Холопцев А.В., Дикусар Е.А.

Севастопольский национальный технический университет

Институт физико-органической химии Национальной академии наук Беларуси

Оценка роли некосмических факторов изменчивости концентраций

космогенных радионуклидов Be⁷ и С¹⁴ в приземном слое атмосферы над территориями Беларуси и Антарктиды

Актуальной проблемой современной физической географии и геохимии ландшафтов является оценка роли различных природных процессов в изменениях концентраций микроэлементов в приземном слое атмосферы, а также флоре и фауне. Среди упомянутых веществ многие входят в состав ферментов и энзимов живых организмов. Вследствие этого недостаток подобных веществ в почве приводит к снижению урожайности сельскохозяйственных культур, а также продуктивности животноводства. Их избыток в окружающей среде также опасен для живой природы, поскольку большинство из них тосично.

Важное место среди микроэлементов занимают радионуклиды, способные накапливаться в организмах, приводя к повышению интенсивности терратогенных мутаций, опухолевых заболеваний и иных лучевых патологий [1]. На изменения их концентраций (активности) в различных природных средах могут влиять разнообразные факторы, среди которых присутствуют и антропогенные. Наряду с ними особенности рассматриваемого процесса в том или ином регионе Мира во многом определяют также действующие в нем природные факторы.

Наибольший интерес выявление роли природных факторов в происходящих изменениях радиационного фона представляет для регионов, пострадавших в результате аварий на объектах ядерной энергетики, что еще долго будет наносить известный вред здоровью их населения и экономике. К их числу относятся многие районы Беларуси, пострадавшие в 1986 г. при аварии на Чернобыльской АЭС.

Ущерб экономике этих районов, а также в целом Беларуси, наносит не только остаточное радиоактивное загрязнение их природной среды, ограничивающее развитие сельского и лесного хозяйства, но и весьма распространенная среди ее населения радиофобия [2]. Вследствие этого любые изменения их радиационного фона воспринимаются как проявление неких техногенных факторов, несмотря на то, что многие из них могут быть также вызваны действием факторов природных.

Среди последних важное место занимают процессы, вызывающие изменения потоков естественных радионуклидов, которые образуются, как принято считать [3], под влиянием одних лишь космических факторов.

Значимыми факторами вариаций естественного радиоактивного фона во многих регионах нашей планеты являются изменения активности содержащихся в приземном слое атмосферы космогенных радионуклидов –Н³, С¹⁴, Ве⁷, Ве¹⁰, Na²² , активно реагирующих с газами и аэрозолями [3] и накапливающихся в биотических компонентах ландшафтов [4].

Одним из важнейших и наиболее изученных космогенных радионуклидов является Ве⁷, присутствующий в приземном слое атмосферы в основном как составляющая радиоактивных аэрозолей [1, 3]. Интерес к причинам изменчивости активности этого вещества обусловлен не только возможностью его накопления в живой природе, но и его применением при решении таких актуальных задач метеорологии, как тестирование трехмерных атмосферных транспортных моделей (Rehfeld, Heimann, 1995 [5]); исследование процессов переноса в атмосфере (Батраков Г.Ф. 2012 [3]); оценка объемной части стратосферного воздуха и вклада стратосферного озона в изменения его содержания в приземном слое атмосферы (Zanis, Gerasopoulos, Priller, 2003 [6]).

Общее содержание Ве⁷ в земной атмосфере в среднем составляет 1,8·10¹⁷ Бк [7]. Из них около 70%, присутствует и возникает в стратосфере. Основная их часть распадается непосредственно в ней же, поскольку время их осаждения здесь существенно превосходит соответствующее значение периода их полураспада (53.3 суток) [8]. Образовавшийся в стратосфере Ве⁷ поступает в тропосферу лишь при вхождениях в нее через разрывы тропопаузы стратосферного воздуха, происходящих в весенние месяцы [9].

Средняя активность Ве⁷ , содержащегося в тропосфере, достигает 12,5 мБк/м³ [7]. В приземном слое атмосферы активность Ве⁷ изменяется в пределах 1-10 мБл/м³ и существенно зависит как от географического положения пункта наблюдения, так и от времени.

