Глава 1. Естественный фон ионизирующих излучений

Где бы мы ни находились - на знойном юге или на далеком севере, в долинах или высоко в горах, на свежем воздухе или в помещении-, на отдыхе в санатории или на работе, окруженные современной техникой, на пароходе, в поезде или в самолете - наше тело постоянно пронизывается высокоэнергетическими фотонами и корпускулами ионизирующей радиации. Падая на организм извне, они проникают во все ткани и органы, где отдают свою энергию молекулам и структурам клеток.

В большом количестве они зарождаются внутри нашего тела от находящихся в нем радиоактивных веществ, и тогда вероятность их поглощения тканями повышается. Речь идет о высокоэнергетических фотонах и частицах. Их энергия во много раз превышает энергию любой химической связи в молекуле. Столкновение таких частиц с молекулами нашего тела - это, как правило, катастрофа для молекулы: она распадается, меняет свою конфигурацию, теряет одни свойства и приобретает совсем иные. В настоящее время можно очень точно учитывать количество таких событий. Расчеты показывают, что каждую секунду в организме человека весом в 70 кг в среднем происходит около 500 тыс. таких молекулярных катастроф, 500 тыс. столкновений молекул с ионизирующими частицами, сопровождающихся временным или постоянным изменением свойств этих молекул.

Облучение от естественных источников ни на минуту не останавливается: секунды, минуты, часы, дни, годы непрерывно идет эта микробомбардировка наших клеток. Ее последствия только за последние годы становятся ясны благодаря многочисленным радиобиологическим исследованиям. И, как часто бывает в науке, то, что казалось очевидным еще несколько лет назад, приобретает новое освещение в свете полученных фактов. Если в 40-х и даже в начале 50-х годов ученые имели вообще очень смутные представления о естественном фоне радиации, то теперь уже ясно, что его нельзя игнорировать, обсуждая такие проблемы, как происхождение жизни, эволюция, старение, канцерогенез и многое другое. Но об этом речь пойдет ниже, а сейчас рассмотрим, чем вызывается постоянное облучение живых организмов и как оно изменяется от условий их существования. Мы различаем внешнее облучение от источников, расположенных вне организма, и внутреннее - от инкорпорированных, т. е. включенных в организм радиоактивных нуклидов (Как известно, радиоактивность обусловлена процессами, происходящими в ядре атомов. Радиоактивные элементы могут находиться в виде атомов, ионов, входить в состав молекул, однако это не влияет на их радиоактивность. Поэтому в радиобиологии принято говорить о радиоактивных нуклидах вне зависимости от их химического состояния.). Внешнее облучение слагается из облучения вторичными космическими лучами, достигающими биосферы Земли, и излучениями радионуклидов, рассеянных в окружающих нас земных породах и строительных материалах.

Космическая радиация

Из недр мирового пространства, от звезд нашей галактики, а возможно и других галактик, в межпланетное пространство постоянно направлен поток первичных космических лучей, состоящий из высокоэнергетичных протонов, ионов гелия, тяжелых частиц, электронов, фотонов и нейтрино. Значительный вклад в этот поток вносит и наше Солнце, испускающее, помимо видимого света, мощное ультрафиолетовое излучение и поток высокоэнергетичных протонов.

Первый барьер, с которым сталкиваются космические лучи на пути к биосфере, - магнитное поле Земли, отклоняющее заряженные частицы космической радиации, не дающее им даже достичь верхних слоев атмосферы. Отклоненные магнитным полем частицы как бы обтекают нашу планету на расстоянии от одного до восьми земных радиусов, образуя радиационные пояса с большой интенсивностью облучения. (Радиация в этих поясах обусловлена электронами и протонами с энергиями от десятка кэВ до сотен МэВ.) Радиационные пояса Земли, представляющие большую опасность для космонавтов (полеты с людьми всегда планируются с расчетом минимального пребывания в пространстве радиационных поясов), не влияют на радиационную обстановку на земной поверхности.

Магнитное поле Земли создает мощную защиту нашей планеты от галактической космической радиации. Мощную, но не абсолютную. Часть высокоэнергетичных лучей прорывается через магнитные поля и постоянно бомбардирует верхние слои атмосферы. Исследования, проведенные на ракетах и спутниках, показали, что мощность такого облучения закономерно изменяется в связи с 11-летним солнечным циклом.

