lewy róg Logo Instytutu Fizyki UMCS niemożliwe możliwym! Logo Instytutu Fizyki UMCS prawy róg

Strona główna » Radioaktywność » Informacje o radioaktywności

Promieniotwórczość w środowisku naturalnym

Zjawisko promieniotwórczości (radioaktywności) polega na spontanicznych przemianach niestabilnych jąder atomowych (radionuklidów) i emisji promieniowania jądrowego, głównie α, β i γ. Jest to własność materii od czasu powstania jąder atomowych. Promieniowanie jądrowe działa więc na człowieka od zarania jego dziejów podobnie, jak promieniowanie kosmiczne, dochodzące stale z przestrzeni międzygwiezdnej i ze Słońca.

Obecnie, w naturalnym środowisku ziemskim występuje w różnym stężeniu [1]:

  • 29 radionuklidów pochodzenia geologicznego (utworzonych przy formowaniu się Układu Słonecznego) o okresie połowicznego zaniku porównywalnym z wiekiem Ziemi (4,5 mld lat). Wśród nich izotopy: potasu K-40, rubidu Rb-87, toru Th-232, uranu U-238 i 235 i in.
  • 43 radionuklidów pochodnych z naturalnych szeregów promieniotwórczych U-235, U-238 i Th-232, m.in. izotopy: radu Ra-226, radonu Rn-222, ołowiu Pb-214, bizmutu Bi-214, talu Ta-208.
  • Ponad 30 radionuklidów (dwudziestu kilku pierwiastków) od H-3 do Bi-205, w tym 25 nuklidów o okresie połowicznego zaniku dłuższym niż 1 miesiąc, a 15 radionuklidów dłuższym niż 1 rok, wytwarzanych w oddziaływaniu pierwotnego promieniowania kosmicznego z atmosferą. Są one najczęściej wytwarzane w sposób ciągły w reakcjach w reakcjach jądrowych wysokoenergetycznych cząstek (p, n, α) tego promieniowania z jądrami atomów atmosferycznych. Tak powstają m.in. izotopy: węgla C-14, trytu H-3, berylu Be-7 i in. Śladowe ilości tych izotopów przychodzą wprost z Kosmosu.

Niektóre z nich znajdują się, w śladowych ilościach, również w człowieku: C-14 i K-40, we wszystkich tkankach, Pu-239 i Sr-90 - w kościach, U-238(235) - w nerkach, J-131 - w tarczycy. Trafiają tam z otaczającego środowiska głównie drogą oddechową i pokarmową. Naturalne radionuklidy są więc wszechobecne na Ziemi. Ich promieniowanie wraz z promieniowaniem kosmicznym tworzy naturalne tło promieniowania jonizującego działającego stale na człowieka.

Rozkład zawartości poszczególnych radionuklidów w naturalnym środowisku ziemskim nie jest jednorodny. W niektórych miejscach (komponentach środowiska) jest ona anomalnie duża, przekraczając wartości średnie nawet wieleset razy. Dla scharakteryzowania natężenia promieniowania jądrowego i zawartości poszczególnych radionuklidów podaje się ich aktywność, wyrażaną w bekerelach (Bq = 1 rozpad/s), w jednostkowej masie (objętości) danego ośrodka.

Przeciętna całkowita aktywność ciała człowieka wynosi ok. 100 Bq/kg. Typowe aktywności najczęściej spotykanych radionuklidów w glebach Polski: U-238, zawierają się w przedziale 4,8 - 118 Bq/kg (średnio 26 Bq/kg), Th-228 - w przedziale 3,6 - 77 Bq/kg (średnio 21 Bq/kg), K-40 - w przedziale 111 - 967 Bq/kg (średnio 413 Bq/kg). Średnia aktywność Rn-222 w powietrzu przy ziemi wynosi ok. 4,4 Bq/m3, ale w parterowych zabudowaniach może przekraczać 200 Bq/m3.