Факторами приходной части баланса Ве⁷ в приземном слое атмосферы являются процессы, приводящие к его образованию, а также миграции из соседних сегментов атмосферы. Снижение концентраций ⁷Ве в приземном слое атмосферы является результатом радиоактивного распада его атомов и осаждение содержащих его частиц аэрозоля, на подстилающую поверхность.

⁷Ве образуется в атмосфере в результате взаимодействия ядер основных компонентов воздуха с протонами и нейтронами, описываемого реакциями [10]:

Поскольку основным компонентом земной атмосферы является азот, наибольший вклад в образование Ве⁷ вносят реакции с его участием.

Установлено, что поток космических лучей, воздействующих на земную атмосферу, модулируется вариациями солнечной активности. При ее возрастании данный поток, а также интенсивность образования космогенных радионуклидов, в том числе Be⁷ и С¹⁴, снижается [3].

Вероятность протекания реакций с участием нейтронов при прочих равных условиях тем меньше, чем больше их энергия. Поэтому преобладающая часть Ве⁷ формируется при взаимодействии атомов азота с тепловыми нейтронами, которые в составе космических лучей практически отсутствуют [11], а в основном являются вторичными.

Как показали исследования Б.М. Кужевского, О.Ю. Нечаева и П.И. Шаврина [12], выявивших наличие анизотропии потока тепловых нейтронов в атмосфере, немалая часть поступающего в приземный слой атмосферы их потока образуется и при иных процессах. Ими установлено, что на высотах вплоть до 10-15 км над земной поверхностью поток тепловых нейтронов, направленный вниз, существенно меньше их потока, направленного вверх. Следовательно, в образовании Ве⁷ наряду со вторичными тепловыми нейтронами, могут присутствовать аналогичные частицы и некосмического происхождения.

Одним из источников таких тепловых нейтронов в тропосфере могут являться грозы [13]. Гипотезу о возможности возникновения в каналах молний заряженных частиц высоких энергий, путем ускорения их в мощных электрических полях грозовых облаков, высказал и обосновал Ч. Вильсон в 1924 г.. Для обозначения участвующих в этом процессе электронов, разгоняющихся до релятивистских скоростей, Эддингтон в 1926 году предложил термин «убегающие электроны».

Первые экспериментальные факты, косвенно подтверждающие адекватность гипотезы Вильсона, были установлены в 1987 г. А. В. Гуревичем, зафиксировавшим происходящее при ударах молний увеличение потоков нейтронов.

Для объяснения этого явления Гуревичем, Милихом и Рюсселем-Дюпре в 1992 г. был предложен механизм, объясняющий возникновение над грозовым облаком нейтронов, фотоядерными реакциями, которые протекают благодаря взаимодействию ядер атомов азота и кислорода с тормозным гамма-излучением потока «убегающих электронов» [14].

На основе данной идеи [15,16] предложена теория, связывающая образование потока нейтронов при грозах с возникновением гигантских восходящих атмосферных разрядов (спрайты, джеты и др. [17]), в которых и образуется тормозное излучение релятивистских убегающих электронов.

Аналогичный процесс способен влиять и скорость образования в атмосфере С¹⁴, являющегося в основном продуктом реакции ядер атомов азота с тепловыми нейтронами [3]. Поскольку повторяемость гроз над тем или иным регионом планеты существенно зависит от изменений ее глобального климата и при его потеплении, как правило, увеличивается (поскольку возрастает содержание в воздухе водяного пара), в предшествующие Плейстоцену геологические эпохи, характеризовавшиеся более теплым климатом, образование С¹⁴ в атмосфере происходило более интенсивно. Последнее может вызывать заметные погрешности датирования органических останков с использованием радиоуглеродного метода, основанного на предположении, что интенсивность образования С¹⁴ в атмосфере в прошлом не изменялась [18].

К образованию Ве⁷ в приземном слое атмосферы могут приводить также ядерные реакции с участием протонов [10].

Одним из источников этих протонов является впервые осуществленная Резерфордом в 1919 г. реакция ядер атомов азота с альфа-частицами, возникающих при радиоактивном распаде изотопов радона Rn²¹⁹, Rn²²⁰, Rn²²².

Радон выделяется в воздушную среду в основном с суши. Этот процесс происходит наиболее интенсивно в зонах тектонических разломов, а также на территориях, где выделяющие его горные породы залегают вблизи земной поверхности [19].

