137Сб. Это свидетельствует о том, что ветровой подъем является основным источником поступления этих радионуклидов в приземный слой атмосферы города.

Более детальная информация была получена при радионуклидном анализе фракций придорожной пыли. Содержание в аэрозольной пыли меньше его содержания в придорожной пыли во всех фракциях в 2,3-4,5 раза. Это может указывать на то, что придорожная пыль не в полной мере отвечает за формирование радионуклидного состава атмосферы за счет ветрового подъема.

Содержание 234ТЪ в аэрозолях больше за счет того, что радионуклидный анализ фракций пыли выполнялся позже (чем в аэрозолях) при Т]/2=24,1 сут.

Содержание

226Яа

в аэрозолях было больше, чем в любой из фракций. Это может указывать на существование техногенного выброса этого радионуклида. Еще большее превышение содержания в атмосфере по сравнению с пылью имеет 210РЬ (в 15-40 раз). Это следствие того, что не ветровой подъем является основным источником поступления 210РЬ в атмосферу,

а Яп, эмалирующий с земной поверхности и выбрасываемый различными предприятиями (и, следовательно, и 210РЬ как продукт его распада), а также сам выбрасываемый предприятиями.

Содержание и Сз в аэрозолях наиболее схожи с содержанием их

в самой малодисперсной фракции пыли (<0,06). Эти радионуклиды поступают в атмосферу преимущественно или даже исключительно

(как ИЪ0 с

ветровым подъемом.

Анализ результатов определения ЕРН в различных фракциях (от 1 мм до 60 мкм) придорожной пыли показал возрастание концентраций радионуклидов (в 2-4 раза) с уменьшением размера частиц (Рис. 2).

Активность,Бк/кг

ПЛа-226

□ и-238

<0.06

0,1-0,06

0,25-0,1

0,5-0,25

1-0,5 мм

Рис. 2. Зависимость радионуклидов от размера частиц.

Хорошее согласие содержания шСв в аэрозолях (2,5 Бк/кг) и придорожной пыли (2,3 Бк/кг) подтверждает тот факт, что содержание многих радионуклидов в приземной атмосфере обуславливается ветровым подъемом преимущественно мелкодисперсных фракций почво-грунтов.

Наличие хорошей и устойчивой на протяжении 10 лет корреляции содержаний некоторых радионуклидов в атмосферных аэрозолях (табл. 8) с запыленностью приземной атмосферы подтверждает определяющую роль ветрового подъема в формировании радиоактивности приземного слоя воздуха (по крайней мере, для приведенных в таблице радионуклидов).

Корреляция ЕРН и ИРН с запыленностью воздуха

Год Коэффициент корреляции

Яа-226 Яа-224 ТЬ-232 Се-137 К-40

2002 0,68 0,90 0,62 0,63 0,68

2003 0,61 0,59 0,93 0,67 0,80

2004 0,68 0,68 0,60 0,60 0,61

2005 0,64 0,63 0,64 0,65 0,61

2006 0,68 0,61 0,67 0,62 0,62

2007 0,61 0,72 0,71 0,62 0,71

2008 0,60 0,58 0,62 0,69 0,68

2009 0,62 0,68 0,59 0,63 0,79

2010 0,69 0,64 0,75 0,68 0,82

2011 0,61 0,64 0,65 0,62 0,67

2002-2011 0,64 0,67 0,68 0,64 0,70

Четвертая глава посвящена оценкам техногенных составляющих радиоактивного загрязнения атмосферы и ветрового подъема г. Ростова-на-Дону.

7Ве один из немногих радионуклидов, которые не зависят от антропогенной деятельности человека. Следовательно, его можно использовать как монитор для выявления источников поступления в атмосферу других радионуклидов.

Для того чтобы выявить зависимость 7Ве от различных факторов, была построена регрессионная модель, использующая в качестве факторов влияния на распределения объемной активности 7Ве показатели солнечной активности, метеоусловия в пункте наблюдения данного радионуклида (количество выпавших осадков, температура воздуха, скорость ветра, относительная облачность, относительная влажность воздуха, атмосферное давление в пункте наблюдения данного радионуклида) и показатели запыленности атмосферы.

На Рис. 3 видна высокая степень приближенности экспериментальных и расчетных по модели объемных активностей 7Ве. Степени влияния различных факторов, оцененные по модели, можно считать достоверными (значение коэффициента множественной корреляции составило 0,85).

