Естественные и искусственные радиоактивные вещества равномерно распределены в окружающей среде (за исключением аномальных геологических и промышленных районов повышенной радиоактивности) и являются ее активными метаболитами. Началом такого метаболизма служат реакции испускаемых радиоактивными веществами ионизирующих излучений, протекающие по типу фотоэффекта: возбуждение электронных оболочек атомов при незначительной доле ионизации облучаемого вещества.
Ионизация - обязательная составляющая взаимодействия с веществом всех видов частиц и фотонов (в том числе видимого ультрафиолетового спектров излучений) ведет к кратковременным изменениям структуры валентных оболочек атомов, высвобождению и выходу в межмолекулярную среду «энергетической валюты обмена» свободных электронов, что, кроме активации процессов, инициирует случайную сшивку молекул и является фактором формирования новых биологических структур (эволюции биологического вещества, мутации генов). Доля таких взаимодействий в процессе передачи энергии фотонов (частиц) веществу растет с ростом энергии излучений, характерных для начального периода становления биосферы, а в настоящее время - для ряда антропогенных излучателей среды.
Естественный радиационный фон Земли. Он складывается из излучений от рассеянных в почве, воде, воздухе радионуклидов, возраст которых совпадает с возрастом планеты. К таким радионуклидам относятся калий-40 40K), уран-238 238U), торий-232 232Th) и продукты распада тория и урана, радона 219-282Rn), радия 226Ra). Второе место в формировании радиационного фона занимают космические излучения, третье - короткоживущие радионуклиды, образующиеся в верхних слоях атмосферы при взаимодействии газов стратосферы с потоком ядерных частиц высоких энергий, из разных областей Вселенной.
Первичным геологическим источником большинства радионуклидов фона являются верхние слои литосферы (граниты, сланцы, песчаники и др.), постоянное преобразование которых под воздействием сапрофитной микрофлоры почв, воды, воздуха, перепадов температур ведет к миграции излучателей в почву, растительность, животный мир (табл. 7).
Таблица 7
Первичные источники основных радионуклидов естественного радиационного фона
| Порода литосферы и тип почвы | Концентрация, пКи/г (Бк/г), радионуклидов | ||
| 40К | 238U | 232Th | |
| Граниты | 27 (0,999) | 1,6 (0,054) | 2,2 (0,00081) |
| Сланцы | 19 (0,703) | 1,2 (0,00044) | 1,2 (0,000044) |
| Песчаники | 10 (0,57) | 0,5 (0,00002) | 0,3 (0,00001) |
| Известняки | 2,4 (0,888) | 0,75 (0,0028) | 0,19 (0,000019) |
| Сероземы | 18 (0,66) | 0,85 (0,031) | 1,3 (0,048) |
| Черноземы | 11 (0,41) | 0,58 (0,021) | 0,97 (0,036) |
| Серые лесные | 10 (0,37) | 0,48 (0,017) | 0,72 (0,027) |
| Подзолистые | 4 (0,15) | 0,24 (0,009) | 0,33 (0,012) |
| Усредненные данные по литосфере | 10 (0,37) | 0,7 (0,026) | 0,7 (0,026) |
| Типичный диапазон колебаний | 3-20 (0,01-0,74) | 0,3-1,4 (0,007-0,054) | 0,2-1,3 (0,007-0,054) |
Ведущим радионуклидом фона, определяющим радиоактивность растений и животных, уже по содержанию его в экосистемах, является Калий-40 (40К) - металл, быстро реагирующий с кислородом, водой. Содержание радиоактивного калия в природной смеси изотопов 39К, 40К, 41К) постоянно, независимо от звеньев миграции и составляет 0,0118 мас. %.
Таблица 8
Содержание 40К и 226Ra в основных пищевых продуктах
| Продукт | 40К, иКи/г (Бк/кг) | 226Ra, пКи /г (Бк/кг) |
| Хлеб: Черный Белый | 1,8 (66,6) 0,8 (29,6) | 2,6 (0,096) 2,5 (0,092) |
| Картофель | 2,9 (107,3) | 9,6 (0,35) |
| Капуста | 2,2 (81,4) | 1,7 (0,06) |
| Молоко | 1,2 (44,4) | 0,3 (0,01) |
| Говядина | 2,7 (99,9) | 0,1 (0,03) |
| Свинина | 2,0 (74,0) | 1,5 (0,05) |
| Сельдь | 2,1 (77,7) | 3,4 (0,12) |
| Треска | 2,8 (103,6) | 4,0 (0,15) |
| Яйца, 10 шт. | - | 1,5 (0,05) |
| Масло | 0,1 (3,7) | 0,3 (0,01) |
Основными накопителями 40К в организме являются, в убывающем порядке, эритроциты, нервная ткань (головной мозг), мышечная ткань, печень, легкие, кости (см. табл. 8). Изотоп 40К не накапливается: время двукратного снижения его активности в организме от момента поступления за счет процессов распада и выведения Т эфф = 58 сут. Из организма взрослого человека 40К выводится в три раза медленнее, чем вода. Средняя мощность поглощенной дозы 40К составляет 170-190 мкГр (17 -19 мрад/год).
