Создание и верификация взаимосогласованной базы входной информации имитационной модели транспорта радионуклидов 137Cs и 131I по пищевой цепочке на инструментальных радиоэкологических данных (по материалам "Пражского" и "Варшавского" сценариев проекта МАГАТЭ EMRAS)

В 2003 г. Международное агентство по атомной энергии (IAEA) инициировало 4-летний международный проект «Радиоэкологическое моделирование в интересах радиационной безопасности (EMRAS)». Основной целью программы было развитие, сравнение и тестирование радиоэкологических моделей для оценок радиоактивного облучения людей и радиологического влияние на флору и фауну при реальных и потенциальных радиационных авариях с выбросами продуктов в окружающую среду. Важно было проверить степень максимальных возможностей и надёжность предсказаний таких моделей при сравнении расчётных и фактических данных о загрязнении окружающей среды при реальных авариях, а также при сравнении результатов прогнозов по различным моделям.

Фактические данные и сценарии входных данных, необходимых для проведения расчётов, были предоставлены участникам программы экспертами различных стран. Отличительной особенностью программы EMRAS была возможность тестирования моделей на инструментальных радиоэкологических данных о состоянии окружающей среды.

Несколько рабочих групп, специализирующихся на различных аспектах экологического мониторинга, принимало участие в проекте EMRAS. Участники рабочей группы по проблеме выброса 131I в окружающую среду после аварии на Чернобыльской АЭС выполнили радиоэкологическое моделирование переноса 131I по цепочке: атмосфера – почва, растительность – молоко – щитовидная железа (ЩЖ) человека и сравнили данные прогнозов между собой с данными о состоянии окружающей среды. Всего было выполнено три сценария «слепых» расчётов: «Плавский», «Варшавский» и «Пражский» без предоставления данных прямых измерений активностей 131I в выпадениях, растительности и в молоке на молочных фермах и ЩЖ обследованных жителей. Конечным результатом модельных расчётов были оценки динамики активностей 131I в ЩЖ жителей и доз внутреннего облучения населения за счёт ингаляции и употребления в пищу загрязнённых молока и зелени.

По итогам проекта EMRAS был опубликован технический доклад МАГАТЭ, отражающий основные результаты всех рабочих групп [1], и работа [2] с изложением результатов работы «йодной» рабочей группы по «Пражскому» сценарию. В данной статье представлены материалы, дополняющие [1, 2].

Отличительными особенностями баз инструментальных данных активностей 131I в зелени, 137Cs и 131I в молоке «Варшавского» и «Пражского» сценариев проекта МАГАТЭ EMRAS являются серии многократных измерений, полученные в различных населённых пунктах на значительной территории провинций Мазовии («Варшавский» сценарий) и Богемии («Пражский» сценарий) с разными плотностями выпадения 137Cs. Многократные измерения позволяют выполнять верификацию динамических свойств расчётных моделей и оценить влияние основных факторов на динамику загрязнения растительности и молока. Верификация радиоэкологической модели на инструментальных данных динамики активностей 137Cs и 131I в молоке в переходный период от зимнего к летнему сезону с последующими сценарными расчётами с различными режимами содержания и кормления молочного скота могут помочь выбрать их оптимальные варианты.

Использование инструментальных данных для различных населённых пунктов дало возможность выполнить исследование основных закономерностей транспорта радионуклидов по трофической цепочке в зависимости от погодных условий, осадков за период выпадений, пара- метров загрязнения атмосферы 137Cs, плотностей выпадения 137Cs и особенностей содержания и кормления молочных коров.

В настоящей работе приводится анализ параметров радиоактивного загрязнения атмосферы в Мазовии и Богемии после аварии на ЧАЭС. Излагается технология взаимного согласования исходных данных «Пражского» и «Варшавского» сценариев при создании полного набора входных данных радиоэкологических моделей для исследования транспорта 137Cs по трофической цепочке. В качестве примера модели используется модель [3].

Полученные данные анализируются для выяснения причин расхождения расчётных и инструментальных данных. На основе результатов анализа выбираются правдоподобные сценарии расчётов, приводящие к наилучшему их согласию.