Используя в качестве реперов почвенной компоненты |37Сэ и растительной компоненты 40К, был выделен вклад ветрового подъема в объемную активность

Сезонный ход содержания 7Ве в приземном слое воздуха г. Ростова-на-Дону (полного и связанного с ветровым подъемом) приведен на Рис. 4.

О.ООЕ+ОО

\Ш

.ааввВси

Ч л л л. зсюяйга^о

ю I

! 2002 | 2003 | 2004 | 2005 | 2006 I 2007 ] 2008 ! 2009 2010 |

Рис.3. Активность 7Ве экспериментальная и смоделированная за период 2002-2011 гг.

2011

Рис. 4. Сезонный ход содержания 7Ве в приземном слое воздуха г. Ростова-на-Дону за 2002-2011 гг.

Учитывая вклад ветрового подъема и влияние солнечной активности (числа Вольфа), введем поправки и получим распределение объемной активности 7Ве, которая описывает сезонное поведение радионуклида 7Ве в атмосфере с учетом изменения метеопараметров из года в год. В таком виде объемная активность 7Ве учитывает только общие для всех радионуклидов особенности вертикального перемешивания воздушных масс во всей толще атмосферы над пунктом наблюдения, а также влияние основных метеорологических факторов. Таким образом, полученное распределение является своеобразным индикатором для определения «отклонений» от распределения объемной активности любого радионуклида, который мы фиксируем в атмосфере. И, следовательно, можно выделить данные «отклонения», которые будут являться продуктами деятельности ЯТД вторичным загрязнением атмосферы (ветровой подъем) или техногенной составляющей (деятельность различных предприятий города и выбросы автотранспорта).

К настоящему времени верхние слои атмосферы практически полностью очистились от глобального загрязнения '"Сб, а его содержание в приземном слое воздуха определяется ветровым подъемом с земной поверхности загрязненной этим радионуклидом пыли. Этот процесс особенно интенсивен в сухие месяцы года, следующие за особо теплыми месяцами, и связан также с отмиранием растительного покрова. Такая временная зависимость полной объемной активности '"Сэ в атмосфере отражает чисто ветровой характер поступления этого радионуклида в приземный воздух и подтверждает правомерность использования П7Ся в качестве монитора ветрового подъема с почвенной пылью, т.е. отношение объемной активности любого радионуклида к цезию покажет более четко распределение активности без учета ветрового подъема. Данные распределения показаны на Рис. 5.

По существу указанные отношения объемных активностей Х-го радионуклида (кроме шСз) к исправленной активности 7Ве являются

отношениями типа 2Сш12Сш., т.е. содержат как техногенную составляющую, 'Ле

так и составляющую ветрового подъема. Соответственно, отношения объемных активностей Х-го радионуклида к активности 137Сб являются временным ходом исключительно техногенной составляющей Х-го радионуклида.

В распределениях ЕРН, нормированных на 7Ве, более или менее четко проявляются пики, связанные с сезонными изменениями метеопараметров: пики в марте-апреле (весенняя перестройка атмосферы), в июне-июле (максимальное выпадение осадков), а также в августе-сентябре (ветровой подъем). Относительная интенсивность этих пиков несколько различается у различных радионуклидов из-за специфической реакции каждого из них на изменение метеоусловий.

Однако самым интересным является появление во временных зависимостях зимних максимумов в интервале ноябрь-февраль. Почти у всех радионуклидов они были наиболее яркими в зимы 2005-2006 и 2008-2009 гг.;

б)

Рис. 5. Отношение распределений объемных активностей: а) 22611а, б) 40К, 21 От*» 7 137

в) ТЬ к активностям Ве и Се

а среди всех ЕРН они были более интенсивными у 210РЬ. Этот эффект значительного повышения объемной активности ЕРН зимой естественно связывать с выбросами этих радионуклидов при сжигании органического топлива в зимний период.

В распределениях ЕРН, нормированных на 137Сз, очень четко видны максимумы, имеющие место в самые холодные месяца года (с ноября по февраль-март), которые связаны с выбросами систем отопления. Зависимость площадей данных максимумов от температуры показана на Рис.6. Наблюдается следующая тенденция — при понижении температуры увеличивается площадь. Максимальными значением для всех функций являются зимы 2005-2006 и 2008-2009 года - самые холодные за весь наблюдаемый период.