Причину подобных изменений выяснил английский исследователь Е. Н. Паркер в 1966-1967 гг. Оказалось, что в годы солнечной активности усиливаются потоки плазмы, низкоэнергетичных протонов и электронов, испускаемых Солнцем, известные в астрономии под названием "солнечного ветра". Солнечный ветер оказывает влияние на магнитные поля Земли, усиливая их способность отклонять галактические космические лучи. Излучения солнечного ветра малоэнергетичны и также не пробиваются через магнитные поля. В результате наблюдается парадоксальная закономерность. В годы усиленной солнечной активности вследствие увеличения магнитной защиты интенсивность космического облучения Земли снижается, и наоборот, наибольшая облученность Земли космической радиацией наблюдается в годы спокойного Солнца.

Высокоэнергетичные (40-100 МэВ) космические: лучи, прошедшие через магнитное поле, врываются в атмосферу. Очень немногие из них проникают через всю атмосферу и достигают поверхности Земли. Большинство же, сталкиваясь с атомами азота, кислорода, углерода атмосферы, взаимодействует с ядрами этих атомов, и, образно выражаясь, разбивает их вдребезги, рождая множество новых частиц: протонов, нейтронов, π -мезонов (пионов), µ-мезонов (мионов) (Мезоны - элементарные частицы с массой больше, чем у электрона, но меньше, чем у протона.), образующих вторичное космическое излучение. Так как эти частицы тоже обладают энергией в десятки МэВ, то, сталкиваясь с другими ядрами, они порождают новые потоки излучений, образуя каскад вторичных космических лучей.

Часть нейтронов захватывается ядрами азота, образуя радиоактивный углерод С¹⁴. Мионы легко проникают в нижнюю часть атмосферы и доходят до поверхности Земли, составляя космическую часть естественного фона радиации.

На уровне моря вторичные космические лучи в виде потока нейтронов, мионов и электронов составляют около 30% от всего облучения биосферы. С высотой доза облучения от космических лучей значительно возрастает. Для жителей гор (1,5-2 км над уровнем моря) она почти в два раза выше, чем для жителей равнин. На высоте 10 км (на которой проходят трассы современной реактивной авиации) облученность космической радиацией уже на порядок выше, чем па уровне моря. На высоте 20 км она возрастает более чем на два порядка.

Эта высота интересна с двух точек зрения. Во-первых, на такой высоте будут летать в ближайшем будущем пассажирские сверхзвуковые самолеты. Следует отметить, что на такой высоте резко увеличивается количество высокоэнергетичных тяжелых частиц, почти не достигающих поверхности Земли. Радиация от солнечных вспышек, фактически не влияющая на дозы облучения, на поверхности Земли, на высоте 20 км будет резко увеличивать дозы облучения в сотни и даже в тысячи раз (Эти вспышки длятся несколько часов и возникают неоднократно за 11-летний солнечный цикл. Следует, правда, отметить, что сверхзвуковой самолет летит с большой скоростью и пассажиры будут находиться, на высоте 20 км в два раза меньше времени, чем на современных самолетах, что, конечно, скомпенсирует суммарную дозу облучения.).

Во-вторых, высота в 20 км интересна и с другой точки зрения. В тропических широтах Земли мощные потоки нагретого воздуха уносят в верхние слои атмосферы значительное количество микроорганизмов, бактерий, спор, организмов морского планктона. Определение плотности органического вещества на разных высотах показало, что именно на высоте 15-20 км она достигает наибольшей величины - до 10 частиц (аэронов) па 1 см³. На этой высоте аэроны будут находиться 3-4 месяца, медленно передвигаясь в области средних широт. Принимая во внимание высокую мощность космических лучей, доза, полученная микроорганизмами, может достигнуть нескольких рад, а в годы повышенной солнечной активности - и сотен рад. В средних широтах облученные микроорганизмы войдут в нижние слои атмосферы и выпадут с осадками на поверхность Земли. В главах, где будет обсуждаться проблема биологических последствий малых доз радиации, рассматриваются возможные результаты такого переоблучения в высоких слоях атмосферы. Глубокая проникающая способность вторичных космических излучений объясняется большой энергией. Вот почему так трудно избавиться от их постоянного воздействия. Для проведения экспериментов с резко пониженным космическим облучением физики оборудуют специальные лаборатории в туннелях, проложенных у основания высоких гор. В табл. 2 представлены дозы облучения человека космическими излучениями в разных условиях существования.

Таблица 2. Доза, получаемая человеком от космических излучений

Земная радиация

Все живое на Земле находится под постоянным воздействием излучений от рассеянных в окружающей нас природе радиоактивных нуклидов. Одни из них постоянно образуются в атмосфере и на поверхности Земли в результате ядерных реакций, осуществляемых космическими лучами. Как уже говорилось выше, захват нейтрона атомом азота ведет к образованию радиоактивного углерода С¹⁴. За счет ядерных столкновений образуются радионуклиды Н3 (тритий), Be⁷ (радиоактивный изотоп бериллия), Na²² и Na²⁴ (радиоактивные изотопы натрия). С точки зрения внешних облучателей С¹⁴ и Н³ не принимаются во внимание ввиду очень мягкого излучения этих изотопов. Радиоактивные бериллий и натрий дают высокоэнергетичные и, следовательно, глубоко проникающие β и γ-излучения, т. е. участвуют во внешнем облучении живых организмов. Однако их образуется настолько мало, что удельный вклад в общую облученность оказывается ничтожным.