Входные данные радиоэкологической модели

Для исследования процессов переноса продуктов радиационных аварий с выбросом в атмосферу по пищевой цепочке с использованием радиоэкологической модели [3] необходима информация о динамике следующих параметров: удельных объёмных активностей и форм нахождения радионуклидов в атмосфере, среднесуточных температур воздуха с начала вегетационного периода, осадков с начала радиоактивных выпадений и урожайности сельскохозяйственных культур в год аварии.

Как правило, измерения разных параметров производятся в разных местах: метеоданные – на метеостанциях, параметры радиоактивности атмосферы – в лабораториях научных институтов, радиоэкологические измерения плотностей выпадения радионуклидов, места отбора проб почв растительности и молока с их последующей радиометрией и спектрометрией – на загрязнённой территории. В связи с этим необходимо проведение специальной процедуры получения полного набора входных данных для всей исследуемой территории или отдельных её мест. Обычно для этого используются модели однородного облака – неоднородных осадков и неоднородного облака – однородных осадков.

В модели однородного облака – неоднородных осадков вся исследуемая территория разбивается на отдельные кластеры, в каждом из которых проводились измерения параметров загрязнения атмосферы. Кластеры выбираются таким образом, чтобы при наличии в них измерений активностей радионуклидов в атмосфере в разных местах их интерполяционные временные зависимости были бы представительны для всего кластера. Для выбранных кластеров предполагается пространственная однородность динамики параметров загрязнения атмосферы, а пространственная неоднородность плотностей выпадения радионуклидов по территории кластера обусловлена неоднородностью осадков за период радиоактивных выпадений. С учётом турбулентных процессов в атмосфере и разворота ветра по её высоте размеры кластера, как правило, не должны превышать 0,1 расстояния между кластером и местом аварии. Этому условию удовлетворяет вся Богемия и исследуемые зоны Мазовии с инструментальными радиоэкологическими данными (рис. 1). Дополнительным условием преимущественной применимости модели однородного облака является наличие в кластере существенного, не менее чем на порядок, размаха в плотностях выпадения 137Cs.

137Cs, кБк/м2

– столицы государств

Рис. 1. Плотности выпадения ¹³⁷Cs на исследуемых территориях Мазовии и Богемии.

Для восстановления распределения осадков по территории кластера используются данные о плотностях выпадения 137Cs на исследуемой территории. Величина осадков в данном месте (НП) рассчитывается по соотношению:

Cs ^σ НП

⁶ 2

k ^ν ds

С Cs       (т ) • d т

∫ кластер dep _ е 1______________________

RНП =             Cs где R dep – средняя скорость выпадения осадков за период выпадений, мм/сут; σ Cs – плотность выпадения 137Cs в данном месте, кБк/м2; СCsacm(t) - динамика удельной объёмной активности 137Cs в атмосфере над территорией кластера, кБк/м3; θ1, θ2 – начало и окончание основных радиоактивных выпадений в кластере, сут; ν dry – скорость «сухих» выпадений 137Cs, мм/сут.

Если в каком-либо месте кластера плотность выпадения ¹³⁷Cs меньше плотности «сухих» выпадений, динамика удельной объёмной активности ¹³⁷Cs в атмосфере над ним С ^Cs рассчитывается по соотношению:

Cs

Cs        Cs           ^σ НП

^СНП ⁽ t ) ^С кластер ⁽ t ) Cs      ,                                                       (2)

° dry, НП где aCsy нп = vdry J С Csacm(Дт) - плотность «сухих» выпадений 137Cs в данном месте, кБк/м2.

Замена параметра С Cs_{acm ер}( t ) на С Cs (t ) в соотношении (1) приводит к нулевым осадкам.

В модели неоднородного облака – однородных осадков вся исследуемая территория так же разбивается на отдельные кластеры, в каждом из которых находится одна метеостанция или метеопост с данными об осадках за период выпадений. Учитывая, что пространственная неоднородность осадков на местности при их не обложном характере, как правило, имеет порядок одного-нескольких километров, размер таких кластеров вокруг метеостанции должен быть такого же порядка.

Предполагается, что во всех местах кластера осадки за период выпадений были такими же, как на метеостанции в её расположении. Реконструкция средней за период выпадений удельной объёмной активности 137Cs в атмосфере для данного места производится по данным о плотностях выпадений 137Cs в нём и осадках за период выпадений по метеоданным.