Рис. 6. Зависимость площадей зимних техногенных пиков от средней

X 40гл 234гр, 232.™ 226™ 210П. \ 224т.

температуры: а) для К и Тп, б) для Тп и К.а, в) для РЬ, г) для Яа

Соотношения площадей зимних техногенных пиков (Рис. 6) относятся как 350:10:5:2:1:1 (21С1РЬ:234ТЬ:40К:226Ка:232ТЬ:224Ка). Причем наибольшую долю в техногенных выбросах объектов систем отопления в приземную атмосферу города составляет 210РЬ как сам по себе, так и в результате распада радона.

Радионуклидный состав природного газа представлен в таблице 9, из которой видно, что 2|0РЬ, ТЬ, 40К, 226Яа, 2"ТЪ, 224Яа соотносятся как 426:13:6:2:1:1. Причем данные соотношения практически схожи с соотношениями площадей зимних техногенных пиков.

Таблица 9

Содержание ЕРН в бытовом газе и в выхлопах бензина-92

Р/н Природный газ, Бк/мЗ Выхлопы бензина-92, Бк/л

ТЪ-234 1.55Е-03 5,9

ТЪ-232 1,23Е-04 0,002

Ла-226 6,86Е-04 1,82

Яа-224 1.29Е-04 0,83

РЪ-210 5,22Е-02 8,8

К-40 7,87Е-04 2,12

В распределениях ЕРН, нормированных на '"Се, для всех естественных радионуклидов характерно наличие некоторого общего фона (непрерывного во времени). Это свидетельствует о том, что выбросы этих радионуклидов происходят практически непрерывно (от предприятий с непрерывным технологическим циклом и от автотранспорта).

Подавляющий вклад в техногенную- составляющую от выбросов автотранспорта и промышленных предприятий города дает также 210РЬ. Как видно из таблицы 9, активность 210РЬ максимальна также и в выхлопах бензина.

По особой методике оценено поступление радионуклида 137Сз в атмосферу города и пригородов из различных зон. В условиях города наибольший объем его поступления дает зеленая зона ~ 0,492 мкБк/м3 км2 и значительно меньше зона автодорог ~ 0,094 мкБк/м3 км2, причем относительный вклад зеленой зоны в поступление радионуклида 137Ся в атмосферу достигает 99-100% в северном, северо-восточном и восточном секторах города.

От юго-восточных пригородов города наибольший объем поступления Сб в атмосферу дают сельскохозяйственныме земли ~ 0,976 мкБк/м3 км2, зеленая зона ~ 0,605 мкБк/м3 км2 и заметно меньше зоны автодорог ~ 0,203 мкБк/м3 км2. Это дает показатели плотности загрязнения сельскохозяйственных угодий ~ 0,55 Ки/км2 и зеленой зоны восточных пригородов ~ 0,19 Ки/км2, что не противоречит прямым определениям на отдельных участках г. Ростова-на-Дону <0,14 Ки/м2.

Установлены связи ветрового подъема 137Сз со среднемесячными значениями основных метеопараметров: силой и направлением ветра,

относительной влажностью и запыленностью атмосферы, что подтверждает сезонную зависимость содержания 137Сз в приземном воздухе (от ветрового подъема).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1.3а период 2002-2011 гг. в результате комплексного исследования процессов образования и переноса радионуклидов в приземной атмосфере крупного промышленного центра (на примере г. Ростова-на-Дону) получены данные еженедельного контроля содержаний радионуклидов 7Ве, 238и, 234ТЬ,

232-тм 226п 224г* 210г,1_ 40,г 137/-.

Тп, Яа, ка, РЬ, К и Се и ежемесячные данные по плотности выпадений их на земную поверхность. Средние объемные (за 10 лет) активности данных радионуклидов варьируют в пределах от 0,006 мБк/м3 (для 224Яа) до 5,020 мБк/м3 (для 7Ве), средние (за 10 лет) плотности выпадений - варьируют в пределах от 0,016 мКи/км2*мес (для ~4Яа) до 1,21 мКи/км2*мес (для Ве). Средние за 2008 год уровни содержания радона, торона и их ДПР составляют: 222Яп - 12,45 Бк/м , 220Кп - 0,33 Бк/м3, 214В1 -7,67 Бк/м3, 212В1 - 0,25 Бк/м3, 214РЬ - 4,07 Бк/м3, 212РЬ - 0,32 Бк/м3. По индексу загрязнения атмосферы радионуклидами оценено, что самая высокая степень радиационной опасности города связана с 222Ип и его короткоживущими продуктами распада. Отмечена особая значимость п7Сэ как потенциально опасного радионуклида в случае крупной ядерной аварии.