Таблица 3. Свойства урана и продуктов его распада

Иначе обстоит дело с естественными радионуклидами, такими, как уран, торий и радиоактивный изотоп калия (К⁴⁰), и продуктами их распада. Как известно, уран-238 образует целую серию продуктов распада. В табл. 3 приведена характеристика лишь наиболее интересных из них с точки зрения их участия в облучении биосферы.

Многие короткоживущие, промежуточно образующиеся нуклиды являются также и β-излучателями. Природный радий, например, излучает α-, β- и γ-лучи, так как всегда содержит некоторое количество таких продуктов распада (дочерние элементы).

Таблица 4. Концентрация радионуклидов в земных породах. (Единица измерения активности радионуклидов получила название Кюри (Ки). Для малых активностей используют Пикокюри (пКи); Ки=1012.пКи.)

Длительно живущие элементы - уран, радий, свинец-210 - составляют значительную часть земного излучения. Радон всегда присутствует в приземном воздухе, вызывая облучение поверхности тела и легких при его вдыхании.

То же можно сказать и о втором широко распространенном естественном радиопуклиде - тории (Th²³²),имеющем время полураспада (в. п.) 1,41 ⋅ 10¹⁰ года. При распаде радиоактивного тория образуются радий-228 (в. п. 5,8 лет), торий-228 (в. п. 1,9 года), короткоживу-щий радон-220 (в. п. 55 с), превращаясь в конечном результате в стабильный изотоп свинца РЬ²⁰⁸.

Наконец, третий, самый распространенный естественный радионуклид - это радиоактивный 40К постоянно сопровождающий природный, стабильный калий, имеющий время полураспада 1,26 ⋅ 109 лет и испускающий при распаде β=(1,38 МэВ) и γ=(1,46 МэВ) лучи. Концентрация этих радионуклидов в окружающих пас породах колеблется в широких пределах (табл. 4).

Радиоактивность почв тоже сильно варьирует в зависимости от сорбционных свойств, путей образования, промывания сточными водами (различие по величине в 5-6 раз).

Облучение от земных радионуклидов в большой степени зависит от снежного покрова, влажности почвы и даже времени суток. Действительно, слой снега и большая влажность экранируют излучения почвы, и общая доза в приземной атмосфере снижается. Ночью с понижением температуры газообразный радон рассеивается медленнее, чем днем в жаркую погоду, и доза облучения на поверхности почвы возрастает.

В различных частях света, в разных странах и отдельных местностях концентрация естественных радионуклидов подвержена значительным колебаниям, и соответственно изменяется средняя облученность населения.

Измерения средней поглощенной дозы от земного излучения (на высоте 1 м от поверхности) в разных странах показали, что она изменяется от 9-7 мкрад/ч в ГДР, Швеции, Италии - до 5,8-5,0 в Польше, ФРГ, Австрии, падая до 4,5-3,6 в США, Японии и Индии. Средние различия достигают более чем двукратного размера. Более сильные отклонения обнаружены в отдельных районах и местностях. При обследовании населения и получаемой им дозы в различных районах четырех стран (США, ФРГ, Италия и Япония) обнаружены колебания средней поглощенной дозы в 4-5 раз.

Еще более сильные отклонения от средних величин зафиксированы в отдельных районах, содержащих повышенные концентрации природных радионуклидов в основных породах. Подобные районы есть в Италии, Франции, Индии, Бразилии, Нигерии, на Мадагаскаре и в других странах. Такие районы наиболее изучены в Индии и Бразилии. В Индии вдоль юго-западного берега океана, в штатах Керала и Тамиль Наду, расположена местность (протяженность 250 км, глубина до 0,5 км); очень богатая моноцитом, содержащим торий, его продукты распада и редкие земли. Количество тория в моноцитовых песках доходит до 8-10% -это чрезвычайно высокая концентрация, не встречающаяся в других странах мира. В этой прибрежной полосе произрастают пальмы и другие виды растительности, обитают многие представители животного царства. В штате Керала в этом районе проживает около 70 тыс. коренного населения. Вычисленная для него средняя мощность облучения равна 130 мкрад/ч, или 113О мрад/год, т. е. в 10 раз больше средней мировой величины. [Эта доза варьировала от 130 до 2814 мрад/год.]I

В Бразилии подробно исследовалась обширная область вдоль побережья Атлантического океана в штатах Эспириту-Санту и Рио-де-Жанейро, богатая моноцитовыми песками. На прибрежных моноцитовых песках расположены три города: Гуарапари, Миайпе и Кумуруксатиба.

