Глава 2. Загрязнение биосферы радиоактивными нуклидами

В 1954-1955 гг. стали появляться сообщения ученых из различных стран мира (США, Японии, Швеции, СССР и др.) об обнаружении в атмосфере таких радиоактивных нуклидов, как стронций-90, цезий-137, церий-144, никогда ранее не присутствовавших в окружающем нас мире. Начали сказываться последствия взрыва мегатонной атомно-водородной бомбы, которая в порядке испытаний была взорвана 1 марта 1954 г. на уединенном островке Тихого океана - Бикини, на тысячи километров удаленном от населенных мест. Впервые стали проявляться на земном шаре глобальные последствия ядерного взрыва, произведенного в любой точке нашей планеты.

Как известно, с 1954 г. начались усиленные испытания ядерного оружия. Один экспериментальный взрыв следовал за другим. Мощность взрываемых устройств возрастала. Одновременно возрастало загрязнение всей биосферы нашей планеты радиоактивными нуклидами, как короткоживущими, так и долгоживущими, время полураспада которых измерялось десятками и тысячами лет.

Вековая устойчивость окружающего естественного радиоактивного фона оказалась нарушенной. Новые необычные радионуклиды обнаруживались в атмосфере, почве, продуктах питания, в теле человека, создавая общую и локальную повышенную облучаемость живых организмов. Человечество впервые столкнулось с таким явлением. Ничего не было известно ни о размерах растущего облучения, ни тем более о последствиях. Однако уже первые наблюдения вызвали большую озабоченность среди ученых. Им стало ясно, что взрывы ядерного оружия, производимые в районах, удаленных от населенных мест, изменяют уровни радиоактивности во всех точках земного шара. Следовательно, возникновение войны с массовым применением ядерных бомб, где бы она ни происходила, будет иметь последствия, гибельные для человечества, для жизни на Земле.

Лучшие умы мира, вложившие много труда в исследование тайн строения атома, теперь, когда их самые смелые мечты были осуществлены, с ужасом увидели, что их открытия направлены против человечества, сеют страх, несут разрушения и гибель.

Первым раздался голос величайшего физика-теоретика нашего века Альберта Эйнштейна. По его инициативе, горячо поддержанной английским философом Бертраном Расселом и французским физиком Фредериком Жолио-Кюри, был опубликован манифест. Этот документ вошел в историю как призыв Рассела-Эйнштейна, предупреждавший мир о нависшей над человечеством опасности от возможного использования атомной энергии в военных целях.

"В трагической ситуации, вставшей перед человечеством, - начинался этот манифест, - мы чувствуем, что ученые должны встретиться, чтобы оценить ту опасность, которая возникла в результате создания оружия массового разрушения... Мы говорим об этом не как представители той или иной нации, континента, вероучения, а как люди, представители человечества... Мы хотим научиться думать по-новому. Мы хотим спросить себя, не какие шаги нужно предпринять, чтобы обеспечить военную победу одной стороны над другой, а какие шаги необходимы, чтобы предупредить войну, несущую гибель обеим сторонам! .." (Манифест Рассела - Эйнштейна в кн.: Rotblat I. Pugwash. Изд-во АН ЧССР, 1967, с. 77.)

Под призывом Рассела-Эйнштейна стоят подписи лауреатов Нобелевской премии М. Борна, Ф. Жолио-Кюри, Л. Поллинга и других. Манифест кончается призывом заключить соглашения между Западом и Востоком, смягчающие политическую напряженность, исключить ядерное оружие как средство решения конфликтов.

Я привел выдержки из манифеста потому, что сейчас, 20 лет спустя, они звучат с новой силой в связи с протестом передовой общественности против нейтронной бомбы, этого нового варварского оружия массового уничтожения людей, применение которого грозит гибелью цивилизации.

В августе 1955 г. в Лондоне состоялась первая встреча советских ученых с учеными Запада, на которой было принято решение о созыве международной встречи ученых, направленной против испытания ядерного оружия, против подготовки ядерной войны. Такая встреча состоялась в Канаде, в рыбацком поселке Пагуош (Новая Шотландия). Так началось сейчас уже всемирно известное движение ученых - Пагуошские встречи, направленные на поиски приемлемых решений для смягчения напряженности международной обстановки и предупреждения ядерных конфликтов.