2. В сезонном ходе всех радионуклидов (кроме радона и его ДПР) имеет место подъем содержания в аэрозолях в весенний период, связанный с перестройкой атмосферы, летнее повышение и зимнее понижение. Часто более или менее локальный максимум в апреле (весенняя перестройка атмосферы) и локальный минимум в июне (вымывание аэрозолей в период максимума количеством осадков). Особо часто это проявляется для 232ТЪ и его продукта распада 22411а, а также для 40К. 22211п и его ДПР (210РЬ) не имеют ярко выраженного сезонного хода, причем особую роль играет осенне-зимний максимум техногенного происхождения. Для всех радионуклидов установлены корреляции их содержаний в аэрозолях и атмосферных выпадениях с количеством атмосферных осадков, а для 7Ве еще и с числами Вольфа (солнечной активностью) и температурой воздуха.

3. Опробован новый подход к исследованию в радиоэкологии приземной атмосферы промышленных городов. Для вертикального перемещения радионуклидов в приземной атмосфере в качестве трассера был выбран 7Ве, трассером же горизонтального перемещения (ветрового подъема) использовались 40К (растительная компонента) и Сб (почвенная компонента). Полученные многолетние данные легли в основу для построения регрессионной модели, описывающей сезонное поведение радионуклида 7Ве в атмосфере только с учетом изменения метеопараметров из года в год.

4. Используя радионуклиды 7Ве и 137Ся в качестве реперных, оценены вклады ветрового подъема и техногенных выбросов в объемную активность ЕРН в приземной атмосфере. Наибольший вклад в радиоактивность

атмосферы дают техногенные выбросы 210РЬ (и, вероятно, его материнского радионуклида 222Кп) предприятий, сжигающих органическое топливо в целях отопления (соотношения площадей зимних техногенных пиков: 350:10:5:2:1:1 (210РЬ:234ТЬ:40К:22бЯа:232ТЬ:224Ка)). Связь технологических выбросов ЕРН с системами отопления иллюстрирована зависимостью объема выбросов со средними значениями зимних температур. Показано, что техногенные выбросы ЕРН имеют место практически круглый год (от предприятий с непрерывным технологическим циклом и автотранспорта) и эти выбросы с 2002 по 2011 гг. ежегодно растут. В распределениях ЕРН, нормированных на 7Ве, более или менее четко проявляются максимальные величины, связанные с сезонными изменениями метеопараметров: максимумы в марте-апреле (весенняя перестройка атмосферы), в июне-июле (максимальное выпадение осадков), а также в августе-сентябре (ветровой подъем). Относительная интенсивность этих пиков несколько различается у различных радионуклидов из-за специфической реакции каждого из них на изменение метеоусловий.

5. По особой методике оценены поступления радионуклида ,37Сз в атмосферу города и пригородов от различных зон. В условиях города максимальные поступления дают зеленая зона ~ 0,492 мкБк/м3 км2 и значительно меньше зона автодорог ~ 0,094 мкБк/м3 км2, причем относительный вклад зеленой зоны достигает до 99-100% в северном, северовосточном и восточном секторах города. От юго-восточных пригородов города наибольший объем поступления 137Сз в атмосферу дают сельскохозяйственные земли ~ 0,976 мкБк/м3 км2, зеленая зона ~ 0,605 мкБк/м3 км2 и заметно меньше зона автодорог ~ 0,203 мкБк/м3 км2. Это дает показатели плотности загрязнения сельскохозяйственных угодий ~ 0,55 Ки/км2 и зеленой зоны восточных пригородов ~ 0,19 Ки/км2, что не противоречит прямым определениям на отдельных участках г. Ростова-на-Дону <0,14 Ки/м2. Установлены связи ветрового подъема 137Сз со среднемесячными значениями основных метеопараметров: силой и направлением ветра, относительной влажностью и запыленностью атмосферы, что подтверждает сезонную зависимость содержания 137Ся в приземном воздухе (от ветрового подъема).