Cs

Cs                      ^σ НП

НП ⁼                          θ

Vds • (6 2 - 6 1) + RWS -J Raster (t ) • d T где R dep – скорость осадков в период основных выпадений, мм/сут; R Cs – коэффициент вы- мывания 137Cs из атмосферы осадками, безразм.

Если в каком-то месте в кластере проводились измерения динамики удельной объёмной активности 137Cs в атмосфере, то она используется для реконструкции в нём осадков за период выпадений по модели однородного облака. Рассмотрим технологию подготовки входных данных для расчётов на примере «Пражского» и «Варшавского» сценариев.

Технология подготовки входных данных

В наиболее полном виде в «Пражском» сценарии представлены данные о плотностях выпадения 137Cs в населённых пунктах центральной части Богемии на почву, не покрытую растительностью. Это данные измерений в 196 населённых пунктах и ГИС-данные для всей её территории на сетке 1×1 км (рис. 2).

BENESOV

Рис. 2. Плотности выпадения ¹³⁷Cs в центральной части Богемии на почву и осадки на метеостанциях в период с 30 апреля по 9 мая 1986 г.

Измерения удельных объёмных активностей аэрозольных форм радионуклидов 131I, 137Cs и 134Cs в атмосфере в Богемии производились в трёх местах Праги (рис. 3): Praha-LIbeň (Czechoslovak academy of science), Praha-Libuš (Czechoslovak Hydrometeorologic Institute) и

Praha-Vinohrady (National Radiation Protection Institute).

Рис. 3. Места проведения измерений удельных объёмных активностей ¹³¹I, ¹³⁷Cs и ¹³⁴Cs в атмосфере в Праге.

Объединённые данные всех этих измерений для аэрозольных форм радионуклидов приведены на рис. 4.

Рис. 4. Удельные объёмные активности аэрозольных форм радионуклидов ¹³¹I и ¹³⁷Cs в атмосфере Богемии.

Данные измерений имеют существенную высокочастотную временную вариабельность, обусловленную турбулентным характером процесса переноса воздушных масс.

На станции Praha-Libeň проводились также измерения активностей 131I в атмосфере не аэрозольной формы, т.е. суммы элементарной и органической форм. Отдельных измерений элементарной и органической форм йода в атмосфере в Богемии не проводилось. Данные о соотношении относительных долей аэрозольной 8a^r, элементарной 8^m и органических форм 8CH3I + 8HO = 8ОО нахождения 1311 в атмосфере были получены на значительном рас- стоянии от Праги в Jaslovské Bohunice в Словакии. Тем не менее, временные зависимости относительных долей аэрозольной и суммы элементарной и органической форм 131I в атмосфере, приведённые на рис. 5 для Praha-Libeň и Jaslovské Bohunice (Словакия), показывают их практически полное совпадение в интервале времени от 4,5 до 13 сут после аварии.

*♦♦ аэрозольная форма, Словакия ОО» аэрозольная форма, Богемия **-* молекулярная +органическая формы, Словакия ДД-Д молекулярная +органическая формы, Богемия

Рис. 5. Временные зависимости относительных долей аэрозольной и суммы долей элементарной и органической форм ¹³¹I в атмосфере Богемии и Словакии.

Такое же совпадение с точностью до 2-х раз в интерполяционных зависимостях наблюдается и в динамике абсолютных удельных активностей 137Cs и аэрозольной формы 131I в атмосфере в Праге и населённых пунктов České Budějovice, Hradec Králové, Moravský Krumlov, Ústí nad Labem (рис. 6), расположенных на расстояниях, больших 100-150 км от Праги, за пределами центральной части Богемии (рис. 7).

Рис. 6. Динамика удельных объёмных активностей ¹³¹I и ¹³⁷Cs и их отношений в атмосфере в Праге и за пределами центральной части Богемии.

Рис. 7. Месторасположение станций измерения активностей ¹³¹1 и ¹³⁷Cs в атмосфере за пределами центральной части Богемии.