Отражая настроения широкой общественности, Генеральная Ассамблея Организации Объединенных Наций в 1955 г. постановила включить в повестку дня своей десятой сессии пункт, озаглавленный "Действие атомной радиации". 3 декабря 1955 г. была принята резолюция об учреждении Научного комитета ООН по действию атомной радиации (НКДАР) в составе ученых из 15 стран. Генеральная Ассамблея поручила комитету собрать все данные о радиологической обстановке в мире, определить уровни излучений и радионуклидов в окружающей среде, изучить действие ионизирующих излучений на человека и оценить опасность для человечества от всех имеющихся и возникающих вновь источников радиации.

Советский Союз в НКДАР представлял с 1956 г. крупный физиолог и радиобиолог А. В. Лебединский, а с 1960 г. до наших дней - автор этой книги. Научные доклады комитета, представляемые через каждые 2-4 года Генеральной Ассамблее ООН, - ценнейшие научные сводки и отражение взглядов крупнейших ученых мира, специалистов по этим вопросам.

Что же реально происходит при взрывах атомных и водородных бомб в атмосфере, на поверхности Земли или под водой? Во время взрыва в результате достижения критической массы ядерного горючего (уран-235, плуто-ний-239) идет распад атомных ядер (реакция деления) с образованием многочисленных радионуклидов с различным временем полураспада. Ниже представлен перечень этих радионуклидов, если не упоминать те из них, у которых время полураспада меньше пяти суток (табл. 8).

Таблица 8. Основные радионуклиды, образующиеся в результате деления урана-235 или плутония-239

В момент взрыва образуется мощный поток высокоэнергетичных нейтронов (как и при взрыве нейтронной бомбы). Под их воздействием возникают радиоактивные вещества из материалов оболочки бомбы, а если взрыв осуществлен на поверхности Земли, то и из элементов почвы и земных пород, из элементов атмосферы и воды (так называемая наведенная радиоактивность).

Из них наиболее опасны с точки зрения облучения биосферы длительно живущие изотопы кобальт-60 (в. п. 5 лет), тритий (в. п. 12,4 лет), марганец-54 (в. п. 310 дней).

Все радионуклиды при высокой температуре взрыва (2-3 млн. градусов) находятся в газообразном состоянии и выбрасываются с грибообразным облаком в верхние слои атмосферы - стратосферу. Здесь при быстром охлаждении происходит конденсация радионуклидов в аэрозоли различного диаметра. Благодаря воздушным течениям (в основном с востока на запад) массы воздуха, содержащие радиоактивные аэрозоли, довольно быстро распространяются в широтном направлении с востока на запад и в течение месяца относительно равномерно распределяются вокруг всего земного шара. Одновременно, но более медленно идет диффузия аэрозолей в сторону полюсов. Благодаря продолжающейся конденсации аэрозольных частиц под влиянием земного притяжения они будут постепенно снижаться и в средних широтах поступать в тропосферу - нижнюю часть атмосферы. В тропосфере радиоактивные аэрозоли вовлекаются в конденсирующиеся водяные пары и вместе с осадками (дождем, снегом) выпадают на поверхность Земли (радиоактивные осадки). При сухом климате осаждение аэрозолей происходит несколько медленнее. Исследования, проведенные с использованием аэростатных зондов и авиации, позволили определить скорости миграции радионуклидов. Время их пребывания в стратосфере составляет от 6 месяцев до года, а в тропосфере - от 3 до 6 месяцев. Таким образом, вся поступившая в атмосферу радиоактивность в течение одного-двух лет после взрыва оседает на поверхности Земли и океанов. При этом основная масса (до 80%) выпадает в том полушарии, в котором был осуществлен взрыв.

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)

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.

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

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!

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.

G 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 севегном 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. 10.

Таблица 10. Суммарные средние дозы, полученные критическими тканями человека от радионуклидов в результате ядерных испытаний, проведенных до 1976 г., мрад

Из приведенных цифр видно, что в среднем человечество получило за 20 лет ядерных испытаний дозу, примерно в два раза большую, чем оно получает ежегодно за счет естественного фона радиации. Для отдельных районов эти цифры могут быть в 5-8 раз больше (например, для Крайнего Севера за счет цезия-137). Следует подчеркнуть, что пока они сопоставимы с естественным фоном радиации и повышают его средние величины даже в наиболее загрязненных районах не более чем на 30- 50%. Если же вспомним, что естественный фон радиации отклоняется от средних величин в различных областях Земли на 300-600%, то будет ясно, что пока ядерные взрывы не вывели на нашей планете радиоактивный фон за пределы его естественного колебания. Это важно иметь в виду.