Естественный радиационный фон

Радиоактивность и геоистория

Естественный радиационный фон присутствовал на Земле на всех этапах ее формирования. Он был задолго до того, как появилась жизнь, а затем и биосфера. Радиоактивность и сопровождающие ее ионизирующие излучения явились фактором, оказавшим влияние на современное состояние биосферы, эволюцию Земли, жизнь на Земле и элементный состав Солнечной системы. Любой организм подвергается воздействию характерного для данной местности радиационного фона. До 1940;х гг. он был обусловлен двумя факторами: распадом радионуклидов естественного происхождения, находящихся как в среде обитания данного организма, так и в самом организме и космическими лучами.

Что касается радиоактивного распада, то вся энергия, за вычетом энергии, уносимой нейтрино, переходит в конечном счете в тепловую энергию атомов и молекул и является одной из трех составляющих энергии^[1], запасенной внутри Земли. Эта энергия определяет температуру внутренних областей Земли на всех стадиях ее эволюции. После того, как образовалось жидкое ядро Земли, в нем возникли электрические токи, которые, видимо, генерируют магнитное поле Земли.

Из примордиальных радионуклидов главными источниками тепловыделения являются: семейства ²³²Th, ²³⁵U, ²³⁸U, а также ⁴⁰К и ⁸⁷Rb. На начальном этапе эволюции Земли определяющую роль играли более короткоживущие изотопы.

В ходе процессов дифференциации малораспространенные элементы концентрировались, вероятно, в жидких растворах в мантии, а затем выносились вверх и оказывались в конечном счете в земной коре. Это приводило к тому, что мантия становилась относительно обедненной, а кора — обогащенной такими элементами. Характерным примером являются уран и торий, количество которых в земной коре и прилегающей части мантии достаточно для объяснения современного теплового потока из недр Земли наружу.

Концентрация урана и тория в верхней части континентальной коры больше, чем в нижней. Так, для урана концентрация в нижней части коры составляет 0,7 млн^-1, а в верхней — 2,0 млн^-1, при средней концентрации 1,7 млн^¹. Радионуклиды, оказавшиеся в самом верхнем слое континентальной земной коры, определяют, в первую очередь, естественный радиационный фон (ЕРФ) на суше. Те, которые находятся в океанической земной коре, определяют, в основном, содержание радионуклидов в морской воде. Распространенность элементов в земной коре представлена на рис. 6.1. Горизонтальная прямая, соответствующая содержанию урана в земной коре, делит все элементы на две примерно равные группы: более распространенные, чем уран, и менее распространенные.

Рис. 6.1. Распространенность химических элементов в земной коре.

Что касается космических лучей (КЛ), то — это поток ионизирующих частиц высокой энергии, в основном протонов, приходящих к Земле из космического пространства. КЛ на верхней границе атмосферы называют первичным космическим излучением, а то излучение, которое регистрируется на уровне Земли — вторичным.

Практически с момента открытия космических лучей (1912 г.), считалось, что они приходят на Землю со всех сторон. Поэтому они не имеют никакого отношения к Солнцу, тем более, что сведения об излучении Солнца тогда, практически, ограничивались видимым диапазоном длин волн. Только в 1942 г. С. Форбуш обнаружил, что Солнце испускает и ускоренные частицы, т. е. протоны, способные оказывать воздействие на нашу атмосферу и, в принципе, не отличимые от протонов, наблюдаемых в космических лучах, приходящих из других направлений. Затем в 1950;е гг. был обнаружен солнечный ветер.

Космические лучи, приходящие из межзвездного пространства от источников, расположенных в основном в пределах нашей Галактики получили название галактические КЛ (ГКЛ), хотя самые энергичные частицы имеют, видимо, внегалактическое происхождение — это метагалактические КЛ. Космические лучи, приходящие от Солнца, стали называть солнечными КЛ (СКЛ). Представление об этих двух вкладах в ЕРФ дает рис. 6.2.

Как это может показаться ни странным, однако радионуклиды, оказавшиеся внутри Земли, также влияют на ЕРФ, но косвенно. Энергия их распада поддерживает работу внутри Земли «динамо-машины», генерирующей геомагнитное поле. Оно, вместе с межпланетным магнитным полем (ММП), источником которого является Солнце, создают вокруг Земли магнитосферу. Последняя определяет траектории заряженных частиц, приближающихся к Земле. При этом возможны три ситуации: частицы будут отклонены и уйдут в космическое пространство, не провзаимодействовав с атмосферой Земли, их траектории изменятся так, что они, отклонившись, все же попадут в атмосферу и, наконец, они могут на достаточно длительный срок быть захваченными на квазистационарные орбиты и начать вращаться вокруг Земли в радиационном поясе.

Рис. 6.2. Источники естественного радиационного фона:

ГКЛ и СКЛ — галактические и солнечные космические лучи; ВКИ — вторичное космическое излучение Электроны и положительно заряженные частицы, захваченные на квазистационарные орбиты, дрейфуют в противоположных направлениях. При любом из этих двух дрейфов движение электрических зарядов эквивалентно электрическому току, текущему вокруг Земли в западном направлении. Раньше обычно выделяли внутренний и внешний радиационные пояса Земли и, кроме того, говорили о поясе протонов малых энергий (пояс кольцевого тока) и зоне квазизахвата частиц. Существование внутреннего пояса не вызывает сомнений, а все остальное часто рассматривается как кольцевой ток, который может почти полностью исчезать во время минимумов солнечной активности.