В Гуарапари проживает около 12 тыс. жителей. Это приятное место для летнего отдыха и купания в океане. Каждый год летом около 30 тыс. отпускников приезжают сюда отдыхать. Мощность облучения, измеренная на улицах Гуарапари, колебалась от 100 до 200 мкрад/ч, а в отдельных местах прибрежного пляжа (моноцитовые пески) поднималась до 2000 мкрад/ч. Близкие величины радиоактивности (от 100 до 1000 мкрад/ч) обнаружены и в поселке рыбаков на побережье (в 50 км от Гуарапари), в котором проживает около 300 человек. В городе Кумуруксатиба мощность облучения несколько ниже - в среднем около 50 мкрад/ч.

Другой район в Бразилии с повышенной радиоактивностью расположен в штате Минас-Жеранс, на вулканических породах, где находятся города Покос-де-Калдас и Аракса-Тапира. Наибольшая радиоактивность установлена недалеко от города Покос-де-Калдас. Мощность дозы здесь доходила до 2800 мкрад/ч. В области города Аракса-Тапира, богатой апатитами, средняя мощность дозы была около 400 мкрад/ч.

В Иране, в городке Рамзар, на площади в несколько квадратных километров, богатой радиоактивными источниками, отмечена мощность облучения в воздухе от 200 до 500 мкрад/ч. Во Франции имеются ограниченные районы с радиацией в 200 мкрад/ч, доходящей в немногих местах до 10000 мкрад/ч. Районы с повышенной естественной радиоактивностью есть и в других странах (в Канаде, Чехословакии, Южной Африке, СССР). Как правило, они связаны с выходом радиоактивных вод, с залежами урана, с породами, содержащими высокие концентрации тория. Приведенные цифры говорят о том, что облученность людей и тем более наземной и почвенной фауны и флоры может в 100 и 1000 раз превосходить средние уровни по стране или всей поверхности Земли.

Заметно меняется облученность тела человека в зависимости от времени, которое он проводит в закрытых помещениях: дома, на службе, на заводах, в шахтах. Следует учитывать два обстоятельства: материал, из которого построено помещение, и качество вентиляции. Последнее обстоятельство связано с концентрацией радона, в основном действующего на ткани легких, что мы рассмотрим ниже.

Воздействие строительных материалов может проявляться двояко. С одной стороны, они защищают наше тело от внешней радиации, поглощая ее в своей толщи. С другой стороны, многие строительные материалы сами богаты радиоактивными естественными нуклидами и поэтому могут повышать мощность облучения в помещениях. Такие строительные материалы, как дерево, тепловые прокладки (войлок, стружки), почти не содержат, или содержат очень мало радиоактивных нуклидов. В деревянных помещениях средний уровень облученности меньше, чем снаружи, вне дома. Отношение мощностей облучения внутри дома к внешнему облучению (коэффициент защиты) оказывается меньше единицы - 0,7-0,6. Низко радиоактивны и большинство пластиков, природный цемент, мрамор, дающие коэффициент защиты 0,8- 0,9. С другой стороны, такие строительные материалы, как гранит, кирпич и бетон, имеющие в своем составе естественные радионуклиды, собственным излучением перекрывают защиту от внешнего облучения, и коэффициент возрастает от 1,3 до 1,7. Так, например, измерения, проведенные во многих домах в Швеции, показали, что средняя мощность облучения вне помещения в 90 мрад/год в деревянных домах снижалась до 57, в кирпичных поднималась до 112, а в бетонных достигала 172 мрад/год.

Обратная зависимость наблюдалась в колебаниях облучения в районах с повышенной естественной радиоактивностью. Например, исследования, проведенные в районе Керала (Индия), показали, что в легких деревянных, бамбуковых и глиняных хижинах облучение было высоким (в некоторых местностях достигало 2800 мрад/год), так как эти материалы не защищали от высокого внешнего фона, а в кирпичных и цементных зданиях проявлялась защита, и мощность дозы снижалась до 500-700 мрад/год.

Таким образом, внешнее облучение в биосфере на поверхности Земли в нормальных условиях, примерно на высоте 1 м от ее поверхности, слагается из космических лучей (28,3 мрад/год) и земной радиации (32 мрад/год).

