Загрязнение биосферы радионуклидами и последствия для человека

Если взрыв происходит близко от поверхности Земли, то в радиоактивное  облако включается большое количество земных пород с наведенной радиоактивностью и происходит более быстрая конденсация  радионуклидов в тяжелые частицы  уже в средних слоях атмосферы. Это приводит к более быстрому выпадению части радионуклидов  вблизи (десятки и сотни километров) от места взрыва. Такие местные  радиоактивные осадки, выпадающие в  виде белого тонко распыленного порошка, неоднократно наблюдались в окрестностях ядерных взрывов, в основном по направлению  ветра, несущего радиоактивное облако. От силы ветра зависели интенсивность  и дальность их выпадения. В 1954 г. весь мир облетела весть о трагической  истории японских рыбаков, находившихся в Тихом океане на расстоянии 130 км от о-ва Бикини, когда там была взорвана американцами атомно-водородная бомба. Взрыв был осуществлен на небольшой  высоте над коралловым рифом острова, Весь коралловый атолл был вовлечен в образование радиоактивного облака. Через 3 ч после взрыва в районе, где находился корабль с японскими  рыбаками, началось выпадение очень  мелкого белого порошка, проникавшего во все щели, под одежду, в легкие, в глаза, уши. Выпадение этих белых  хлопьев длилось 4-5 ч. Иногда плотность  осадков была столь велика, что  не позволяла видеть окружающие предметы. Осадки покрыли всю палубу корабля, кожу рыбаков, пищу и загрязнили поверхность  океана. Долгое время рыба этого  района была радиоактивной.

Пока японские рыбаки добирались до берегов Японии, начались признаки сильнейшей лучевой болезни. Как  определили впоследствии японские ученые, выпадавший осадок имел радиоактивность, равную 1 Ки/г (радиоактивность чистого  радия). Такая высокая активность была вызвана быстрым оседанием и, следовательно, содержанием многих короткоживущих радионуклидов.

Болезнь у всех рыбаков протекала  очень тяжело и оставила глубокие последствия. Один из них умер от тяжелых  поражений внутренних органов радиоактивными осадками. Как стало известно значительно  позднее (американское командование долго  скрывало эти факты от общественности), на Маршалловых островах, отстоящих  от места взрыва более чем на 300 км, 239 местных жителей и 28 американцев  были настигнуты теми же радиоактивными осадками. Большая удаленность и  быстро принятые меры по обезвреживанию и удалению осадков снизили острое радиоактивное поражение, но оно  не прошло бесследно для здоровья потерпевших.

Эти примеры говорят о той  огромной опасности, которую несут  на сотни километров от эпицентра  ядерного взрыва так называемые местные осадки. Однако основная масса радионуклидов, как было указано выше, распространяется по всему земному шару, выпадая на его поверхность в течение примерно одного-двух лет. За это время многие короткоживущие радионуклиды распадаются. Но такие, как стронций-90, цезий-137, церий-144, рубидий-87, многие годы сохраняют радиоактивность, изменяя естественный радиоактивный фон нашей планеты.

Действительно, каждый новый экспериментальный  взрыв увеличивал радиозагрязненность окружающей среды. Определение Sr⁹⁰ в почве различных стран пока зало, как из года в год росло загрязнение нашей планеты, что наглядно показано на рис. 1. В атмосфере из года в год увеличивалось содержание радиоактивного углерода.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
Рис. 1. Отложения Sr⁹⁰ на Земле. (Заштрихованная часть - северное полушарие, не заштрихованная - южное полушарие)

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Виды радионуклид и их свойства

Радиоактивные осадки, выпадая на поверхность Земли, морей и океанов, включались в обмен веществ живых  организмов, накапливались в них  и через пищевые цепи попадали в организм человека.

 
Схема путей распространения в  биосфере радионуклидов

На схеме представлены наиболее типичные пути распространения в  биосфере таких долгоживущих радионуклидов, как Cs¹³⁷, Sr⁹⁰ и др. Каждый из них имеет свои особенности. По химическим свойствам Sr⁹⁰ является аналогом кальция. Кальций необходим для развития растений и животных. Растения через корневую систему жадно поглощают из почвы соли кальция, одновременно в них поступает и радиоактивный стронций. Животные, питаясь растительной пищей, получают кальций, идущий на построение костного скелета; в большом количестве он поступает в молоко (необходимый элемент для питания молодняка и детей). Вслед за кальцием, как его мрачная тень, в молоко и костную ткань устремляется и радиоактивный стронций. Исследования показали, что в ряде стран в отдельные годы в молоке содержалось повышенное количество Sr⁹⁰. Из молока радиоактивный стронций поступает в детский организм, где вслед за кальцием откладывается в быстро растущем скелете. Поэтому дети подвергались большему риску по сравнению со взрослыми: в скелете 1-2-летних детей концентрация стронция-90 оказалась в 4-5 раз выше, чем у взрослых (определения в костях случайно погибших людей, проведенные в Англии в 1964 г.).