Эти данные послужили основанием для использования результатов измерений долей аэрозольной формы существования ¹³¹1 в атмосфере Словакии в интервале времени 5-13 сут после аварии для реконструкции общей активности ¹³¹1 в атмосфере Богемии ( С® _в ) и долей форм его существования ( 8П_в ) на времена их измерения ( t k,B ) в Богемии по интерполяционным соотношениям:

С IB ( t к в)

C I, в ( t k , в ) = I er _f ^,_t , ; ⁸ П в ( t k , в ) = F ( ⁸ ns ' t S - tk , B ) , (4) F ^{( 8} ,S - t s - t k , B )

где С*_в ( t_{k в}) и С*, ( t _{k B}) - удельные объёмные активности ¹³¹I и его аэрозольной формы в атмосфере Богемии на время измерения активности его аэрозольной формы ( t _k,_B ); 8,"_в ( t _{к в}) -доли аэрозольной ( n =1), газообразной ( n =2) и органической ( n =3) форм ¹³¹1 в атмосфере Богемии на время измерения активности его аэрозольной формы ( t _k,_B ); F ( 8 ,"_s , t_s , t_B ) - интерполяционное соотношение для пересчёта массива данных измерений долей форм ¹³¹I в атмосфере Словакии ( 8n_s , t_s ) на времена измерений его аэрозольной формы в атмосфере Богемии.

Для времён, меньших 5 и больших 13 сут после аварии, использовались средние в интервале времени 5-13 сут значения относительных долей форм 1311 в атмосфере. Результаты пересчёта временных зависимостей удельных объёмных активностей аэрозольной формы 131I к его полной активности и относительных долей всех форм его нахождения в атмосфере в Праге, используемые в расчётах, приведены на рис. 8. Здесь же для сравнения в таких же масштабах приведены данные «Варшавского» сценария, полученные аналогичным образом.

Можно отметить, что максимальные пиковые величины удельных объёмных активностей 1311 и 137Cs в период первого пика выпадений в Богемии от 3 до 5,5 сут и в Мазовии от 2,4 до 4,6 сут после аварии в Мазовии несколько больше, чем в Богемии. Однако, высокочастотная временная вариабельность этих параметров в Богемии существенно больше, чем в Мазовии. Наоборот, в Мазовии такая вариабельность была больше для форм существования 131I в атмосфере. Кроме этого, в Мазовии в период с 11 по 13 сут после аварии, в отличие от Богемии, наблюдался второй пик активностей этих параметров с их максимальными значениями приблизи- тельно на порядок меньшими, чем в первом пике.

Рис. 8. Временные зависимости удельных объёмных активностей ¹³¹I и ¹³⁷Cs, их интегралов и относительных долей форм существования ¹³¹I в атмосфере.

Отметим, что первый пик активности в обеих провинциях – это сам взрыв реактора, второй пик в Мазовии – это последствия сброса на расплавленную активную зону больших масс доломита и свинца для предотвращения неуправляемой цепной реакции. Однако, это привело к дополнительному разогреву активной зоны и второму выбросу летучих и газообразных продуктов деления.

Сводные данные о полных интегралах выпадений 131I и 137Cs и выпадений форм существования 131I в атмосфере за всё время их измерений представлены в табл. 1. Отдельно в табл. 2 представлены данные о средних за период основных выпадениях в относительных долях форм существования 131I в атмосфере Богемии и Мазовии.

Таблица 1

Интегралы удельных объёмных активностей 137Cs, 131I и форм 131I в атмосфере в Богемии и Мазовии, кБк/м3⋅сут

Богемия		Мазовия	Мазовия/ Богемия
Время основных выпадений	сут	сут
Начало	3,0	2,0
Окончание	9,0	5,5
Интеграл активностей	кБк/м 3 ⋅сут	кБк/м 3 ⋅сут
137Cs	0,028	0,023	0,8
131	0,198	0,394	1,9
131I/137Cs	7,138	17,204	2,4
Газообразный 131 I	0,070	0,136	1,9
Аэрозольный 131 I	0,045	0,241	5,3
Органический 131 I	0,084	0,017	0,2

Таблица 2

Средние относительные доли форм существования 131I за период основных выпадений в атмосфере Богемии и Мазовии

Относительные доли	По интегралам активностей			Средние относительные доли форм существования 131I
	Богемия	Мазовия	Мазовия/ Богемия	Богемия	Мазовия	Мазовия/ Богемия
Газообразная фракция δ_gas	0,232	0,346	1,491	0,231	0,388	1,680
Аэрозольная фракция δ_aer	0,365	0,611	1,674	0,355	0,569	1,603
Органическая фракция δ_org	0,403	0,043	0,107	0,413	0,043	0,104
δ_gas/δ_org	0,817	9,537	11,673	0,560	9,087	16,227