Вторым, широко распространенным в земной коре, почве и дальнейших звеньях миграции радионуклидом фона является 239U (в смеси с незначительным количеством 235U и 234U) - кальциййподобный белый серебристый металл, реагирующий с воздухом, водяными парами, кислотами, но не щелочами. В среде, как и кальций, встречается в минералах, с наибольшим содержанием в уранитах, кариотипах. Энергия распада невелика (1- 1360 эВ), общее содержание урана в верхних (подпочвенных) слоях земной коры составляет примерно 1015 т (2,4'10-4%), в морской воде 1010 т (3,13' 10-7 %). Фоновая удельная радиоактивность урана в среде составляет 0,33 мКи вещества.
Суточное поступление урана в организм человека колеблется в среднем от 1 до 10 мкг, достигая 300 мкг. Содержание урана в мягких тканях человека на территориях с нормальным радиационным фоном Земли чрезвычайно незначительно и составляет 0,63 – 0,99 фКи/кг.и 0,7-8;9 фКи/г в костях.
Значительно большую роль в формировании фоновых лучевых нагрузок выполняет дочерний продукт распада 238U - радий, отличающийся от урана большей химической активностью и соответственно большей подвижностью в звеньях миграции в среде. В отличие от 239U дочерний продукт распада находится вне криcтaлличecкoй решетки исходных минералов и легко переходит в воду. Наибольшее количество естественного излучателя характерно для воды с высоким природным содержанием в ней «родственных» элементов: кальция, стронция, бария.
Радий (Ra) - блестящий серебристый металл, быстро реагирующий с воздухом (кислородом), водой. Образует растворимые хлориды, бромиды, сульфиды, иодиды, а также ряд нерастворимых соединений (карбонатов, сульфидов, оксалатов). Все изотопы радия радиоактивны. Наиболее распространён долгоживущий изотоп с периодом полураспада 1620 лет. Соль чистого радия является α.-излучателем. При накоплении в ней продуктов распада - радона (Rn), актиния (Ас) становится источником β-, γ-излучений. Энергия α.-частиц велика: 4,6- 4,7 МэВ. Энергия β-частиц значительно ниже.
Радиоактивность радия в осадочных и вулканических породах подпочвенных слоев земной коры колеблется от 0,5 до 1,3 пКи/г (при максимальных регистрируемых значениях 60 пКи/Г). Удельная активность большинства почв 1 пКи/г (l. 10-10 мас. %), питьевой воды 0,01-6 пКи/г, воды океана 0,007 пКи/г. Наибольшие содержания радия, поступающие в организм человека с продуктами питания, пКи/год: с куриными яйцами до 91, с картофелем - до 110, с мясом домашней птицы до 15.
Радиоактивный торий (227Th, 228Th, 232Th), как и предшествовавшие α-излучатели, -серебристый металл, активно взаимодействующий с кислородом, водяным паром и плохо - с кислотами. Широко распространен в горных породах (торианите, торите) и, как следствие естественного разрушения кристаллических решеток, - в почвах. Вследствие плохой растворимости в воде в растения поступает в незначительных количествах. Все изотопы являются мощными (-5 МэВ) α-излучателями. Длина пpобега α-частиц в воздухе достигает 5 см. Соединения радионуклидa в организм поступают в незначительных количествах.
Радон (22Rn) и торон (22ОТu) - бесцветные, не имеющие вкуса и запаха газы - короткоживущие звенья естественных радиоактивных распадов радия, тория. В описаниях они чаще объединены под общим названием радон, в воздушную среду эманируют (попадают) из минералов, содержащих ураниты, карнотиты, ториты.