В сумме организм человека получает 60 мрад/год. Эта величина заметно больше в горах и в районах повышенной радиоактивности.

Важно подчеркнуть, что корневая система растений так же, как и прорастающие семена, непосредственно соприкасаясь с распыленными в почве естественными радионуклидами (уран, торий, радий, калий), будет постоянно облучаться β- и γ- радиацией. Известный радиобиолог Д. М. Гродзинский, учитывая большую площадь разветвленной корневой системы, рассчитал, сколько пар ионизации будет воспринимать корневая система одного растения в различных почвах Украинской ССР. Для озимой ржи он получил около 10 млн. β-частиц ежеминутно. В зависимости от радиоактивности почвы (колебания в 2-3 раза) и размеров корневой системы растений эта величина может варьировать в 3-4 раза для различных видов растений и условий их произрастания.

Почвенные микроорганизмы, особенно в районах с высокой радиацией, также являются объектами повышенного облучения. Вода морей и океанов имеет естественную радиоактивность в основном за счет значительного содержания в ней калия с его радиоактивным изотопом К⁴⁰. Морская вода содержит 3,8 ⋅ 10^-1 г/л калия, что и обусловливает ее радиоактивность, равную 3,3 ⋅ 10^-10 Ки/л.

Что же известно о внутреннем облучении нашего организма, растений, обитателей морей и океанов и других представителей биосферы?

Естественные радионуклиды постоянно вовлекаются в круговорот веществ, который так характерен для живых организмов. Пути и степень их проникновения в живые организмы будут зависеть от природы радионуклида. Радиоактивный изотоп углерода С¹⁴ постоянно образуется в верхних слоях атмосферы благодаря ядерной реакции космических лучей (нейтронов) с азотом: n + N¹⁴→p+ С¹⁴. Окисляясь кислородом или озоном, этот углерод . превращается в радиоактивпую углекислоту: С¹⁴+ О2→С¹⁴ О₂. Последняя, равномерно перемешиваясь с обычной углекислотой (на что уходит около года), поглощается зелеными листьями растений в процессе фотосинтеза.

Хорошо известно, что все части растения строятся из продуктов фотосинтеза. Таким образом, углеводы, жиры, белки и другие компоненты растений, содержащие углерод, будут слабо радиоактивны (содержат С¹⁴) и, поступая в качестве пищи в организм животного и человека, создают постоянно действующий небольшой уровень внутреннего облучения. Период полураспада С¹⁴ очень велик (5720 лет), поэтому он существует тысячелетия на нашей планете. Определяя удельную активность углерода ископаемых растений (каменный уголь и др.) и растений, выросших в наше столетие, можно рассчитать (вводя поправки на известную скорость распада), с какой скоростью поступает в биосферу радиоактивный углерод из стратосферы. Такие расчеты показали, что скорость его поступления уравновешивается распадом и выведением из биосферы (осаждение карбонатов в океанах и морях, захоронение). Благодаря этому многие тысячелетия концентрация радиоактивного углерода в окружающем нас мире остается постоянпой.

Установлено, что скорость образования С¹⁴ в верхних слоях атмосферы составляет 2,28 атома в 1 см³ в секунду. Это значит, что за год его образуется 0,038 МКи. Эта цифра согласуется с содержанием С¹⁴ в атмосфере в целом, которое равно 3,8 МКи.

В атмосфере содержится около 1/60 части всего углерода (биосфера, океан, осадочные породы). На нашей планете около 230 МКи С¹⁴, что сообщает природному углероду активность, равную 6,1 пКи на 1 г углерода. Это очень слабая активность, дающая за год облучение тканей человека в пределах 0,5-2,2 мрад.

Значительно больший вклад в суммарную активность вносит такой природный нуклид, как радиоактивный изотоп калия К⁴⁰. В обычном калии всегда содержится в очень небольшом количестве (0,0118%) радиоактивный изотоп К⁴⁰. Без калия не происходит нормального развития организмов, без него невозможна жизнь. Содержание калия строго регулируется как в животном, так и в растительном организмах. Его концентрация в растениях выше, чем в животных тканях. (Калий концентрируется во внутриклеточном пространстве, и его сравнительно мало в межклеточной жидкости.) Существуют специальные механизмы, работающие в бпомембра-нах, которые регулируют распределение калия в организме человека. Его содержание в эритроцитах крови достигает 460 мг %, в мышцах - 360 мг %, в головном мозге - 330 мг %. Калия мало в костной ткани (50 мг %) и значительно меньше в сыворотке крови (20 мг %). В мужском организме по сравнению с женским его больше, особенно в период полового созревания. Молодой, энергично функционирующий организм содержит больше калия на 1 кг веса, чем старый. Эти данные получены при обследовании 859 человек обоего пола в камерах, позволяющих учитывать уровень и спектр излучения всего тела.