Из данных табл. 1 следует, что интеграл удельной объёмной активности 137Cs в Мазовии и Богемии практически совпадают, однако для 131I его величина в Мазовии в 2 раза больше, чем в Богемии. Интегралы активностей газообразного и аэрозольного йода в Мазовии больше, чем в Богемии уже в 1,9 и 5,3 раза, за счёт в 5 раз меньшего интеграла органического йода. Относительные доли форм йода в атмосфере, вычисленные как отношения интегралов их активностей в атмосфере и как средние относительные доли их активностей за этот же период времени, совпадают с точностью до 10%. Доли газообразного и органического йода в Мазовии в 1,5 и в 1,7 больше, чем в Богемии (табл. 2). Для выпадений 131I на почву и растительность определяющим является интеграл объёмной активности газообразного йода в атмосфере, поскольку скорость его «сухих» выпадений в 10 раз больше, а коэффициент его вымывания из осадков в 2 раза больше, чем для аэрозольного йода (табл. 3).

Таблица 3

Коэффициент объёмного вымывания йода из атмосферы дождем ( R^k ), и скорости их «сухого» осаждения на растительность ( ν ^k ) и почву ( ν ^k )

Форма радионуклида 131I	Rk	k ν   , мм/с dg , растительность	k ν   , мм/с почва
Газообразный 131I	2⋅105	15	3
Аэрозольный 131I*	1⋅105	1,5	0,5
Органический 131I	0,1⋅105	0,15	0,05

137Cs.

Отметим также, что в период от 4 до 12 сут после аварии соотношение форм 131I в атмосфере Богемии были практически постоянно с точностью до 10%, в Мазовии была зафиксирована их существенная вариабельность (рис. 8).

Обобщая весь объём данных «Пражского» сценария, отметим, что близость динамики активностей 131I и 137Cs, а также форм нахождения 131I в атмосфере в Праге, за пределами центральной части Богемии и в Словакии, даёт основания для предпочтительного использования в расчётах транспорта 131I и 137Cs по пищевой цепочке предположения о пространственной однородности их активности в атмосфере над всей территорией центральной части Богемии.

Данные для Мазовии, приведённые в «Варшавском» сценарии, показывают, что величина отношения максимальной к минимальной плотности выпадения 137Cs, большая трёх, была только в пяти районах провинции Варшава. Это 6, 3 – Wolominski, 8, 0 – Grodziski и Mazowiecki, 9, 3 – Zachodni и Warszawski районы. В Warszawski районе, где имеются инструментальные данные измерений активностей 137Cs, 131I траве и в молоке, имеются два пятна повышенной плотности выпадения 137Cs в населённых пунктах Brwinow и Wolomin (рис. 9), сильно коррелирующих с зарегистрированными местными дождями 30 апреля 1986 г. (соответственно 7,3 мм и 10,3 мм).

Рис. 9. Карта метеоданных об осадках в провинции Мазовия 29-30 апреля 1986 г.

Однако в период 8-9 мая на всей территории Мазовии прошли сильные дожди (рис. 10), которые могли привести к частичному смыву с растительности ранее выпавших радиоактивных продуктов аварии.

В «молочном» районе Ostroleka в критические дни 29 и 30 апреля 1986 г. в её районах не было осадков. Размахи средних величин и отношений максимальных к минимальным плотностям выпадения 137Cs в её районах невелики и составляют соответственно 3,3-5,7 кБк/м2 и 1,3-2,6 кБк/м2 со средним значением плотности выпадений 137Cs около 4,2 кБк/м2, что довольно близко к выпадениям в «молочном» районе Warsaw (рис. 11), где в эти дни не было осадков (рис. 9).

Слабая вариабельность этих данных может свидетельствовать о возможности использовании для Мазовии как модели однородного, так и неоднородного облака.

Рис. 10. Карта метеоданных об осадках в провинции Мазовия 8-9 мая 1986 г.

Рис. 11. Плотности выпадения ¹³⁷Cs в населённых пунктах Мазовии.

В районах Богемии, где имеются данные измерений активностей 131I и 137Cs в траве и в молоке, неоднородность плотностей выпадения 137Cs весьма существенны, поэтому для проверки применимости моделей однородного и неоднородного облака для всех 16 метеостанций центральной части Богемии проводились 2 варианта тестовых расчётов.