Działalność człowieka związana z wydobyciem i przeróbką kopalin, spalaniem węgla, energetyką jądrową, wybuchami jądrowymi itp. powoduje redystrybucję naturalnych radionuklidów i podwyższenie poziomu tła naturalnego, zwłaszcza w wymiarze lokalnym. W następstwie spalania w Polsce ok. 150 mln ton węgla kamiennego rocznie do środowiska trafia ok. 150 ton promieniotwórczego uranu i 300 ton promieniotwórczego toru. Gromadzą się one głównie w popiołach, skąd przedostają się do wód gruntowych i do gleby. Są również uwalniane bezpośrednio do atmosfery wraz z dymem i kurzem. Aktywność takich popiołów może przekraczać nawet 2000 Bq/kg.

W sytuacjach krytycznych takich, jak awarie reaktorów jądrowych, awarie przy składowaniu i przeróbce odpadów promieniotwórczych, i paliwa jądrowego, awarie urządzeń wykorzystujących radionuklidy o bardzo dużych aktywnościach itp., może wystąpić lokalnie, groźne dla zdrowia człowieka, podwyższenie poziomu promieniowania jądrowego, nazywane skażeniem promieniotwórczym ośrodka (powietrza, wody, gleby). Taka sytuacja wymaga podejmowania odpowiednich działań ratowniczych, których powodzenie zależy od szybkiego wykrycia skażenia, ustalenia jego poziomu i źródeł. Informacje te uzyskuje się monitorując promieniowanie jonizujące naturalnego tła w sposób ciągły i w różnych miejscach zagrożonego terytorium.

Skutki biologiczne występujące przy napromieniowaniu żywych organizmów ocenia się na podstawie tzw. dawki skutecznej, pochłoniętej w ustalonym przedziale czasowym Δt, wyrażanej obecnie w siwertach (Sv). Zwyczajowo w przypadku brania pod uwagę czasów Δt do godziny mówimy o mocy dawki skutecznej, a przy dłuższych przedziałach czasowych podajemy dawkę, z zaznaczeniem okresu w którym może być ona otrzymana. Jej miarą jest wartość pochłoniętej przez 1kg masy tkanki danego organizmu energii promieniowania (dawka pochłonięta, w grejach: 1 Gy = J/kg) pomnożonej przez współczynnik wagowy wR danego rodzaju promieniowania (dawka równoważna: Sv) i współczynnik promieniowrażliwości wT wyróżnionego organu na pochłoniętą energię (dawka skuteczna, w Sv). Najbardziej szkodliwe jest promieniowanie α radionuklidów wdychanych (np. gazowego Rn-222) o współczynniku wR = 20 i promieniowanie neutronowe, którego wR w zależności od energii neutronów ma wartości w zakresie od 5 do 20. Promieniowanie β i γ charakteryzuje wR = 1. Najbardziej wrażliwe na promieniowanie jonizujące są komórki szybko namnażające się, np. komórki gonad, dla których wT = 0,20. Wartości wT dla innych tkanek i narządów podane są w tabeli 1.

Tabela 1. Wartości czynnika wagowego tkanki (narządu) [1]

Tkanka (narząd) TCzynnik wagowy tkanki (narządu) wT
Gonady0,20
Czerwony szpik kostny0,12
Jelito grube0,12
Płuca0,12
Żołądek0,12
Pęcherz moczowy0,05
Gruczoły piersiowe0,05
Wątroba0,05
Przełyk0,05
Tarczyca0,05
Skóra0,01
Powierzchnia kości0,01
Pozostałe0,05
Razem1,00

Średnia roczna dawka skuteczna od promieniowania jonizującego, przypadająca na statystycznego mieszkańca Polski, wynosi ok. 3,5 mSv. Około 75% tej dawki pochodzi od promieniowania radionuklidów naturalnych, głównie Rn-222, a tylko ok. 25% od źródeł wytworzonych sztucznie, przede wszystkim dla diagnostyki i terapii medycznej (tabela 2).

Tabela 2. Średnie dawki roczne w Polsce od głównych źródeł promieniowania jonizującego [2]

Źródło promieniowaniaDawka (mSv/rok)% dawki całk.
NATURALNE(łącznie):2,5873,6
  • promieniowanie kosmiczne
  • 0,3911,1
  • radionuklidy w człowieku (Rn-222, K-40 i in.)
  • 1,7349,4
  • radionuklidy w glebie (K-40, pochodne U i Th i in.)
  • 0,4613,1
    SZTUCZNE (łącznie)0,9126,1
  • medycyna
  • 0,7822,3
  • przemysł i energ. jądrowa
  • 0,103,0
  • próby jądrowe i awaria w Czarnobylu
  • 0,030,7
    Średnia dawka całkowita3,599,7

    Przyjmuje się, że szkodliwy wpływ napromieniowania na zdrowie człowieka w postaci skutków deterministycznych można zaobserwować po przekroczeniu dawki progowej 200 mSv, pochłoniętej jednorazowo (w krótkim okresie czasu). Następuje wtedy zniszczenie na tyle dużej liczby komórek, że funkcjonowanie niektórych organów człowieka może ulec wyraźnemu zaburzeniu.

    Jednorazowa dawka śmiertelna LD3050 , powodująca chorobę popromienną i po 30 dniach zgon 50% napromieniowanej populacji, oceniana jest na 4-6 Sv. Ustalenie szkodliwości małych dawek (podprogowych), porównywalnych z dawką od tła naturalnego, na tle wielu innych przyczyn wywołujących podobne skutki jest praktycznie niemożliwe. Można jednak przypuszczać, że jest ona znikoma, gdyż żywe komórki mają naturalną zdolność regeneracji niewielkich uszkodzeń radiacyjnych, którą nabyły, zapewne, obcując z promieniowaniem naturalnym przez tysiące lat. Uważa się nawet, że małe dawki mogą być pożyteczne dla organizmu człowieka (hormeza radiacyjna). Np. wody lecznicze w uzdrowiskach Lądka Zdroju zawierają Rn-222 o aktywności sięgającej 2500 Bq/l.

    Wg obowiązujących w Polsce przepisów [1] dopuszczalna dawka skuteczna, na całe ciało od promieniowania z innych źródeł niż naturalne, wynosi 1mSv/rok dla ogółu ludności i 20mSv/rok dla osób narażonych na promieniowanie jonizujące zawodowo. Systematyczne badanie radioaktywności w środowisku i monitorowanie skażeń promieniotwórczych należy do zadań specjalnych służb ochrony radiologicznej, których stacje pomiarowe rozmieszczone są w wielu miejscach naszego kraju.

    Promieniowanie rejestrowane przez nasz monitor

    Detektor naszego układu monitorującego, zainstalowany jest na dachu 10. piętrowego budynku IF UMCS. Jest to detektor scyntylacyjny NAJ(Tl), który rejestruje kwanty γ o energii przewyższającej 100 keV oraz cząstki naładowane promieniowania kosmicznego, przenikające przez metalową obudowę detektora.

    Zasięg promieniowania γ w powietrzu, w zależności od energii, wynosi od kilku do kilkuset metrów. Do naszego monitora dociera więc promieniowanie γ nawet z odległych żródeł. W warunkach naturalnych najbliższe z nich to naturalne radionuklidy znajdujące się:

    • w powietrzu w aerozolach, a więc pochodzące z gleby (pyły), spalania węgla (dymy), wody (para) oraz z rozpadu gazowego Rn-222;
    • w materiałach budowlanych dachów i ścian najbliższych budynków.

    W obydwu przypadkach promieniowanie γ o największym natężeniu pochodzi z rozpadu, wszechobecnego w skorupie ziemskiej, izotopu K-40 i radionuklidów takich, jak Ra-226, Pb-214, Bi-214, Po-208, należących do rodzin promieniotwórczych U i Th. Każdy z nich emituje promieniowanie (kwanty) γ o charakterystycznej energii i określonym stosunku natężeń, co pozwala identyfikować radionuklidy i ich aktywność na podstawie pomiaru zależności liczby kwantów zarejestrowanych przez detektor od ich energii, nazywanej widmem energetycznym danego promieniowania. Nasz układ pomiarowy (spektrometr) mierzy widmo energetyczne promieniowania γ w zakresie energii od ok. 100 keV do ok. 16 MeV. Po każdym 1. godzinnym pomiarze uzyskane wyniki przesyłane są przez lokalną sieć komputerową do internetowego serwera UMCS, gdzie, na bieżąco, oblicza się w przedziale godzinowym, a następnie dobowym:

    • liczbę wszystkich cząstek zarejestrowanych przez detektor i jej procentowe zmiany względem wartości średniej;
    • procentowe zmiany względem wartości średnich liczby wybranych kwantów γ izotopów: K-40 (γ1461 keV), Bi-214 (γ1764 keV) i Tl-208 (γ2615 keV);
    • procentowe zmiany, względem wartości średniej, liczby zarejestrowanych cząstek promieniowania kosmicznego (e, μ, γ i in.), które przekazują detektorowi energię większą niż 3 MeV;
    • liczby kwantów γ izotopów J-131 (γ365 keV) i Cs-137 (γ662 keV) pochodzących od ewentualnych zanieczyszczeń promieniotwórczych w powietrzu oraz zmiany tych liczb z pomiaru na pomiar.

    Wyniki z kolejnych przedziałów godzinowych przedstawiane są na wykresach obejmujących 7 dób, a z przedziałów dobowych, na wykresach 30. dobowych. Wcześniejsze dane w dowolnie wybranej konfiguracji czasowej są dostępne w części Radioaktywność - dane archiwalne. Pod każdym wykresem, zamieszczona jest tabela, w której podane są ostatnie dane i ich porównanie z odpowiednią wartością średnią (7. dobową lub 30. dobową).

    Zaznaczony, na wykresie 1, poziom średni (linia niebieska) ustalany jest na podstawie danych ze wszystkich wcześniejszych naszych pomiarów. Odpowiada on mocy dawki promieniowania rejestrowanego przez nasz detektor, wynoszącej ok. 0,24 μSv/h, oszacowanej za pomocą dozymetru typu RKP-2. Poziom anomalny, zaznaczony linią czerwoną, jest poziomem umownym oznaczającym oczekiwaną, całkowitą liczbę zliczeń w ciągu 1. godziny przy wzroście mocy dawki promieniowania γ o 0,11 μSv/h (wartość średnia wynikająca z rocznej dawki dopuszczalnej 1 mSv/rok).

    Monitoring skażenia promieniotwórczego

    Niewielkie i krótkotrwałe przekroczenie poziomu anomalnego w wyniku procesów naturalnych nie oznacza jeszcze przekroczenia dawki dopuszczalnej. Dopiero zrównanie się rocznego poziomu średniego z poziomem anomalnym świadczy o przekroczeniu tej dawki.

    Naturalne fluktuacje całkowitej liczby zliczeń (natężenia monitorowanego promieniowania), obserwowane w poprzednim roku, tylko sporadycznie przekraczały ten poziom. Największe z nich związane były z fluktuacjami natężenia promieniowania γ Bi-214 (i Pb-214), które w pomiarach godzinnych przekraczały nawet 200%. Występowały one głównie latem w czasie opadów deszczu po dłuższych okresach suchych. Co może być interpretowane jako wynik wypłukiwania przez krople deszczu, z wyższych warstw powietrza, aerozoli zawierających produkty rozpadu Rn-222 i przenoszenia ich w obszar detektora.

    Po zarejestrowaniu anomalnego wzrostu całkowitej liczby zliczeń, nawet tylko w pojedynczym godzinnym pomiarze, nad tabelą 1 generowany jest ostrzegający napis PODWYŻSZONY POZIOM PROMIENIOWANIA. Równoczesne wykrycie monitorowanych kwantów γ J-131 lub Cs-137 o energii, odpowiednio, 365keV i 662keV interpretowane jest jako wynik wystąpienia skażenia promieniotwórczego powietrza, w otoczeniu detektora, produktami rozszczepienia ciężkich jąder atomowych (następstwa awarii reaktorów atomowych, wybuchów jądrowych itp.). Informuje o tym nowe ostrzeżenie SKAŻENIE PROMIENIOTWÓRCZE oraz dodatkowo, w tabeli 2, liczba zarejestrowanych kwantów γ obu radionuklidów oraz jej procentowe zmiany w dwóch kolejnych pomiarach, świadczące o stopniu skażenia i dynamice jego zmian.

    1. Rozporządzenie Rady Ministrów w sprawie dawek granicznych promieniowania jonizującego (Dz. U, Nr 20, poz. 168 z 2005 r.)
    2. L. Dobrzyński, E. Droste, W. Trojanowski, R. Wołkiewicz "Spotkanie z promieniotwórczością", IPJ w Świerku, maj 2005 r.