Соответственно содержанию калия меняется и облученность ткани от К⁴⁰. Исходя из его среднего содержания в человеческом организме (200 мг %), можно рассчитать, что К⁴⁰ усилит общую мощность облучения на 19 мрад/год. В различных тканях эта величина колеблется: в гонадах 9-21, ткани легких 10-24 и в костном мозге 16-38 мрад/год.

Облученность растений, содержащих до 400 мг % калия, составит 40 мрад/год. Несколько большую облученность получат семена с повышенным содержанием калия. Так, например, в бобах, фасоли, горохе содержание этого элемента доходит до 900-1200 мг %. Внесение калийных удобрений повышает облученность прорастающих семян и корней растений.

Морские животные активно поглощают калий из окружающей среды. Коэффициент накопления калия в мышцах широко варьирует у различных видов морских организмов от 2-5 у кишечнополостных до 9-19 у рыб. Соответственно будет варьировать и мощность облучения этих животных от аккумулированного калия.

В природном рубидии содержится 27,8% радиоактивного рубидия. Но концентрация рубидия в нашем теле, как и в окружающей среде, очень мала (4-10 мкг/г). Его физиологическая роль неясна, а суммарная доза облучения очень мала (0,3-0,4 мрад/год).

Уран, торий, радий повсеместно распространены в земной коре. Как показали специальные эксперименты, торий почти не усваивается растениями. Его содержание ничтожно мало в собираемом урожае и в зеленой массе растений, поэтому его можно не рассматривать как внутренний излучатель в организмах растений, животных и человека.

Иначе ведут себя уран и радий. Соли урана из почвы поступают в растение. Некоторые виды растений активно концентрируют уран. Было даже предложено использовать некоторые виды как своеобразные индикаторы присутствия урана в окружающей среде. Содержание урана в различных растениях отличается более чем на четыре порядка. Многие низшие растения, например мхи, лишайники, накапливают в своих тканях уран, особенно на почвах, богатых этим нуклидом. Среди высших растений тоже обнаружены отдельные представители с высоким содержанием урана (тысячелистник, дрок беловатый, бук лесной, кипарисовник Лоусона и др.). Повышенное содержание урана было отмечено в семенах высших растений, спорах низших грибов.

С растительной пищей уран попадает в организм животных и человека (около 0,2-0,9 пКи в день). Это количество в отдельных местностях, богатых урановыми солями, может повышаться до 1,2 пКи в день. Очень немного урана (1,4 ⋅ 10^-3 пКи в день) поглощается за счет вдыхания пыли окружающего воздуха, которая всегда содержит небольшие количества этого нуклида (около 7 ⋅ 10^-5 пКи/м³). Значительно большие количества урана могут поступать в организм человека за счет воды некоторых минеральных источников. Если обычная питьевая вода содержит менее 0,03 пКи/л урана, то в некоторых местностях его содержание в врде доходит до 70 -пКи/л. В Финляндии, близ Хельсинки, обнаружены источники, содержащие до 1000-5000 пКи/л, что связано с повышенным содержанием урана в этой местности.

В организме животных уран откладывается в костной ткани, где его содержание может быть в 30-100 раз выше, чем в мягких тканях. Однако в нормальных местностях абсолютное содержание урана невелико, и доза, воздействующая на костную ткань, колеблется в пределах 0,3-0,8 мрад/год. Содержание радия в окружающей нас среде колеблется, что вызывает поступление его в организм человека с пищей от 0,8 до 17 пКи за сутки.

Радием богаты фосфорные удобрения, усиленное использование которых несколько повышает его поступление в растения. Растения хорошо усваивают радий из почвы. Например, ореховое дерево (Bertholletia excelsa), растущее в Бразилии, поглощая уран из почвы, концентрирует его в тканях плодов; его содержание в орехах достигает нескольких тысяч пКи на 1 кг. Содержание радия в питьевой воде различных источников колеблется от 0,01 до 1 пКи/л. Его много в некоторых минеральных водах известных курортов (Цхалтубо, Пятигорск, Висбаден и др.), где содержание радия достигает 5- 10 пКи/л и выше.

В морской воде радия очень мало: от ⋅o 10^-15 до 3 ^* 10^-14 г/л. Это дает небольшой его вклад в общую радиоактивность вод морей и океанов (0,27 пКи/л). Тем не менее многие морские организмы (мидии, моллюски и др.) накапливают радий в своем организме. Наибольшая концентрация радия обнаружена в тихоокеанском лососе.