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Стасов, В.В. Определение радионуклидного состава приземного слоя воздуха гамма-спектрометрическим методом [Текст] / В.В.Стасов, Е.А.Бураева, М.Г.Давыдов и др. // XI Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых: сб. тез.- Екатеринбург,- 2005,- С.621-622.

2. Бураева, Е.А. Содержание радионуклидов в аэрозолях приземного слоя воздуха [Текст] / Е.А.Бураева, Л.В.Зорина, В.В.Стасов // V Международная школа молодых ученых и специалистов «Физика окружающей среды»: сб. ст.- Томск: Изд-во Института оптики атмосферы СО РАН,- 2006,- С.17-19.

3. Стасов, В.В. 7Ве в атмосферных аэрозолях и осадках в приземном слое воздуха г. Ростова-на-Дону [Текст] / В.В.Стасов, Е.А.Бураева, МГ.Давыдов и др. // XII Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых: сб. тез.- Новосибирск.- 2006.- С.766-767.

4. Бураева, Е.А. Содержание 7Ве в приземном слое воздуха г. Ростова-на-Дону [Текст] / Е.А.Бураева, М.Г.Давыдов, В.В.Стасов и др. // Анри,- №1.2007,- С.63-67.

5. Бураева, Е.А. Содержание 7Ве в приземном слое воздуха умеренных широт [Текст] / Е.А.Бураева, М-Г.Давыдов, В.В.Стасов и др. // Атомная энергия,- 2007.- Т.102,- В.6.- С.370-374.

6. Бураева, Е.А. Компоненты фона Се(Ц)- и ОеНР-детектора в пассивной защите [Текст] / Е.А.Бураева, М.Г.Давыдов, В.В.Стасов // Атомная энергия,-2007,- Т.103,- В. 5.-С.318-322.

7. Стасов, В.В. Связь 7Ве в атмосферных выпадениях и наземных экосистемах [Текст] / В.В.Стасов, Е.А.Бураева, М.Г.Давыдов и др. // XIII Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых: сб. тез.- Ростов-на-Дону - Таганрог, 2007,- С.671.

8. Стасов, В.В. Содержание 7Ве в атмосферных аэрозолях и осадках и их связь с метеопараметрами [Текст] / В.В.Стасов, МГ.Давыдов, Л.В.Зорина // IV научно-практическая конференция с международным участием «Экологические проблемы. Взгляд в будущее»: сб. ст.- СОЛ «Лиманчик»,-2007,- С.315-320.

9. Зорина, Л.В. Оценка техногенной составляющей загрязнения приземного слоя атмосферы свинцом-210 (на примере юго-востока г.Ростова-на-Дону) [Текст] / Л.В.Зорина, В.В.Сгасов, Е.А.Бураева // Конкурс молодых ученых им. академика И.И.Воровича «Фундаментальные и прикладные проблемы современной техники»: сб. раб. лауреатов.- Ростов-на-Дону, 2007.-В.Ю.- С.21-29.

10. Стасов, В.В. Исследование связи радионуклидного состава почвенных фракций и атмосферных аэрозолей [Текст] / В.В.Стасов, Л.В.Зорина, А.Н.Морозов и др. // Конкурс молодых ученых им. академика И.И.Воровича «Фундаментальные и прикладные проблемы современной техники»: сб. раб. лауреатов,- Ростов-на-Дону,- 2007,- В.Ю.- С.110-118.

11. Стасов, В.В. Распределение содержаний ЕРН в приземном слое воздуха и их зависимость от метеопараметров [Текст] / В.В.Стасов, Л.В.Зорина, Е.А.Бураева и др. // XIV Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых: сб. тез.- Уфа, 2008.- С.631-632.

12. Стасов, В.В. Влияние метеопараметров и солнечной активности на распределение 7Ве в атмосфере г. Ростова-на-Дону [Текст] / В.В.Стасов, Л.В.Зорина, М.Г.Давыдов // V Международная научно-практическая конференция по высоким технологиям и фундаментальным исследованиям: сб. тез.- Санкт-Петербург, 2008,- Т. 12,- С.378-379.