В первом варианте плотности выпадения 137Cs на их территории рассчитывались по данным о динамике удельной объёмной активности 137Cs в атмосфере (рис. 8) и метеоданным об осадках за период основных выпадений на метеостанциях (прямой расчёт).

Во втором варианте эффективные осадки на метеостанциях за период основных выпадений рассчитывались по модели однородного облака по ГИС-данным плотностей выпадения 137Cs на их территориях.

В этих расчётах принималось, что за время основных выпадений на местность выпало 90% от полных выпадений 137Cs и 131I. Для Богемии этот интервал равен 3-9 сут, для Мазовии – 2-5,5 сут.

Гистограммы рассеивания: (ГИС-данные плотностей выпадения 137Cs в узлах сетки, ближайших к географическим координатам метеостанций) – (реконструированные для метеостан- ций плотности выпадения 137Cs) для Богемии приведены на рис. 12а. Отдельно на нём выделены реконструированные плотности выпадения 137Cs для населённого пункта Vinohrady, в котором измерялась удельная активность 131I в траве, и ГИС-данные для ближайшей к нему метеостанции Praha-Karlov.

Плотность выпадения 137-Cs ( ГИС данные) , кБк/кв. м однородное облако прямой расчет прямой расчет Praha - Karlov однородное облако, Praha - Karlov ГИС данные, Vinohrady измерение Vinohrady

Реконструированные осадки, мм

• •    •• осадки на метеостанциях

• ♦    ♦ ♦ реконструированные осадки

• □ □ осадки Praha - Karlov

О О реконструированные осадки, Praha - Karlov

б)

□ □

ОО

АЛЛ

а)

Рис. 12. Диаграммы рассеивания: расчётные – фактические плотности выпадения ¹³⁷Cs (а) и осадки (б) на метеостанциях за период основных выпадений.

По метеоданным осадки в Богемии в период основных выпадений с 3 до 9 сут после аварии на ЧАЭС были только на 4-х метеостанциях: Praha-Klementinum – 3 мм, Praha-Karlov – 2,1 мм, Praha-Libus – 0,6 мм и Semcice – 0,4 мм. ГИС-данные плотностей выпадений 137Cs на этих 4-х метеостанциях отличаются от данных прямого расчёта по модели однородного облака с метеоданными о фактических осадках за период основных выпадений (рис. 12а). Эти различия не превышают 2,5 раза для метеостанций с осадками в период основных выпадений менее 1 мм, и 1,5 раза – с осадками более 1 мм.

Прямой расчёт плотностей выпадения 137Cs на всех метеостанциях без осадков в период основных выпадений по модели однородного облака даёт одинаковую величину, равную 1,4 кБк/м2. В то время как диапазон ГИС-данных в местах расположения таких метеостанций составляет 0,9-6,9 кБк/м2.

Воспроизвести такие данные расчётным путём с учётом удалённости Богемии от места аварии можно только по модели однородного облака с эффективными осадками, реконструированными по плотностям выпадения 137Cs на этих метеостанциях. Отметим также, что ГИС-данные и инструментальные плотности выпадений 137Cs в населённом пункте Vinohrady, где отбирались пробы травы для радиометрии, практически совпадают. Прямой расчёт плотностей выпадения 137Cs для ближайшей к нему метеостанции Praha-Karlov даёт величину 4,57 кБк/м2, что весьма близко к ГИС-данным для этой метеостанции – 6,32 кБк/м2.

Диаграммы рассеивания: реконструированные по модели однородного облака осадки на метеостанциях за период основных выпадений – метеоданные об осадках на этих же метеостанциях за этот же период времени, приведённые на рис. 12б, отражая линейную зависимость между осадками и плотностью выпадения 137Cs, повторяют все особенности данных для плотностей выпадения 137Cs на рис. 12а. Однако, для метеостанции Praha-Karlov реконструированная величина осадков равна 5,8 мм, что в 3 раза больше фактической, равной 2,1 мм. В то время как разница в данных плотностей выпадения 137Cs на этой же метеостанции меньше и равна 1,5 раза.