В местностях с повышенной радиацией поступление радия с пищей в организм человека достигает больших величин. Так, в штате Керала (в Индии) дневная доза радиации достигает 160 пКи. В Бразилии, в штате Аракса-Тапира, дневная доза радия достигала 240 пКи.

Радий, так же как кальций, попадая с пищей в животный организм, откладывается в костной ткани, в местах ее роста и усиленного обмена (70-90% поступившего в организм). Его содержание в костной ткани колеблется в различных странах от 2 до 30 пКи/кг, в то время как в мягких тканях оно равно 0,13 пКи/кг. Конечно, в районах с повышенной естественной радиоактивностью содержание радия в скелете тоже резко повышенно: в Аракба-Тапира (в Бразилии) оно доходило до 230 пКи/кг, а штате Керала (в Индии) до 400 пКи/кг.

Однако дозы, получаемые костной тканью, костным мозгом от этих следов радия, очень невелики: они не превышают 1 мрад/год, только в местностях с повышенной радиоактивностью достигают 20-40 мрад/год.

Много внимания ученые уделяют долгоживущим радиоактивным продуктам распада радия, таким, как полоний-210 (период полураспада 138,4 дня) и его предшественник свинец-210 (период полураспада 21 год). Так как эти радионуклиды образуются при распаде газообразного радона (эманации радия), который все время выделяется из почвы в атмосферу, то первично они образуются в виде мелко распыленного аэрозоля. Концентрация этих радионуклидов в атмосфере зависит от скорости поступления радона. Она велика в субтропиках и умеренных широтах северного полушария и почти на два порядка ниже в антарктических районах южного полушария. С дождем и снегом, а также в результате медленного оседания Ро²¹⁰и РЬ²¹⁰ выпадают па земную поверхность. Их содержание в дождевой воде колеблется от 0,2 до 7 пКи/л. В обычной питьевой воде содержится, как правило, менее 1 пКи/л, но в минеральных водах их содержание доходит до 10 пКи/л.

На поверхности Земли эти радионуклиды поглощаются растениями непосредственно через листовую поверхность или из почвы через корневую систему. Попадая в моря и океаны, Ро²¹⁰ и РЬ²¹⁰ концентрируются в мышцах морских организмов, где их содержание может доходить до 500 пКи/кг. В организм человека эти радионуклиды могут попадать из воздуха при дыхании, при курении с табачным дымом и с растительной или животной пищей. Непосредственно из воздуха при дыхании за день в легкие попадает не более 0,37 пКи. Значительно большие количества поступают в легкие курильщиков. Табак в процессе роста поглощает выпадающие на его листья РЬ²¹⁰ и Ро²¹⁰. При высокой температуре содержащиеся в табаке радионуклиды переходят в дым и с дымом проникают в легкие курильщиков. Человек, выкуривающий в день 20 сигарет, поглощает легкими до 3 пКи этих радионуклидов. Их поступление с пищей зависит от состава пищи и повышается на севере, где в питании преобладает мясо оленей, и в приморских странах, где население питается морскими продуктами (табл. 5).

Таблица 5. Поступление Po²¹⁰ и РЬ²¹⁰ в организм человека с пищей в течение дня (Количественные данные этой и последующих таблиц, рисунков и текста соответствуют цифрам, приведенным в докладе Генеральной Ассамблее ООН в 1977 г., представленном Научным комитетом по действию атомной радиации при ООН.)

На Крайнем Севере лишайники, покрывающие поверхность тундры, поглощают почти весь выпадающий радиоактивный свинец и полоний. В лишайниках, собранных на севере Канады, Финляндии, СССР, США, содержание этих элементов достигает огромных величин: 6400-9200 пКи/кг сухого веса. У оленей, питающихся лишайниками, радионуклиды накапливаются в костях (до 5000 пКи/кг сырого веса) и мясе (до 360 пКи/кг). У северных народов, потребляющих мясо оленей (эскимосы, ненцы и др.), повышенное содержание Ро²¹⁰ и РЬ²¹⁰ в костях и мягких тканях.

Основная поглощенная доза обусловлена высокоэнергетичными α-частицами Ро²¹⁰. Для костной ткани она составляет 3 мрад/год для, некурящих и около 4 мрад/год для курильщиков. В северных районах облученность от Ро²¹⁰ костной ткани достигает 10 мрад/год и для мягких тканей 5-7 мрад/год. Доля ?-излучения РЬ²¹⁰ на два-три порядка ниже.