Так как скорость эксгаляции радона из почв в теплое время года существенно выше, чем в холодное, поток образующихся при его распаде альфа-частиц, а значит и Ве⁷, возникающего в приземном слое атмосферы над территориями регионов умеренного климатического пояса должны быть положительно коррелированны с температурой приземного слоя атмосферы и достигать максимума в июле – августе.

Скорость эксгаляции радона из земной поверхности существенно зависит от ее температуры, но и от других свойств, определяющих ее газопроницаемость и адсорбирующую способность. На территориях, поверхности которых характеризуются высокой трещиноватостью, эсгаляция рассматриваемых веществ существенно выше. В областях с интенсивным земледелием, к которым относится и Беларусь, за счет разрыхления земной поверхности корнями растений и в период земледельческих работ, интенсивность эсгаляции радионуклидов естественного происхождения может возрастать в 7 и более раз [3]!

Поскольку с водной и покрытой льдом поверхности эксгаляция радона практически не происходит, на ее интенсивность в некотором регионе ощутимо влияет свойственное ему распределение суши, водных объектов и ледников.

Значительная часть протонов образуется в атмосфере при фотолизе содержащегося в ней водяного пара, происходящего с участием солнечной ультрафиолетовой радиации [20]. Упомянутые реакции в основном протекают в нижних слоях стратосферы и в верхних слоях тропосферы, где достаточно велико содержание в воздухе водяного пара и не слишком ослаблен поглощением озона солнечный ультрафиолет.

Необходимым условием протекания ядерной реакции ядра атома азота с протоном, является наличие у последнего кинетической энергии, достаточной для преодоления, действующей между этими положительно заряженными частицами, силы кулоновского отталкивания.

Подобной энергией протоны, образующиеся при упомянутых фотохимических реакциях в атмосфере, как правило, не обладают. В воздухе длина свободного пробега протонов весьма мала. Поэтому даже в мощных электрических полях гроз до достаточных скоростей способна разогнаться лишь малая часть протонов, присутствующих в воздухе. Подобные явления более вероятны в верхних слоях атмосферы, при образовании спрайтов и джетов, а также в тропосфере, в каналах молний.

Очевидно, что количество протонов, ускорившихся при некотором грозовом разряде, пропорционально их концентрации в воздухе, имевшей место до его возникновения. Поэтому фактором изменений интенсивности образования таким путем Ве⁷ могут быть вариации поступающего в соответствующий сегмент тропосферы потока ультрафиолетовой радиации.

Поскольку этот поток регулируется вариациями общего содержания озона (ОСО), - вещества поглощающего ультрафиолетовую радиацию, значимым фактором изменчивости активности Ве⁷ в приземном слое атмосферы над некоторым участком земной поверхности могут являться вариации соответствующих ему значений данной характеристики.

Благодаря влиянию геомагнитного поля на входящие в околоземное пространство космические лучи, их поток, проникающий в сегмент земной атмосферы над приполярными регионами, ощутимо превышает потоки, достигающие других ее сегментов (что подтверждается феноменом полярных сияний). Вследствие этого, интенсивность образования с участием этих потоков Be⁷ и С¹⁴ в Арктическом и Антарктическом сегментах атмосферы может быть заметно выше, чем за их пределами.

Как следует из изложенного, вклады «некосмических» источников Be⁷ и С¹⁴ в их суммарные потоки, поступающие в приземный слой атмосферы, зависят от времени года и географического положения региона, особенностей его ландшафтов, климата и геологического строения. Истинно космогенными по своему происхождению Be⁷ и С¹⁴ являются лишь в Антарктике и Арктике, где эсгаляция радонов Rn²¹⁹, Rn²²⁰ и Rn²²² практически невозможна, а гроз не бывает.

Следует отметить, что наряду с процессами, вызывающими образование рассматриваемых веществ изменения их потоков, поступающих в приземный слой атмосферы могут быть вызваны также изменчивостью характеристик атмосферной циркуляции, обуславливающей их горизонтальный перенос.

Влияет этот процесс и на распределение Be⁷ и С¹⁴ в сегменте стратосферы над Антарктидой. Ему свойственна существенная внутригодовая и межгодовая изменчивость.