13. Стасов, В.В. Возможности оценки ветрового подъема радионуклидов с земной поверхности [Текст] / В.В.Стасов, Е.А.Бураева, М.Г.Давыдов // Всероссийская дистанционная научно-практическая конференция

«Актуальные проблемы современной физики»: сб. ст.- Краснодар, 2008.-С.127-131.

14. Стасов, В.В. 7Ве как монитор радиоактивности атмосферы [Текст] /

B.В.Стасов, Е.А.Бураева, М.Г.Давыдов // V научно-практическая конференция с международным участием «Экологические проблемы. Взгляд в будущее»: сб. ст.- СОЛ «Лиманчик», 2008.- С.420-424.

15. Зорина, Л. В. Радионуклид 2|0РЬ в атмосферных аэрозолях в приземном слое воздуха и метеопараметры г. Ростова-на-Дону [Текст] / Л.В.Зорина, Е.А.Бураева, В.В.Стасов и др. // Известия ВУЗов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки,- 2008,- №5.- С. 108-118.

16. Зорина, Л.В. Сезонная зависимость 2|0РЬ в приземном слое воздуха г. Ростова-на-Дону [Текст] / Л.В.Зорина, Е.А.Бураева, В.В.Стасов и др. // Анри.- 2008,- №3,- С.43-48.

17. Стасов, В.В. 137Cs в приземном слое воздуха [Текст] / В.В.Стасов // Научно-инновационный журнал «Инженерный вестник Дона»,- 2008.- №2,-

C.12-19.

18. Стасов, В.В. Комплексный индекс загрязнения как количественная характеристика радиоактивного загрязнения атмосферы [Текст] / В.В.Стасов, Е.А.Бураева, Л.В.Зорина и др. // XV Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых: сб. тез.- Кемерово-Томск, 2009.-С.817-818.

19. Тур, Ю.А. Протонный механизм образования космогенных радионуклидов в атмосфере Земли [Текст] / Ю.А.Тур, В.В.Стасов // XIV Международная экологическая студенческая конференция «Экология России и сопредельных территорий»: сб. тез.- Новосибирск, 2009,- С.89-91.

20. Нефедов, B.C. Поведение 137Cs в приземном слое воздуха и на границе атмосфера-литосфера [Текст] / В.С.Нефедов, В.В.Стасов, Л.В.Зорина и др. // XV Международная экологическая студенческая конференция МЭСК-2010: сб. тез.- Новосибирск, 2010,- С.47-48.

21. Рогов, В.П. Поведение 7Ве в приземном слое воздуха Земли [Текст] / В.П.Рогов, Е.А.Бураева, В.В.Стасов и др. // II Ростовский молодежный научно-практический форум «Молодежная инициатива - 2011»: сб. ст.-Ростов-на-Дону,- 2011,- С.121-123.

22. Якубовский, A.M. Радионуклиды земного происхождения в атмосфере [Текст] / А.М.Якубовский, В.В.Стасов, А.А.Пастухова и др. // XIII Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых: сб. тез.- Красноярск, 2012,- С.675-676.

23. Бураева, Е.А. Естественная радиоактивность приземного слоя воздуха г. Ростова-на-Дону [Текст] / Е.А.Бураева, Л.В.Зорина, В.В.Стасов и др. // Глобальная ядерная безопасность,- 2012.- № 1 (2).- С.22-31.

24. Бураева, Е.А. Сезонное поведение 7Ве в приземном слое воздуха г. Ростова-на-Дону [Текст] / Е.А.Бураева, В.В.Стасов, В.С.Малышевский и др. // Фундаментальные исследования,- 2013,- № 1.- С.177-180.

25. Давыдов, М.Г. Радиоэкология [Текст] / М.Г.Давыдов, Е.А.Бураева, В.В.Стасов и др.- учебник для вузов.- Ростов н/Д: Феникс.- 2013. -635с.

Печать цифровая. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Формат 60x84/16. Объем 1.0 уч.-изд.-л. Заказ № 3050. Тираж 100 экз. Отпечатано в КМЦ «КОПИЦЕНТР» 344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Суворова, 19, тел. 247-34-88

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Стасов, Виталий Викторович, Нальчик

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВЫСОКОГОРНЫЙ ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

04201360303 СТАСОВ ВИТАЛИЙ ВИКТОРОВИЧ

25.00.30 - метеорология, климатология, агрометеорология

диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НА ПРАВАХ РУКОПИСИ

Научный руководитель: д. ф.-м.н.