Аналогично, как и для плотностей выпадения 137Cs, проводились расчёты удельных активностей 137Cs и 131I в траве на территориях метеостанций Богемии на время окончания основных выпадений. Было выполнено три варианта расчётов: прямой расчёт по метеоданным об осадках, по модели однородного облака с эффективными осадками, реконструированными по ГИС-данным плотностей выпадений 137Cs на метеостанциях и по модели неоднородного облака с удельными активностями 137Cs и 131I в атмосфере, реконструированными по метеоданным об осадках и плотностям выпадений 137Cs на метеостанциях (рис. 13).

Активность 137-Cs в траве ( модель 2) , кБк/кг

• • • модель!

О О модель!, Praha-Karlov

а)

Активность 1 31-1 в траве ( модель2) , кБк/кг

• • • модель 1

О О модель 1, Praha-Karlov

* а * модель 2

Л Л модель 2, Vinohrady

■ ■ ■ модель 3

□ □ модель 3, Praha-Karlov                           —.

б)

а а * модель Л Л модель ■ ■ ■ модель □ □ модель

• 2,    Vinohrady

• 3,    Praha-Karlov

Рис. 13. Гистограммы рассеивания максимальных удельных активностей ¹³⁷Cs (а) и ¹³¹I (б) в траве по разным моделям.

Модель 1 – прямой расчёт; модель 2 – однородное облако; модель 3 – неоднородное облако.

На рис. 13, как и на рис. 12, выделены практически совпадающие для всех трёх вариантов расчётов реконструированные данные для населённого пункта Vinohrady, в котором измерялась удельная активность 131I в траве, и для ближайшей к нему метеостанции Praha-Karlov. Сопоставление данных на рис. 12 и 13 показывает, что взаимосогласованные по входным данным модели 2 и 3 дают практически совпадающие между собой результаты как для 137Cs, так и для 131I. Прямые расчёты (модель 1) по данным об осадках на ближайшей к населённым пунктам метеостанции Praha-Karlov дают незначительно меньший результат.

Использование взаимосогласованных данных, в первую очередь осадков в период выпадений и параметров загрязнения атмосферы, приводящее к адекватному воспроизведению инструментальных данных о плотностях выпадений 137Cs на местность, должно привести к существенному уменьшению неопределённостей транспорта 137Cs и 131I по пищевой цепочке и, как следствие, более точной реконструкции доз внутреннего облучения населения загрязнённых территорий.

Карта реконструированных эффективных осадков на территории Богемии, приведённая на рис. 14, вместе с аналогичной картой эффективных осадков в населённых пунктах Мазовии ис- пользовались в дальнейших работах по исследованию закономерностей динамики активностей 137Cs и 131I в траве, молоке, а также доз внутреннего облучения населения Мазовии и Богемии.

Осадки, мм

Рис. 14. Карта осадков за период основных выпадений на территории Богемии. Точки – эффективные осадки, реконструированные по модели однородного облака;

• – данные метеостанций.

Для исследования влияния осадков на выпадения 131I и 137Cs на почву и растительность были выполнены тестовые расчёты. Расчёты проводились с использованием агроэкологической модели [3] по данным «Пражского» и «Варшавского» сценариев о погодных условиях в год аварии, осадках в период радиоактивных выпадений, динамике параметров радиоактивного загрязнения атмосферы и плотности сырой биомассы травы в период выпадений.

Величина осадков за период основных выпадений от 2 до 5,5 сут варьировала в интервале от 0 до 40 мм. Скорость выпадения осадков в этот период принималась постоянной. Выполненные расчёты показали, что при существовавшей динамике параметров активностей радионуклидов и форм существования 131I в атмосфере (рис. 8) влияние осадков на активности 131I и 137Cs в растительности и плотности выпадения 131I и 137Cs на почву проявляется только при их величинах, больших 0,2 мм, и для травы практически заканчивается при осадках, больших 2-3 мм (рис. 15).

Для 131I это влияние меньше, чем для 137Cs. Так, максимальная величина отношения удельных активностей 131I и 137Cs в траве Богемии при осадках 10 мм к их величинам при «сухих» выпадениях составляет 1,6 для 131I и 3,9 для 137Cs; для Мазовии – соответственно 1,4 и 2,1.