В процессе радиоактивного распада урана и тория образуются короткоживущие газообразные радиоактивные нуклиды. Уран-238 и находящийся с ним в равновесии радий-226 дают эманацию радия - радон-222 (Rn²²²) с периодом полураспада 3,8 дня. При распаде радон-222 дает ряд короткоживущих (п. п. - минуты и секунды) дочерних радиоактивных нуклидов. При распаде тория тоже образуется газообразный нуклид торон-220, очень быстро распадающийся (п. п. 55 с) с образованием серии короткоживущих дочерних радиоактивных нуклидов. По своим свойствам радон-222 и торон-220 очень близки друг к другу (благородные газы),- как близки их твердые (аэрозоли) быстрораспадающиеся дочерние продукты. Поэтому принято второе название торона - радон-220. (Обычно используется второе название, имея в виду общий источник радиации.)

Радон постоянно образуется в окружающих нас породах, почвах, строительных материалах, воде и выделяется в атмосферу. Радон, как благородный газ, не реагирует с компонентами воздуха, но, распадаясь, дает серию дочерних нуклидов (полоний-218, 214, 216, 212; свинец-214, 212 и висмут-214, 212), которые, соединяясь с кислородом, водой и другими газами атмосферы, образуют частицы очень малых размеров - клюстеры. В течение секунд и минут они агрегируют, давая более крупные частицы аэрозоля, оседающие на окружающие поверхности. Практически через три часа уже все дочерние продукты распадаются.

Хотя речь идет о короткоживущих радионуклидах, однако их постоянное новообразование и распад приводят к равновесному их содержанию в атмосфере, создающему определенный постоянный уровень радиации. Этот уровень обычно оценивается в пКи на литр суммарного излучения радона и его дочерних короткоживущих продуктов распада. В шахтах, где содержание радона и его продуктов распада повышенно, удобнее использовать в качестве единицы измерения величину 100 пКи/л, называемую рабочим уровнем (РУ).

Концентрация радона и его продуктов распада в окружающей нас среде варьирует в широких пределах. В природе она достигает наибольших величин в газах почвы и непосредственно на ее поверхности. Концентрация быстро падает с высотой: уже на высоте 1 м она, как правило, в два-четыре раза меньше, чем на поверхности почвы, а на высоте 4-5 м уже ничтожно мала. В солнечные дни падение содержания радона и продуктов его распада с высотой проявляется более резко, чем ночью. Над континентами концентрация выше, чем над поверхностью морей и океанов.

С высокими концентрациями радона и продуктов его распада мы сталкиваемся в закрытых, плохо вентилируемых помещениях. Конечно, проявляется зависимость от строительного материала помещения и от качества вентиляции. Табл. 6 дает представление о вариациях этих величин.

Многие природные источники содержат радон. Его ковцентрация в воде различных источников колеблется от величин ниже 1 пКи/л до 106 пКи/л. Многие озера и реки содержат от 3 до 10 пКи/л, грунтовые воды - от 102 до 104 пКи/л. При использовании этих вод для питья или для купания можно получить дополнительное, иногда весьма значительное облучение (подробнее мы рассмотрим эту ситуацию в другой, главе). Кипяченая вода и минеральные воды, транспортируемые в бутылках, конечно, уже не содержат радона и короткоживущих продуктов его распада.

Доза и мощность облучения от радона и его дочерних продуктов распада будет сильно варьировать в различных организмах и их тканях. Наибольшую дозу получают бронхиальные эпителиальные клетки, непосредственно соприкасающиеся с радоном при дыхании и постоянно сорбирующие крупные частицы радиоактивного аэрозоля (дочерние продукты). Мелкие частицы (клюстеры) проникают и в более глубоко лежащие клетки легких. Близки к ним и дозы, действующие на поверхность кожи. Очень немного радона растворяется в крови и разносится по внутренним органам. При питье свежих минеральных вод, богатых радоном, значительная доза будет падать на эпителий желудочно-кишечного тракта.

Из всего сказанного в этой главе можно заключить, что все- живые организмы на земле постоянно подвергаются облучению от природных источников. Получаемые дозы варьируют в пределах одного-двух порядков в зависимости от места обитания, условий жизни и питания. Научный комитет по действию атомной радиации при ООН рассчитал средние годовые дозы излучения для всего населения (для различных тканей человека), живущего в нормальных условиях, от основных источников природной радиации. Полученные данные приведены в табл. 7.

Таблица 7. Годовые дозы облучения человека от природных источников радиации в нормальных условиях, мрад

В среднем нормальную облученность человека от естественного радиоактивного фона можно принять за 100 мрад/год. В зависимости от природных условий возможны вариации дозы в пределах 60-10 000 мрад/год.

Вреден или полезен этот естественный фон радиации для человека? для животного и растительного мира? для биосферы в целом? К этим вопросам мы вернемся в последующих главах.