Внутригодовая изменчивость атмосферной циркуляции над Антарктидой во многом обусловлена изменениями поступающей в соответствующий сегмент атмосферы солнечной радиации и теплового излучения подстилающей поверхности. Потоки этих излучений максимальны в период полярного дня (декабрь-февраль) и минимальны в полярную ночь (май-июль).

В зимние месяцы воздух в стратосфере над Антарктидой сильно охлаждается и становится плотнее, что приводит к увеличению атмосферного давления и образованию циркумполярного антициклонического вихря. Возникающие в это время года воздушные потоки выносят на север из антарктического сегмента стратосферы любые, образующиеся в нем вещества. При этом из него удаляются образовавшиеся О₃, Ве⁷ и С¹⁴. В результате этого составляющего их потока в приземный слой атмосферы, формирующийся путем осаждения из стратосферы, заметно ослабевает.

Весной энергия этого вихря достигает максимума, что приводит к образованию в сентябре-ноябре озоновой дыры. При этом концентрации в стратосфере над Антарктидой Be⁷ и С¹⁴ , вероятно, также могут достигать минимальных уровней.

Летом над Антарктикой полярный день. Солнечная радиация, непрерывно поступающая в сегмент атмосферы над Антарктикой, ощутимо разогревает его, что приводит к снижению в нем атмосферного давления. Последнее вызывает перестройку циркуляции стратосферного воздуха и образование циркумполярного стратосферного циклона. Воздушные потоки этого циклона устремляются к полюсу и несут в себе О₃, Be⁷ и С¹⁴, образовавшихся в сегментах стратосферы, расположенных севернее. Образуются эти вещества и непосредственно над Антарктидой.

В результате этого их концентрации возрастают, как и вклады в потоки данных веществ, образующихся в приземном слое атмосферы над Антарктидой, их составляющих, возникающих путем осаждения из стратосферы, достигают максимальных уровней.

В осенние месяцы поток солнечной радиации, поступающей в Антарктический сегмент атмосферы, снижается, это приводит к похолоданию и повышению атмосферного давления в районах близких к полюсу. Последнее вызывает деградацию стратосферного циркумполярного циклона и зарождения на его месте антициклона [21, 22].

Благодаря описанному процессу в спектре изменчивости концентраций Be⁷ и С¹⁴ в приземном слое атмосферы над Антарктикой может присутствовать составляющая с периодом в 1 год (с максимумом в феврале, а минимумом – в сентябре-ноябре). Его результатом, вероятно, должно являться образование весной над Антарктикой дыры не только озоновой, но также бериллиевой и радиоуглеродной !

Значимым фактором внутригодовой изменчивости концентраций Be⁷ и С¹⁴ в приземном слое атмосферы над Антарктикой может являться и такой крупномасштабный процесс в Южном полушарии Земли, как Антарктическое колебание (южная кольцевая мода) [10].

На межгодовую изменчивость концентраций Be⁷ и С¹⁴ могут оказывать влияние квазидвухлетняя мода [9], взамодействующая с годичной, а также вариации солнечной активности, максимумы которой чередуются с периодами, близкими к 11 и 22 годам [3, 23]. В результате спектр временной изменчивости концентраций Be⁷ и С¹⁴ над Антарктикой является многомодовым.

Влияние упомянутых мод простирается далеко за пределы Антарктики. В том числе оно сказывается в изменениях потоков данных веществ, осаждающихся из стратосферы в тропосферу над Южным умеренным климатическим поясом.

В регионах Северного умеренного климатического пояса (где расположена Беларусь), действуют аналогичные, но противофазные моды [23] (вариации солнечной активности и в Северном, и в Южном полушариях действуют синфазно).

В периоды смены антициклонической циркуляции стратосферного воздуха на циклоническую, происходят наиболее мощные его вхождения в тропосферу. При этом воздух стратосферы поступает в нее через так называемые «разрывы тропопаузы», расположенные вблизи 30-х параллелей обоих полушарий [9]. Вследствие этого, наиболее ощутимым влияние данного процесса должно быть в регионах субтропического и тропического климатических поясов.