Другой долгоживущий радионуклид, цезий-137, по химическим свойствам близок к калию. Поступая в организм животных из растительной пищи, он распределяется, как и калий, в мягких тканях - мускулах, мозге, печени, гонадах и т. п. В тело человека этот элемент поступает с растительной пищей (хлеб, овощи, фрукты), мясом, рыбой и другими пищевыми продуктами моря. В почве цезий быстро переходит в трудно-усвояемую форму, и его поступление в растения через корни идет не очень эффективно. Но зато цезий очень легко всасывается листовой поверхностью. В годы, когда его выпадение совпадало с вегетативной стадией развития сельскохозяйственных растений (когда была сильно развита листовая поверхность), растительная пища оказывалась сильно загрязненной радиоактивным цезием.

4. Влияние радионуклид  на человека и окружающую среду

Своеобразная обстановка сложилась  в тундре (Северная Аляска, северные области Финляндии, Норвегии и СССР). Летом в этих районах вся поверхность  земли устлана сплошным покровом лишайника и мха. Выпадающий цезий-137 почти целиком поглощался этой растительностью. У оленей, питавшихся лишайниками и мхом, накапливался в организме радиоактивный цезий. Жители Севера, питаясь мясом оленей, получали значительно больше радиоактивного цезия по сравнению с людьми средних широт.

В табл. 2 приведены данные, показывающие большие колебания в содержании Cs¹³⁷ в организме человека в 1964 г. в зависимости от продуктов его питания в разных странах.

 

 

 

 

Таблица 2. Содержание Cs137 в организме людей в зависимости от продуктов питания (1964 г.)
Страна, место жительства	Содержание цезия - 137, пКи
Северная Америка
Аляска	3400 - 9100
Нью-Йорк	130 - 180
Калифорния	91 - 114
Швейцария
Стокгольм	182 - 235
Лапландия	2600 - 5400
Дания	143 - 195
Финляндия
Хельсинки	204 - 218
север страны	2260 - 8360
Норвегия
Осло	357
северные фиорды	2000

 

 

 

 

 

 

В результате взрыва образуются и  относительно долго живут рутений-106 (п. п. 290дней) ицерий-144 (282дня). Достигая приземных слоев атмосферы, они  присутствуют в воздухе в виде аэрозоля. Эти элементы не участвуют  в обмене веществ живых организмов и поэтому не проникают во внутренние ткани. При дыхании они непосредственно  соприкасаются лишь с тканью легкого, усиливая его облучение так же, как аэрозоли цезия-137 и некоторых  других короткоживущих радионуклидов.

Из короткоживущих радионуклидов  следует упомянуть изотоп иода - иод-131 (п. п. 8 дней). При определенных метеорологических условиях вблизи места взрыва не раз наблюдали значительные выпадения иода-131. Иод очень активно включается в обмен и впервые недели после взрыва обнаруживается в молоке. Попадая с молоком в организм детей, он почти полностью поглощается щитовидной железой, синтезирующей из него гормон - тироксин. Йод создает в ней повышенный очаг радиации. В отдельные годы доза, получаемая щитовидной железой от J131 у детей, достигала 50,80 и 100 мрад/год, а в некоторых районах доходила и до 200-300 мрад/год, хотя в иные годы и в общем она колебалась в пределах 0,3- 10 мрад/год.

Рост радиоактивного загрязнения  нашей планеты отражал безудержную  гонку ядерного вооружения с ее неизбежными  экспериментальными взрывами все большей  и большей мощности. Если за шесть  первых лет (1945- 1951 гг.) всеми странами мира было взорвано около 0,2 Мт ядерного оружия, то уже в следующие пять лет (1952-1956 гг.) эта цифра увеличилась  до 11, далее - до 177, а только за один 1962 г. она составила 217 Мт!

5. Борьба с радионуклидами

Общественность всего мира требовала  прекращения этой самоубийственной гонки вооружений. Широкая кампания за запрещение ядерных взрывов ярко проявилась еще в 1950 г. знаменитым Стокгольмским  воззванием, обращенным к людям всего  мира. Воззвание содержало слова пламенного борца против ядерного оружия Фредерика Жолио-Кюри: "Мы требуем безоговорочного запрещения атомного оружия - оружия запугивания и массового уничтожения..."