Эманируя, эти газы вследствие высокой удельной массы (в 7,5 раз тяжелее воздуха) «стекают» по поверхности материалов, накапливаясь в ложбинах, погребах, подвалах, ванных комнатах, первых этажах домов; в реакции обмена среды (биологические цепочки) вследствие химической инертности (отнесены к разряду ксенона) не вступают; в растительных и животных тканях отсутствуют; в воздухоносные пути, легкие проникают с воздухом, предварительно сорбируясь на мелкодисперсных частицах бытовой пыли (75 % на аэрозолях диаметром от 5 до 25 нм).
Газы являются мощными α.-излучателями (до 5 МэВ), формирующими лучевые нагрузки на эпителий слизистых носоглотки, трахеи, бронхов, альвеол. Размеры поступления изотопов в организм чрезвычайно варьируют в зависимости от географии места житeльcтвa, его высоты относительно нулевых значений рельефа местности, этажности дома, характера строительных материалов.
Максимальные лучевые нагрузки (на легкие) формируются в странах с длительным холодным периодом и вынужденным резким снижением вентиляции помещений. Внутри помещений максимальные концентрации газов накапливаются в ванных комнатах (вследствие водо-, газонепроницаемости пола, стен), в 40 -50 раз превышая средние значения, кухне (сжигание газа, содержащего, как правило, изотопы), комнатах квартир первых этажей (в 15-20 раз выше средних значений). Превышение средних значений фоновой радиоактивности газов (от 1 до 10 кБк/м3) регистрируется в домах, построенных без предварительного радиационного контроля материалов (преимущественно шлакобетонов, ряда сортов красного кирпича, панелей). Доля такого радиационно опасного жилья достигает 0,1 %, преимущественно в странах Севера (табл. 9, 10).
Таблица 9
Концентрация радона в воздушной среде, Бк/м3
| Страна | Приземный слой открытого воздуха | Воздух квартир* | Накапливаемая доза, мкЗв |
| Франция | 22,1·10-2 | 4,8-13 | |
| Россия | 0,2·10-2 | 6-17 | 400-1000 |
| США | 0,1·10-2 | Нет сведений | |
| Аляска | 0,01·10-2 | Нет сведений | |
| Швеция | Нет сведений | То же |
*кроме 1 этажа, где радиоактивность превышает приведенные значения в 15-20 раз
Таблица 10
Концентрация радона в воде, кБк/м3
| Источник | Страна | Район | Концентрация |
| Моря и океаны | - | - | 10-3 |
| Реки | - | - | 7,4-11,1 |
| Питьевая вода | Австрия | Зальцбург | 1,5-7 |
| Багстайн | |||
| Финляндия | Хельсинки | ||
| Другие районы | 280-45000 | ||
| Италия | - | ||
| Швеция | - | 19-150 | |
| США | Штат Мэн | 660-5800 | |
| Штат Сев.Каролина | 100-1700 | ||
| Великобритания | Нет сведений | 7,4-481 | |
| Источники и буровые скважины | Франция | Нет сведений | <3700 |
| Япония | Нет сведений | <25900 | |
| США | Нет сведений | <11100 |
Содержание 14С в среде несколько выше. Расчетное суммарное количество его в биосфере составляет 8,5 ЭБк (Экса = 1· 1018), при этом в атмосфере содержится 1,6 %, в почвах - 4, в верхних слоях океана 2,2, в глубинных 92, в донных отложениях 0,2 %. Углерод является наиболее активным метаболитом среды, всасывается в растения непосредственно из воздуха в составе углекислого газа. В организм человека поступает с пищей, водой (99 %), воздухом (≤1 %). Коэффициент усвояемости углерода равен 1. Средняя удельная активность органических структур (в том числе и продуктов питания) составляет 230 Бк/кг.
Внешние радиационные воздействия, дополняющие стабильный спектр внутреннего облучения, складываются из излучений космических, фотонных и корпускулярных (преимущественно нейтронных), а также от естественных радиоактивных γ-излучателей вне организма (стены жилья, скопившиеся инертные газы, почва).
Космические излучения, благодаря уникальной, сложившейся за миллионы лет структуре атмосферы, являются видоизмененными первичным галактическим (93 %) и солнечным потоками частиц высоких энергий. Энергия потока частиц галактического происхождения, преимущественно протонов, составляет в среднем 100 МэБ, достигая 1014 МэБ, солнечного - 20 МэБ. Помимо протонов, большая часть которых огибает Землю благодаря ее магнитным полям (защитная функция которых зависит от широты, снижаясь к полюсам и возрастая к экватору), в состав первичного космического излучения входят протонно-нейронные обломки ядер с атомными номерами 3-5, 10-19, 20.