В регионах Северного умеренного климатического пояса особенности изменчивости концентрации Be⁷ и С¹⁴ исследовались в Центральной Европе (Прага), Западной Европе (Дижон, Франция), в Норвегии и Дании [11], в Канаде (Моосония, провинция Антарио), а также на Украине (Чернобыль) [12]. Установлено, что во всех этих пунктах концентрации Be⁷ существенно зависят от времени года и их максимальные значения повсюду наблюдались в апреле-мае, а минимальные – в октябре-ноябре. В качестве примера на рисунке 1 приведены результаты измерения среднемесячных значений активности Be⁷ в приземном слое атмосферы над п. Чернобыль в период 07.2003- 06.2009 гг.

Рис. 1. Зависимость от времени среднемесячных значений активности Be⁷ в приземном слое атмосферы над п. Чернобыль по данным [12].

Как видим из Рис. 1, наиболее мощной модой изменений активности Be⁷ в приземном слое атмосферы над п. Чернобыль является годичная.

По мнению [3, 9], причиной подобной сезонной зависимости являются весенние вхождения стратосферного воздуха, приносящие с собой данное вещество из его основного резервуара.

Данной точке зрения противоречат наблюдения в пунктах Южного умеренного пояса (Пунта-Оринас, Чили), где симметричной и противофазной по времени картины не наблюдалось. В этом нетрудно убедиться из Рис. 2, на котором представлена зависимость от времени среднемесячных значений активности Be⁷ в приземном слое атмосферы над п. Пунта Аренас (Чили) в период с февраля 1994 по май 1999 г.

Рис. 2. Зависимость от времени среднемесячных значений активности Be⁷ в приземном слое атмосферы над п. Пунта Аренас (Чили) по данным [24].

Не выявлено ее и в пунктах Северного и Южного субтропических климатических поясов, где влияние вхождения стратосферного воздуха должно бы было быть максимальным: Севастополь (Украина) [10], Палермо (Сицилия), Пуэнто-Монт (Чили) [24].

К тому же воздух, входящий из стратосферы в тропосферу должен был бы содержать в повышенных концентрациях и иные вещества, образующиеся в ней. К ним относятся: O₃, NO и NO₂, концентрации которых в воздухе стратосферы гораздо выше, чем в воздухе тропосферы. Вместе с тем, в приземном слое атмосферы тропических, субтропических и умеренных климатических поясов ощутимых и синхронных изменений концентраций O₃, NO и NO₂ или соединений с их участием (HNO₃, N₂O₄ и т. д.) в весенние месяцы не наблюдается.

Учет всех имеющихся экспериментальных данных позволяет предполагать, что к числу значимых причин изменчивости концентраций Be⁷ и С¹⁴ в приземном слое атмосферы над Беларусью и другими регионами упомянутых климатических поясов могут относиться сезонные изменения грозовой активности, а также интенсивности эсгаляции радонов Rn²¹⁹, Rn²²⁰ и Rn²²² и других, в том числе техногенных α-радионуклидов. Несмотря на то, что мониторинг указанных процессов во многих пунктах указанных климатических поясов ныне осуществляется, адекватно оценить их роль в изменении концентраций Be⁷ и С¹⁴ в приземном слое атмосферы не представляется возможным, поскольку наряду с данными «некосмическими» в образовании этих веществ, действуют и космические факторы.

Поэтому для оценки роли подобных некосмических источников Be⁷ и С¹⁴ в изменчивости их концентраций в приземном слое атмосферы над территориями Беларуси, Украины необходим синхронный мониторинг изменчивости этих характеристик в указанных регионах Мира, а также в Антарктиде, где такие источники практически не действуют. Адекватная оценка роли таких источников важна еще и потому, что в минувшие геологические эпохи, характеризовавшиеся иным климатом, а также другой активностью тектонических и вулканических процессов, их вклады в суммарные потоки Be⁷ и С¹⁴, образующихся в приземном слое атмосферы, могли значительно отличаться от современных.

Поскольку в Антарктике в основном действуют одни лишь космические и циркуляционные факторы, наблюдение за изменчивостью в приземном слое ее атмосферы упомянутых радионуклидов позволили бы оценить влияние на этот процесс «некосмических» факторов, действующих в Беларуси и других регионах планеты.

Ранее подобных исследований не проводилось. Для осуществления их необходимо на протяжении, как минимум, 1 года произвести синхронный мониторинг изменений концентраций Be⁷ и С¹⁴ в приземном слое атмосферы над Антарктикой, а также территорией Беларуси. Это позволило бы учесть влияние годичной моды изменений концентраций этих радионуклидов.

Предлагаемые исследования могли бы стать естественным дополнением и продолжением работ, проводимых в Антарктиде в районе бывшей советской базы, а теперь Беларуской радиометрической станции – «Гора Вечерняя», расположенной в 24 км от российской станции «Молодежная», учеными Института физики им. Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси в рамках программы «Мониторинг полярных районов Земли и обеспечение деятельности арктических и антарктических экспедиций на 2011-2015 годы», проводимых под руководством А.А. Гайдашова.

Литература:

1. Рейфман М.Б. Бериллий. М., 1959.

2. Родионова Н.В. Понимание ситуаций радиационной опасности профессионалами и непрофессионалами. Автореф. дисс… к. психолог. н. М., 2004.

3. Батраков Г.Ф. Радиоактивные изотопы в атмосфере и океане. Севастополь: НПЦ «ЭКОСИ-Гидрофизика», 2012. 378 с.

4. Особенности формирования радиационного фона г. Москвы, обусловленного гамма излучающими радионуклидами природного и техногенного происхождения. Автореферат дисс… к. т. н. М.: 2011.

5. Rehfeld S., Heimann M. // J. Geophys. Res. 1995. Vol. 100. No 26. P. 26, 141-161.

6. Zanis P., Gerasopoulos E., Priller A. et. al. // J. Geophys. Res. 2003. Vol. 108. No D12. P. 8520-8529.

7. Froehlich K. Environmental Radionuclides: Tracers and Timers of Terrestrial Processes / Radioactivity in the Environment. Vol. 16. Amsterdam: Elsevier, 2010. 443 p.

8. Dutkiewicz V.A., Husain L. // J. of Geophys. Res. 1985. Vol. 90 P. 5783-578.

9. Шакина Н.П., Кузнецова И.Н., Иванова А.Р. // Метеорология и гидрология. 2000. № 2. С. 53-59.

10. Арбузова А.П. Батраков Г.Ф., Иванова Т.М., и др. // Системы контроля окружающей среды. Севастополь: МГИ НАНУ, 2010. Вып.14. С.173-181.

11. Гинзбург В. Л. // Земля и Вселенная. М.: Наука, 1988. № 3. С. 3-9.

12. Кужевский Б.М., Нечаев О.Ю., Шаврин П.И. // Геомагнетизм и аэрономия. 1995. Т. 32. № 2. С. 166-170.

13. Кужевский Б.М. // Вестн. МГУ. Сер. 3. Физика, Астрономия. 2004. № 5. С. 14-16.

14. Гуревич А.В., Зыбин К.П. // УФН. 2001. Т. 171. С. 1177–1199.

15. Бабич Л.П., Донской Е.Н., Куцык И.М., Рюссель-Дюпре Р.А. // Геомагнетизм и аэрономия. 2004. Т. 44. № 5. С. 697–703.

16. Куцик И.М. Атмосферные разряды, развивающиеся в режиме лавин релятивистских убегающих электронов. Автореферат дисс… д. ф.-м. н. Нижний Новгород, 2008.

17. Бекряев В. И. Молнии, спрайты и джеты. СПб.: РГГМУ, 2009. 96 с.

18. Вагнер Г.А. Научные методы датирования в геологии, археологии и истории. М.: Техносфера, 2006. 576 с.

19. Шулейкин В.Н. Радон почвенного и атмосферного воздуха и дегазация земли. Георесурсы. Геоэнергетика. Геополитика. М.: Учреждение Российской академии наук, Институт проблем нефти и газа РАН (ИПНГ РАН), 2010. С. 4-7.

20. Okabe H. Photochemistry of small molecules. Willey-Interscience Publication, John Wiley & Sons. New-York-Chichester-Brisbane-Toronto, 1978. 290 p.

21. Кричак О.Г. // Тр. САЭ. I960. T. 9. C. 50-62.

22. Груздев А.Н. Пространственно-временная динамика атмосферного озона и связанных с ним газовых примесей: Автореф. дис. д. ф.-м. н. М., 2007.

23. Крупномасштабные динамические процессы в атмосфере. М.: Мир, 1988.

24. Cannizzaro F., Greco G., Raneli M. //J. of Environmental Radioactivitu. 2004. Vol. 72. P.259-271.