Научный консультант: к. х. н.

Давыдов М.Г.

Бураева Е.А.

Нальчик 2013

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 И. 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-П-15 на основе веНР 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 238и, 234ТЬ, 232ТЬ, 226Яа, 224Яа 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 Ве [126]..........................................98

4.2. Возможности оценки ветрового подъема радионуклидов с земной поверхности [140]............................................................................................100

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

1 77

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

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

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

ВВЕДЕНИЕ

'Ч

отдельные исследования космогенного Ве 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.

7 222

в вертикальном направлении (для Ве и Кп 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:

Цель работы. Исследовать процессы поступления и переноса космогенного радионуклида 7Ве, естественных радионуклидов семейств 238И, 232ТЬ и 40К, искусственного 137Сб от природных, урбанизированных и техногенных источников в приземный слой атмосферы 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 7Ве, 40К, 137Св, 234ТЬ, 226Ыа, 210РЬ, 232ТЬ, 224Ыа в атмосферных аэрозолях и плотности их выпадений на земную поверхность (для условий г.Ростова-на-Дону).

2. Установление корреляционной связи объемной активности 7Ве и 137Сб в атмосферных аэрозолях с числами Вольфа (7Ве) и основными метеопараметрами (7Ве, 137Сз), как радионуклидов-реперов для изучения процессов переноса всех иных радионуклидов.

3. Определение временной (сезонной) зависимости объемных

7 117

активностей радионуклидов 'Ве, Сб, ЕРН в атмосферных аэрозолях и плотности их выпадений на земную поверхность.

4. Установление связи объемных активностей 137Сз 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 EPH в приземном слое атмосферы города, а также ветрового подъема I37Cs в различных зонах городской территории и территории пригорода.

Научная новизна работы.

Ве 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 7Ве, 40К и 137Cs.

4. Впервые для климатических условий г. Ростова-на-Дону установлены особенности временных (сезонных) вариаций объемных

7 1 3 7

активностей

'Ве, Cs и EPH в атмосферных аэрозолях и в плотности выпадений на земную поверхность.

5. Впервые для условий города и его пригородов определены

особенности ветрового подъема Cs и EPH в различных зонах (сельскохозяйственных земель, земной зоны и зоны автодорог).

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 7Ве, 40К и 137Сб;

— для принятия решений о необходимости регулирования техногенных выбросов;

Положения работы, выносимые на защиту.

1. Получены и обработаны данные еженедельного контроля

7-г» 238т т 234Г-ГМ 232^, 226г> 224г> 2 Юг,, 40^ „

содержании радионуклидов Ве, и, Тп, Тп, Ка, Ка, РЬ, К и

137,-,

Сб и ежемесячные данные по плотности выпадении их на земную поверхность за период 2002-2011 гг.

2. Выявлен и охарактеризован сезонный ход объемной активности радионуклидов 7Ве, 40К, 234ТЬ, 226Яа, 210РЬ, 232ТЬ, 224Яа в атмосферных аэрозолях.

3. Выявлены факторы, влияющие на составляющую ветрового подъема в объемных активностях ЕРН, полученные нормированием их содержаний на 7Ве и 137Сб.

4. Установлена техногенная составляющая в объемных активностях

7 137

ЕРН, полученная нормированием их содержаний на Ве и Сб.

5. Разработана методика расчета ветрового подъема 137Cs с земной поверхности с почвенной и растительной пылью, в том числе и с поверхности сельскохозяйственных угодий, зеленой зоны и зоны автодорог.

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» (COJI «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), X 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,

2012).

Публикации. Основные положения диссертации опубликовано 56

работах, включающих 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 Ве,

трассерами горизонтального перемещения (ветрового подъема) 40К

(растительная компонента) и Сб (почвенная компонента) и используя полученные (в том числе и самим автором) многолетние данные содержаний радионуклидов в атмосфере, автор построил модель, описывающую сезонное поведение радионуклида Ве 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.

137

По особой методике автором были оценены поступления радионуклида Сб

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 радио

Информация о работе

Стасов, Виталий Викторович
кандидата физико-математических наук
Нальчик, 2013
ВАК 25.00.30

Диссертация

Исследование источников поступления и процессов переноса радионуклидов в приземной атмосфере промышленных городов - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы