Особенности идентификации радиоактивных локальных выпадений в условиях горных ландшафтов

Локальные выпадения продуктов деления ядерного взрыва , составляющие от 50 до 80% ото всех образовавшихся в момент взрыва радио активных частиц , распространяются на расстояния до нескольких сотен километров . Исследования последствий ядерных взрывов на испытательном полигоне Невада показали , что локальный след выпадения ⁹⁰Sr протянулся на расстояние до 1100 км [1].

В 90- е годы плотность загрязнения земной по верхности ¹³⁷Cs в пределах от 170 до 190 мКи / км ² была выявлена на удалении 10-20 км от испыта тельного полигона Невада с дальнейшим сниже нием до 70-100 мКи / км ². Отношение ¹³⁷Cs/⁹⁰Sr из менялось при этом от 0.7 до 1.7 [2].

Формирование радиоактивного следа зависит в первую очередь от метеорологических условий , а именно от послойной динамики атмосферы ( ско рости и направления ветра на различных высотах ) на пути распространения и разветвления радиа ционного облака [3, 4], а также от наличия и ин тенсивности осадков .

Важно отметить , что выпадение крупных ра диоактивных частиц происходит непосредственно из воздуха при прохождении облака , более мелкие частицы выпадают на поверхность земли с атмо сферными осадками [5].

По результатам исследований , выполненных в США в 1955 г ., установлено , что около 30% всех частиц диаметром 10 мкм вымываются при интен сивности атмосферных осадков 1 мм / ч в течение 15 минут , образуя локальные пятна загрязне ний [6].

Одной из ключевых задач в реконструкции радиационной обстановки, сформировавшейся на территории Республики Алтай, Алтайского края и других регионов в период ядерных испытаний на Семипалатинском испытательном полигоне (СИП), является выявление локальных выпадений 137Cs, т.е. их выделение из глобальных. Трудности заключаются в том, что по мере удаления от места взрыва плотность локальных выпадений приближается к плотности глобальных и обнаружение первых представляет большую сложность из-за схожести тех и других по радионуклидному соста- ву. К тому же выявление локальных выпадений по истечении 40-50 лет после испытаний затруднено вследствие распада 137Cs и его миграции в почве.

В соответствии с данными , приведенными в [7], средняя величина глобальных выпадений на тер ритории Алтайского края составляет 50 мКи / км ² со среднеквадратическим отклонением 10 мКи / км ².

Изучение территорий Алтайского края и Но восибирской области в 1991-95 годах показало , что для многих районов на этих территориях гло бальный уровень выпадения ¹³⁷Cs составляет 57 мКи / км ² [8].

Данные других авторов об уровнях глобальных выпадений на территории Алтайского края удов летворительно согласуются с приведенным значе нием . Так , в работе [9] указывается , что для тер ритории Алтайского края глобальные выпадения могут составлять 60 мКи / км ². Анализ плотности глобальных выпадений в Восточном Казахстане и Алтайском крае [10] показывает , что среднее зна чение для всей выборки составляет 66 мКи / км ², а наиболее вероятная величина с учетом частотного распределения значений плотности выпадений составляет 58 мКи / км ², что соответствует уровню глобального фона для средних широт [11].

Все приведенные величины совпадают с уров нем глобальных выпадений , рассчитанного с уче том механизма выпадения радионуклидов и ли нейной зависимости запаса ¹³⁷Cs от интенсивности атмосферных осадков . Этот запас составил для всей территории Алтайского края 59.8 ± 8.0 [12].

Проблема обнаружения локальных радиоак тивных выпадений после конкретных ядерных взрывов в атмосфере , имевших место в со роковые - шестидесятые годы , возникла в связи с попытками реконструкции доз облучения населе ния на территориях Алтайского края и Республики Алтай . При этом архивные данные о мощностях доз и плотностях загрязнения территорий коротко живущими радионуклидами по различным при чинам отсутствовали или оказались неполными .

Расчеты распространения радиоактивных про дуктов и в настоящее время позволяют лишь вы делить районы , для которых было возможно за грязнение территории и облучение населения по сле взрывов . Поэтому для территорий Алтайского края и Республики Алтай были сделаны попытки использовать для обнаружения на местности сле дов конкретных ядерных взрывов , и в первую оче редь взрыва 29 августа 1949 года , следующие подходы :

• 1.    Использование архивных материалов гео логических экспедиций об их работе в период про ведения ядерных взрывов , свидетельствующих о значительном возрастании мощности дозы α - излучения после некоторых известных взрывов .

• 2.    Анализ суточных выпадений β - активности по наблюдениям метеостанций , функционировав ших в период ядерных испытаний на указанных территориях .

• 3.    Выделение районов с повышенными уров нями загрязнения различными антропогенными радионуклидами , в первую очередь ¹³⁷Cs.

• 4.    Исследования так называемых “ трансек - тов ”, то есть отбор и измерение активности ант ропогенных радионуклидов по направлениям , пе ресекающим предполагаемые радиоактивные следы взрывов .

• 5.    Использование результатов реконструкции доз по термолюминесценции кварца и ЭПР - спектроскопии зубной эмали .

• 6.    Использование данных об активностях , от ношениях активностей или особенностях распре деления некоторых антропогенных радионуклидов , значения которых заметно отличаются от соответ ствующих значений , характерных для глобальных выпадений .

Подходы 1-4 позволили лишь подтвердить в общем - то никем и не оспариваемые факты про хождения радиоактивных облаков взрывов над территорией Алтайского края и Республики Алтай .

Исследования типа 5 могут дать ретроспектив ную оценку уровней радиационного воздействия .

И только подход 6 на основе оценки значений ^239,240Pu и отношений активностей ¹³⁷Cs/⁹⁰Sr и ^239,240Pu/¹³⁷Cs позволил экспериментально и ко личественно подтвердить наличие на этих терри ториях районов , где имеются следы локальных выпадений атмосферных ядерных взрывов . Осо бенный интерес представляет , например , об наружение в слоях донных отложений оз . Ко - лыванское ( Алтайский край ), оз . Манжерок ( Рес публика Алтай ) иоз . Белое ( Красноярский край ) максимумов активности ¹³⁷Cs, относящихся к 1949 году . Предложение [8] использовать в этих целях активности ¹⁵²Eu ( T 1/2 = 13.5 лет ) едва ли даст ка кие - либо результаты из - за небольшого выхода этого радионуклида в актах деления . Более пер спективным представляется использование актив ностей ²⁴¹Am ( продукт β - распада ²⁴¹Pu). Однако , поскольку содержание ²⁴¹Pu в материале заряда относительно невелико , а его образование из ²⁴⁰Pu во время взрыва за счет радиационного захвата нейтронов спектра деления также не даст большо го вклада ( оружейный плутоний с малым содержа нием высших изотопов !), то и в этом случае вста нет проблема обнаружения достаточно малых уро вней активностей да еще и после радиохимичес кой обработки проб .

Известно [11], что разделять локальные выпадения от глобальных можно по отношению активностей 137Cs/90Sr, которое составляет в данном широтном поясе для глобальных выпадений 1.6-1.7. Используется также и отношение 239,240Pu/137Cs. Этот методический подход вполне применим для идентификации локальных выпадений и отнесения к ним “цезиевых” пятен, обнаруживаемых на юге Западной Сибири как на территории Алтайского края, так и в Республике Алтай.

В качестве одного из критериев для этой цели , исходя из механизма глобальных выпадений , в частности , их линейной зависимости от атмосфер ных осадков , можно использовать метод корреля ционного анализа для оценки связи между интен сивностью осадков и запасами ¹³⁷Cs на какой - то определенной территории . При обнаружении вы сокой достоверной зависимости можно с уве ренностью говорить только о глобальных вы падениях на этой территории . Отсутствие такой зависимости говорит о наличии локальных выпа дений .

Помимо этого , учитывая , что пространственное распределение по территории глобального ¹³⁷Cs в почвах описывается нормальным ( логнормаль ным ) законом , следует отказаться от сравнения результатов отдельных измерений и переходить к сравнению основных параметров распределения радиоцезия в типовых ландшафтных обстановках , что является гораздо более надежным [8].

Методы исследования

Траектории радиоактивных следов ядерных взрывов реконструировали по архивным матери алам ( отчеты и фондовые материалы геоло гических и геофизических партий , отчеты Мин обороны с данными о результатах наземной и воздушной радиационной разведки , метео рологические данные Роскомгидромета и т . п .), а также расчетным методом [13]. По этим материа лам выявляли территории , на которых в различ ные периоды ядерных испытаний наблюдались повышения радиационного фона .

Исследования содержания ¹³⁷Cs в почве про водилось с учетом особенностей природных ландшафтов . Юг Западной Сибири отличается большим многообразием природных ландшафтов . Среди них выделяются равнинные и горные с рез ко различным почвообразующим субстратом , гео морфологическими и климатическими условия ми [8].

При проведении исследований принималось во внимание , что основными факторами , опре деляющими уровень содержания ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в почвах и , следовательно , информативными на загрязнение этими радионуклидами , являются [8]:

• 1.    Степень сохранности почвенного покрова .

• 2.    Положение участков целинных почв в ре льефе и степень их сохранности .

• 3.    Качество дернового слоя и радиационная емкость почв .

• 4.    Аккумуляция почвенного материала может привести к получению завышенных результатов по плотности загрязнения почв ¹³⁷Cs. К таким участ кам относятся болота , впадины между возвышен ностями , днища балок и оврагов , площадки , рас положенные в непосредственной близости от под ножия крутых склонов .

• 5.    Природные геоморфологические и меха нические барьеры .

Почвы, которые не подвергались обработке, несут наиболее объективную информацию о со- держании радионуклидов с момента их выпадения. Наилучшим образом для таких целей подходят целинные почвы. При этом следует отличать целинные почвы от залежных, то есть уже какое-то время обрабатывавшихся в сельскохозяйственных целях.

С учетом этого исследовались целинные почвы на участках , в которых заведомо отсутствует по верхностный механический перенос верхнего слоя почвы . К таким участкам относятся горизонталь ные и склоновые ( угол наклона до 10 ° ) территории . Наибольшая сохранность плотности загрязнения ¹³⁷Cs обнаруживается на плоских участках с высо кими абсолютными отметками ( вершины холмов , сопок , гор и водоразделы ). В пойменных ланд шафтах аккумуляции ¹³⁷Cs не наблюдается . Они наоборот обеднены ¹³⁷Cs из - за близости зеркал грунтовых вод и повышенного водообмена .

Участки почв с плотным и мощным дерновым слоем сохраняют ( удерживают ) ¹³⁷Cs более полно , чем с малым количеством корней и маломощным дерном . Почвы со слаборазвитым дерновым сло ем содержат невысокую остаточную плотность загрязнения ¹³⁷Cs, что объясняется низкой сорб ционной емкостью почв и степенью подверженно сти их ветровой эрозии . Кроме того , влияние вер тикальной миграции радионуклидов в почве и раз личий в их миграционных характеристиках может быть устранено за счет отбора проб на доста точной глубине . Так , исследования , проведенные на территории Алтайского края , показали , что для оценки полных запасов радионуклидов почти че рез 40 лет после их выпадения на почву прихо дится отбирать пробы на глубину до 1-1.5 м [14].

Для получения достоверных данных о наличии в регионе радиоактивных выпадений весьма пер спективно обследовать горные хребты , хотя эти результаты и не могут , видимо , в большинстве случаев быть использованы при расчете доз облу чения . В высокогорной части необходимо иссле довать почвы тундры .

Анализ отобранных проб на ¹³⁷Cs проводили с помощью метода γ - спектрометрии , а на ⁹⁰Sr - β - радиометрии после радиохимического выделения .

Плотность загрязнения пересчитывалась по формуле :

P = 0.27A ⋅ d ⋅ h, где Р - плотность загрязнения 137Cs (мКи/км2);

А - активность ¹³⁷Cs в Бк / кг ;

d - объемный вес почвы ( условно можно при нять равным 1.2 г / см ³);

h - интервал опробования , м [8].

Результаты исследований

Установлено , что из всего числа проводив шихся на СИП ядерных испытаний в атмосфере радиоактивные облака от 29 ядерных взрывов [15,

16], а по данным [17] от 40 ядерных взрывов , про ходили над Республикой Алтай и сопровождались локальными выпадениями на территории ряда ее районов . В них выявлено свыше 70 локальных , находящихся внутри изолиний в 50 мКи / м ², очагов загрязнения продуктами ядерных взрывов и более 50 пунктов , в которых наблюдались повышения уровней радиации , совпадавшие со временем проведения конкретных ядерных взрывов [18, 19]. Факты локальных выпадений на территории Рес публики Алтай были подтверждены также и ре зультатами анализа суточных выпадений β - акти - вности по наблюдениям метеостанций , функцио нировавших в период ядерных испытаний в на селенных пунктах Онгудай , Кызыл - Озек и Кош - Агач [20, 21]. Результаты анализа архивных мате риалов представлены в таблице 1.

Таблица 1

Данные , свидетельствующие о фактах локальных выпадений ядерных взрывов на территории Республики Алтай

№ пп	Дата взрыва	Тип взрыва	Тротиловый эквивалент ( кт )	Обнаружены повышение γ - фона или общей β - активности в населенных пунктах ( районах )
				повышение γ - фона	общая β - активность
1	2	3	4	5	6
1.	12.08.1953	Наземный	410.00	Иня , Усть - Кан , Кош - Агач , Чаган - Узун	Данных нет
2.	23.08.1953	Воздушный	28.00	Ташанта , Каерлык	Данных нет
3.	01.10.1954	Воздушный	0.03		Онгудай
4.	08.10.1954	Воздушный	0.80		Онгудай
5.	23.10.1954	Воздушный	63.00		Онгудай
6.	26.10.1954	Воздушный	2.80		Онгудай , Кош - Агач
7.	29.07.1955	Наземный	1.30	Туэкта	Онгудай , Кош - Агач
8.	05.08.1955	Наземный	1.20	Акташ	Онгудай , Кош - Агач
9.	22.11.1955	Воздушный	1600.00		Онгудай
10.	24.08.1956	Наземный	26.50	Курай	Кош - Агач
11.	17.11.1956	Воздушный	900.00	Майма	Данных нет
12.	03.04.1957	Воздушный	42.00	Майма	Данных нет
13.	22.03.1958	Воздушный	18.00		Онгудай , Кош - Агач
14.	04.09.1961	Воздушный	9.00	Майма	Данных нет
15.	06.09.1961	Воздушный	1.10		Кызыл - Озек
16.	09.09.1961	Наземный	0.38		Кызыл - Озек
17.	14.09.1961	Наземный	0.40		Кызыл - Озек
18.	17.09.1961	Воздушный	20-150		Кызыл - Озек , Онгудай
19.	21.09.1961	Воздушный	0.80		Кызыл - Озек , Онгудай , Кош - Агач
20.	04.10.1961	Воздушный	13.00		Кызыл - Озек , Онгудай
21.	01.11.1961	Воздушный	2.70		Онгудай
22.	03.11.1961	Воздушный	0.90		Онгудай
23.	01.08.1962	Воздушный	2.40		Кош - Агач
24.	03.08.1962	Воздушный	1.60		Кош - Агач , Онгудай , Кызыл - Озек
25.	04.08.1962	Воздушный	3.80		Кызыл - Озек
26.	07.08.1962	Наземный	9.90		Кызыл - Озек , Онгудай , Кош - Агач
27.	18.08.1962	Воздушный	7.40	Курай	Кызыл - Озек , Онгудай , Кош - Агач
28.	25.08.1962	Воздушный	0.001-20	Бертел	Данных нет
29.	31.08.1962	Воздушный	2.70		Кызыл - Озек , Онгудай
30.	25.09.1962	Наземный	7.00		Кызыл - Озек , Онгудай , Кош - Агач
31.	28.09.1962	Воздушный	1.30		Кызыл - Озек , Онгудай , Кош - Агач
32.	10.10.1962	Воздушный	9.20		Кызыл - Озек , Онгудай , Кош - Агач
33.	14.10.1962	Воздушный	0.001-20		Кызыл - Озек , Онгудай
34.	31.10.1962	Воздушный	10.00		Кош - Агач , Кызыл - Озек
35.	03.11.1962	Воздушный	4.70		Кызыл - Озек
36.	05.11.1962	Наземный	0.40		Кызыл - Озек , Онгудай , Кош - Агач
37.	11.11.1962	Наземный	0.10		Кызыл - Озек , Онгудай , Кош - Агач
38.	26.11.1962	Наземный	0.031		Онгудай
39.	01.12.1962	Воздушный	2.40		Кызыл - Озек , Онгудай , Кош - Агач
40.	15.01.1965	Взрыв на выброс	140.00		Кызыл - Озек , Онгудай , Кош - Агач

Результаты анализа суточных выпадений β - ак - тивности свидетельствуют о фактах локального загрязнения от 34 ядерных взрывов .

Исследование содержания ¹³⁷Cs проведено на значительной части территории Республики Алтай . Были обследованы Майминский , Шебалинский , Онгудайский , Усть - Коксинский , Усть - Канский , Ула - ганский и Кош - Агачский районы Республики Алтай .

В каждом населенном пункте при обследовании почв на радиоцезий отбиралось не менее 3-5 проб , при этом удаленность от населенного пункта не превышала нескольких километров . Содержа ние ⁹⁰Sr изучено в основном на территории Усть - Канского и Усть - Коксинского районов . Результаты исследований представлены на рисунках 1 и 2.

Рис . 1. Содержание ¹³⁷Cs в почвах ряда населенных пунктов Республики Алтай .

Рис . 2. Содержание ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs вблизи населенных пунктов Усть - Коксинского и Усть - Канского районов .

Обсуждение результатов исследований

Максимальные значения содержания ¹³⁷Cs в почвах на территории очагов с высоким загряз нением продуктами ядерных взрывов в 1.5-5 раз превышают уровень глобального фона , который в Республике Алтай составляет по результатам проведенных исследований 69.1 мКи / м ² со сред неквадратическим отклонением 18.5 мКи / м ², что соответствует литературным данным [15, 17-19, 22]. Эти локальные очаги загрязнения совпадают со следами выпадений продуктов деления от 22 атмосферных взрывов , рассчитанными по методи ке [13].

Отношение 137Cs/90Sr в почвах Майминского, Усть-Коксинского и Усть-Канского районов отличается от величин, характеризующих глобальные выпадения, и свидетельствует о локальном загрязнении этих территорий. При этом следует учитывать, что снижение запасов 137Cs стечением времени обусловлено в основном процессами распада, а добавками радиоцезия за счет атмосферных выпадений можно пренебречь из-за их малой величины [22].

Коэффициенты корреляции между значениями запасов всех радионуклидов в почве и суммами осадков на территории Алтайского края и Респуб лики Алтай оказались весьма невысокими ( не больше 0.5).

Сравнение основных параметров распреде ления радиоцезия в типовых ландшафтных обста новках , учитывая , что пространственное распре деление запасов глобального ¹³⁷Cs в почвах опи сывается нормальным законом , позволяет полу чить более достоверную информацию . Проведен ное на основании этого положения сопоставление содержания ¹³⁷Cs в типовых почвах ряда районов Республики Алтай позволило установить , что уро вень глобальных выпадений может несколько от личаться от полученной нами величины 69.1 ± 18.5 мКи / м ² ( таблица 2).

Таблица 2

Район ( территории )	Уровень загрязнения 137Cs, мКи / км 2
	глобальный	средний	максимальный
Усть - Коксинский	50-65 *	44	220
Усть - Канский	50-65	81	290
Кош - Агачский	50-65	62 **	97
Улаганский	50-65	73 **	136
Чуйская степь		17	30
Курайская степь		17	30

*

**

- по данным [8];

- по почвам остепненных склонов .

Уровень глобальных выпадений в ряде районов Республики Алтай

Загрязнение ¹³⁷Cs в условиях в основном хо рошо развитых почв Усть - Канского и Усть - Кок - синского районов и значительной части Ула - ганского района можно напрямую сопоставить с его запасами в почвах Алтайского края . Для Кош - Агачского и частично Улаганского районов в силу особенностей их почвенного покрова - это сложная задача . Особенно низкую радиационную емкость имеют каштановые почвы в сухостепных ланд шафтах Курайской и Чуйской котловины .

При различной радиационной емкости почв в разных ландшафтах территорий Кош - Агачского и частично Улаганского районов нельзя относить повышение запаса ¹³⁷Cs только на счет локальных выпадений [8]. Эта проблема требует дальнейших исследований .

Выводы

• 1.    Уровень глобальных выпадений ¹³⁷Cs на тер ритории Республики Алтай в основном соот -

• ветствует величинам, характерным для средних широт.

• 2.    При идентификации локальных выпадений необходимо принимать во внимание соотношение ¹³⁷Cs/⁹⁰Sr и распределение радиоцезия в типовых ландшафтных обстановках , а не на всей террито рии региона , отличающегося разнообразием поч вообразующих субстратов , геоморфологических и климатических условий .

• 3.    Максимальная плотность загрязнения почв ¹³⁷Cs в Усть - Коксинском районе составляет 180220 мКи / км ², в Усть - Канском районе - 166-290 мКи / км ², а в отдельных населенных пунктах более 300-350 мКи / км ². Соотношение ¹³⁷Cs/⁹⁰Sr в этих районах существенно превышает соотношение , характерное для глобальных выпадений , и свиде тельствует о локальном загрязнении территории в период атмосферных ядерных испытаний на Се мипалатинском полигоне .