Существовавшие в регионах различия в динамике активностей 131I и 137Cs в атмосфере (табл. 1) привели к тому, что удельные активности 131I в траве Мазовии при «сухих» выпадениях и выпадениях с осадками 10 мм были в 2,1 и 1,9 раз больше, чем в Богемии, а для 137Cs – меньше соответственно в 1,3 и в 2,2 раза.

Фактически это означает, что в таком же соотношении были и дозы внутреннего облучения ЩЖ и доз на всё тело населения Мазовии и Богемии.

Рис. 15. Зависимости удельных активностей ¹³⁷Cs и ¹³¹I в траве и выпадений ¹³⁷Cs на почву от осадков в период основных выпадений.

Верификация имитационной радиоэкологической модели на инструментальных данных «Пражского» и «Варшавского» сценариев о динамике загрязнения растительности и молока в Богемии и Мазовии будут представлены в серии последующих публикаций.

Заключительная работа этой серии будет посвящена исследованию параметрических зависимостей активностей 131I и 137Cs в растительности и молоке, а также доз внутреннего облучения всего тела и ЩЖ населения Мазовии и Богемии от погодных условий года аварии, интегральных параметров загрязнения атмосферы, осадков за период выпадений, плотностей выпадения 137Cs, видов растительности, технологий содержания и кормления молочного скота.

Заключение

Параметры загрязнения атмосферы. Данные плотностей выпадения ¹³⁷Cs на территориях центральных частей провинций Мазовии (Польша) и Богемии (Чехия) после аварии на ЧАЭС указывают на их слабую пространственную вариабельность, что свидетельствует о сравнительно однородной структуре параметров радиоактивного загрязнения атмосферы и слабых осадках в период основных радиоактивных выпадений в этих провинциях.

Максимальные значения удельных объёмных активностей 131I и 137Cs в атмосфере в период первого пика выпадений в Богемии и Мазовии практически совпадают. Однако, временная вариабельность этих параметров в Богемии существенно больше, чем в Мазовии. Кроме этого, в Мазовии в период с 11 по 13 сут после аварии, в отличие от Богемии, наблюдался второй пик активностей 131I и 137Cs в атмосфере с их максимальными значениями приблизительно на порядок меньшими, чем в первом пике.

Близость динамики активностей 131I и 137Cs, а также форм нахождения 131I в атмосфере в Праге, за пределами центральной части Богемии и в Словакии, а также на всей территории Ма-зовии дают основания для предпочтительного использования в расчётах модели однородного облака – неоднородных эффективных осадков.

Выпадения ¹³⁷Cs и ¹³¹I. Выполненные расчёты показали, что при существовавшей динамике параметров активностей радионуклидов в атмосфере, влияние осадков на активности ¹³¹I и ¹³⁷Cs в растительности и плотности выпадения ¹³¹I и ¹³⁷Cs начинало проявляться только при величине осадков больше 0,2 мм.

Существовавшие в провинциях различия в динамике активностей 137Cs и 131I в атмосфере привели к тому, что для 131I плотности «сухих» выпадений и выпадений с осадками 10 мм на растительность были в 1,8 и 2,1 раз больше, чем в Богемии, а для 137Cs – меньше соответственно в 1,8 и в 1,4 раза. Фактически это означает, что в таком же соотношении были и дозы внутреннего облучения ЩЖ и дозы на всё тело населения Мазовии и Богемии.

В целом для всех метеостанций прямой расчёт плотностей выпадения 137Cs по модели несогласованных данных (однородное облако – метеоданные об осадках) даёт существенное отличие как от инструментальных данных, так и от моделей согласованных данных (однородное облако – неоднородные эффективные осадки) и (неоднородное облако – однородные осадки), причём тем большее, чем больше плотность выпадения 137Cs. Для удельной активности 137Cs в траве модель неоднородного облака всегда даёт меньшие величины по сравнению с моделью однородного облака. Для 131I рост активности травы с увеличением осадков по модели неоднородного облака происходит быстрее, чем по модели однородного облака.

Использование взаимосогласованных данных, в первую очередь осадков в период выпадений и удельных объёмных активностей 137Cs в атмосфере, приводящее к адекватному воспроизведению инструментальных данных о плотностях выпадений 137Cs на местность, должно привести к существенному уменьшению неопределённостей транспорта 137Cs и 131I по пищевой цепочке и, как следствие, к более точной реконструкции доз внутреннего облучения населения загрязнённых территорий.