За три месяца под воззванием было собрано сто миллионов подписей!

Научный комитет по действию атомной  радиации ООН в своем втором докладе, представленном Генеральной Ассамблее ООН, на основании анализа роста содержания радионуклидов в окружающей среде, в пище и организме человека указывал, что только прекращение ядерных испытаний может избавить человечество от вредных последствий повышения радиоактивного фона. Пагуошские конференции ученых представляли своим правительствам единое мнение ученых о необходимости запрещения ядерных взрывов как необходимого первого шага к предотвращению ядерной войны.

В декабре 1962 г. в Москве был подписан договор между СССР, США и Великобританией  о запрещении ядерных взрывов  в трех средах (в атмосфере, на поверхности  Земли и под водой). С 1962г. и  по настоящее время этот договор  выполняется подписавшими его странами. Правда, Китайская Народная Республика и Франция, не присоединившиеся к Московскому договору, испытывали ядерное оружие и в последующие годы. Китай осуществил взрывы ядерных бомб над своей территорией в октябре 1964, мае 1965, в мае 1966 гг. и еще шесть взрывов в период 1966-1968 гг. В 1968 и 1970 гг. были взорваны ядерные устройства Францией в Южном полушарии, на островах Тихого океана. За последние годы еще шесть взрывов в атмосфере было осуществлено Китаем и 14 - Францией. Как же все отразилось на радиоактивности окружающей нас среды?

Радиоактивные осадки от наиболее мощных взрывов 1961-1962 гг. продолжали выпадать еще в 1963-1964 гг. Однако уже в 1963 г. было зафиксировано уменьшение короткоживущих радионуклидов, что привело к резкому снижению радиоактивного йода в молоке коров и, следовательно, к снижению облучения щитовидной железы у детей.

В 1964 г. начали отчетливо проявляться результаты Московского договора. Прекращение крупных взрывов привело к значительному падению содержания радионуклидов в атмосфере. На рис. 2 показано, как стремительно из года в год шла очистка атмосферы от содержания в ней радиоактивного стронция. Однако взрывы, произведенные Китаем и Францией (время наиболее крупных взрывов показано на рис. 2 стрелками), замедлили этот процесс. Кривая после каждого взрыва поднимается, показывая, что и до настоящего времени некоторый уровень этого радионуклида сохранился в окружающей нас среде.

 

 
Рис. 2. Содержание Sr⁹⁰ в стратосфере за 1963-1975 гг. На оси абсцисс кружками отмечено время крупных взрывов: черные кружки - в северном полушарии, светлые - в южном. (1 - во всей стратосфере, 2 - в северном полушарии, 3 - в южном полушарии)

Уменьшение радиоактивных осадков  сопровождалось снижением загрязненности радионуклидами продуктов питания, о чем можно судить по рис. 3, отражающему содержание Sr90 в продуктах в различные годы. Близкие данные были получены и для содержания Cs137 в молоке, фруктах, овощах, мясе. После 1965 г. стало заметно снижаться содержание Sr90 в костной ткани человека.

 
Рис. 3. Содержание Sr⁹⁰ в продуктах питания. (1 - в Дании, 2 - в США (Нью-Йорке))

Что же добавили к естественному  фону радиации излучения от радионуклидов, появившихся в окружающей среде  и проникших внутрь организма? Дать точный ответ на этот вопрос оказалось  не так-то просто. Мы видели, как сильно изменялся уровень загрязнения  радионуклидами из года в год, как  изменяется их проникновение в организм человека в зависимости от географических условий обитания, от продуктов питания  и возраста человека. Если мощность дозы от естественного фона радиации мало менялась со временем и для ее характеристики было удобно пользоваться величиной, получаемой за год, то облучение от радионуклидов ядерных взрывов очень непостоянно. Оно меняется в зависимости от сравнительно короткого периода Полураспада, мощности и периода поступления радионуклидов в атмосферу.

Все эти обстоятельства побудили Научный  комитет по действию атомной радиации ООН, занимавшийся подсчетами, определить средние суммарные дозы, получаемые человеком и его критическими тканями (Критическими тканями в радиобиологии называют радиочувствительные ткани, ответственные за радиационные повреждения всего организма.) за весь период с начала первых испытаний и до последнего времени. Полученные величины представлены в табл. 3.