Внутренний радиационный пояс обязан своим существованием высокой стабильности орбит. Максимум потока находится на высоте ~1000 км и обусловлен протонами — продуктами взаимодействия космических лучей с атомами атмосферы^[2]. Аккумуляция частиц происходит медленно, но поскольку захват частиц здесь очень стабильный, то достигается довольно большой поток частиц. Протоны во внутреннем поясе имеют энергии в диапазоне 10—100 МэВ, т. е. обладают большой проникающей способностью. Поэтому принимаются все меры, чтобы космонавты не находились в его пределах. Во внутреннем поясе присутствует также некоторое количество электронов с энергиями от 20—40 кэВ до 1 МэВ. На нижней границе внутреннего пояса (на высотах 200−300 км) частицы, испытывая частые столкновения с атомами и молекулами атмосферных газов, теряют свою энергию, рассеиваются и поглощаются атмосферой.

Как известно, Солнце является источником солнечного ветра — непрерывного потока плазмы, распространяющегося приблизительно радиально от Солнца и заполняющего Солнечную систему до гелиоцентрических расстояний R —100 а. е. Приближающийся к Земле солнечный ветер состоит в основном из протонов и электронов (концентрация частиц —10⁷ м~³, Т — 10⁵ К), двигающихся со скоростью несколько сотен километров в секунду. В окрестности Земли, где напряженность магнитного поля Земли больше напряженности ММП, этот солнечный ветер, будучи хорошим проводником, не может проникнуть в геомагнитное поле. Если бы поля не было, то редко происходящие сверхмощные вспышки на Солнце, порождающие особенно сильные потоки солнечного ветра, могли бы просто сдуть нашу атмосферу.

Насколько изменчив уровень ЕРФ? Его величина изменяется на планете от места к месту примерно в 3 раза. Однако местами поля ионизирующих излучений могут быть в 10 больше среднего значения, а локально — даже в сотни раз.

Сложнее обстоит дело с временной зависимостью. Что касается радионуклидов, то вначале, когда еще не появились сине-зеленные водоросли, эта компонента ЕРФ более чем в 10 раз превосходила современные ее значения и существенный вклад в нее вносили радионуклиды с периодом полураспада —10 млн лет. Постепенно радионуклиды распадались, и к началу Кембрийского периода все радионуклиды с периодом полураспада до 100 млн лет практически распались. С тех пор доминирующими факторами естественного фона стали ⁴⁰К, а также ²³²Th и ²³⁸U вместе с продуктами их распада.

Что касается космических лучей, то здесь особо следует сказать о у-лучах. Если геомагнитное поле в той или иной мере экранирует нас от заряженных частиц, приближающихся к Земле, то на у-лучи оно оказывать влияние не может. Вообще говоря, эта компонента вносит очень малый вклад в дозу, получаемую биотой. Однако с 1990;х гг. она привлекает к себе значительное внимание ученых. Причин две: во-первых, регистрация жестких у-лучей позволяет обнаруживать далекие источники высокоэнергетического космического излучения; во-вторых, потоки у-лучей, возникающие при вспышках сверхновых, могут оказать очень существенное воздействие на биосферу.

Такие события фиксируются в тех случаях, когда в слоях осадков с хорошей датировкой удается обнаружить радионуклиды ⁶⁰Fe, имеющего период полураспада 1,5−10⁶ лет. Единственными известными источниками происхождения таких радионуклидов являются взрывы сверхновых. Если такое событие произошло бы на расстоянии менее 100 световых лет, то поток у-лучей мог бы, например, повредить атмосферу, разрушив озоновый слой.

Имеются доказательства того, что —2—3 млн лет тому назад в результате такого события, произошедшего на расстоянии ~130 световых лет, случилось массовое вымирание на Земле, особенно это коснулось морской флоры, где погибла основная масса планктона, что повлияло на всех планктоноядных и сказалось на всех трофических цепях. Возрастание интенсивности космического у-излучения может привести и к похолоданию в результате увеличения облачности в течение длительного периода, измеряемого тысячами лет.

Многочисленные химические реакции в атмосфере, инициированные вспышкой у-излучения, стимулировали образование оксида азота и, как следствие, кислотные дожди. Предполагается, что в конце ордовикского периода —440 млн лет назад, когда произошло одно из массовых вымираний и похолоданий, такие дожди привели к удобрению верхнего покрова Земли нитратами, и это способствовало затем колонизации суши растениями. Таким образом, в прошлом вспышки космического у-излучения могли оказывать существенное влияние на биосферу. Однако известно, что на расстояниях —150 световых лет от нас нет ни одного объекта, который бы мог превратиться в сверхновую и оказать катастрофическое влияние на биосферу.

Интенсивность космического излучения, конечно, переменна, но если ее усреднять по периоду — 1 года или более, то значительных изменений мы не обнаруживаем. Магнитное поле действует так, что во время максимумов солнечной активности интенсивность ГКЛ минимальна. Доля СКЛ заметно возрастает после мощных солнечных вспышек и становится очень существенной сразу после коронарных выбросов массы.

• [1] Двумя другими являются: энергия, запасенная в результате процесса аккреции, и энергия, выделившаяся при перераспределении вещества внутри планеты, например, за счет разделения мантии и ядра.
• [2] Количество энергии, получаемой Землей от космического излучения, сравнимос энергией, получаемой от света звезд.