Поведение радиоактивных газов и аэрозолей в атмосферном воздухе

Поведение радиоактивных газов и аэрозолей в атмосферном воздухе

При поступлении в атмосферу радиоактивных продуктов, возникающих при испытании ядерного оружия, и попадании в ат- мосферный воздух радиоактивных отходов от тех или иных объектов выявлены некоторые общие закономерности в их поведении. Вместе с тем при испытаниях ядерного оружия значительная часть радионуклидов увлекается в верхние слои тропосферы и стратосферу, поэтому их поведение в этом случае в значительной степени обусловлено особенностями метеорологических процессов в атмосфере всей планеты. Какие же явления имеют место при взрывах ядерного оружия?

При взрыве ядерных устройств реакции деления и синтеза практически происходят за 10-7 с, при этом температура настолько высокая, что разрушаются все химические связи, происходит ча- стичная, а у некоторых атомов и полная ионизация. Все устройство целиком превращается в газ, состоящий из нейтральных и ионизированных атомов. В этой стадии фиксируют быстро расширяющийся огненный шар, плотность газа в котором из-за высокой температуры значительно меньше плотности атмосферного воздуха. Это способствует быстрому подъему огненного шара до такой высоты, где его плотность становится равной плотности окружающего воздуха. Быстрый подъем шара создает на его пути область разрежения, в которую с большой скоростью перемещаются более плотные массы воздуха. Формируется мощный восходящий поток в виде вертикального столба - ножки гриба. Через несколько

миллисекунд после детонации наступает стадия особенно сильной генерации светового и теплового излучения, ведущая к потере энергии. По этой причине и вследствие почти адиабатического расширения огненного шара температура его снижается и начинается конденсация содержащихся в нем паров. При конденсации образуются радиоактивные аэрозоли различного размера. Так возникает радиоактивное облако в виде гриба. Ход этого процесса, химический состав и структура образующихся продуктов в значи- тельной степени зависят от условий, в которых произведен взрыв, а также от вида и мощности взрываемого устройства.

Объем облака составляет примерно 100 км3 на 20 кт тротилового эквивалента, или 5000 км3 на 1 Мт тротилового эквивалента.

Крупные частицы под действием силы тяжести довольно быстро выпадают в районе взрыва, создавая местное, локальное загрязне- ние. Частицы микронного и субмикронного размера оседают медленно, оставаясь взвешенными в воздушных массах, входящих в состав облака. Выпадение этих частиц приводит к радиоактивному загрязнению в точках земного шара, удаленных на десятки тысяч километров от места испытаний, т.е. к глобальному загрязнению.

Продукты деления ядерных взрывов в значительной мере распределяются в зависимости от условий испытаний и мощности устройств, например при взрывах мегатонного класса, следующим образом: при воздушных взрывах на большой высоте 90% всех осколков увлекается в стратосферу, локальных загрязнений нет, при наземных взрывах 20% попадает в стратосферу, 80% выпадает в районе взрыва. При взрыве над поверхностью моря 30% попадает в стратосферу, 70% выпадает в виде местных осадков. При всех видах взрывов атомных зарядов килотонного класса практически вся активность остается в тропосфере или попадает в виде местных осадков.

При попадании мелких радиоактивных аэрозолей в состав радиоактивного облака в тропосферу происходит их разбавление в результате диффузии, горизонтального размывания в направлении движения ветра и смещения воздушных струй по вертикали.

При сопоставлении результатов исследований переноса радиоактивных аэрозолей с метеорологическими данными было уста- новлено, что радиоактивные аэрозоли в тропосфере мигрируют в соответствии с законом перемещения воздушных масс. При этом скорость переноса вдоль параллели значительно больше, чем в ме-

ридиональном направлении, и, прежде чем тропосфера очистится от радиоактивных осколков, они успевают несколько раз обойти земной шар вдоль параллели. За это время распространение вдоль меридиана происходит на 10-20? от широты, на которой были проведены испытания. Насколько быстро переносятся в тропосфере радиоактивные частицы, можно проиллюстрировать следующими примерами: продукты взрыва, проведенного в штате Невада (США) 07.03.55, через 5 дней выпали в значительном количестве в окрестностях Ленинграда, после взрыва 13.02.60 в Сахаре радиоактивные продукты были обнаружены 17.02.60 в Крыму.

Расположение полосы максимальной загрязненности на широте проведенного испытания фиксируют только в средних широтах. При испытаниях в зоне экватора полоса максимального тропосферного выпадения смещается от широты места взрыва в сторону полюса. Был отмечен также переход продуктов ядерных взрывов в верхней тропосфере через зону экватора из северного полушария в южное.

Какие процессы способствуют выпадению мельчайших радиоактивных аэрозолей? Гравитационное оседание частиц, создающих глобальное загрязнение, не имеет значения, поскольку оно происходит крайне медленно. Скорость падения таких частиц в воздухе представлена на рис. 11.

Выпадение мелких частиц радиоактивных аэрозолей из тропосферы на земную поверхность происходит в результате иных процессов, к которым относятся:

•  прилипание частиц аэрозолей к поверхности наземных предметов и почве (при обтекании их приземным слоем воздуха), в первую очередь растительности;

•  коагуляция с частицами местной, нейтральной, нерадиоактивной пыли;

•  захват аэрозолей элементами природных облаков (при их формировании);

•  вымывание аэрозолей при осадках (захват частиц падающими каплями).

Первые два процесса связаны с так называемым сухим выпадением, другие - с атмосферными осадками.

В результате наблюдений за тропосферным переносом радиоактивных аэрозолей и их выпадением установлено, что очистка тропосферного воздуха зависит от метеорологических условий,

Рис. 11. Скорость падения частиц субмикронного размера в воздухе при плотности материала частиц 1,5 г/см3

при этом решающая роль принадлежит осадкам. В умеренных широтах в среднем за год за все дни с осадками выпадало в 9 раз больше радиоактивных продуктов, чем за все дни без осадков.

В засушливых районах за каждый день с дождем выпадало также больше радиоактивных продуктов, чем за сухой день без осадков. Однако в этих зонах дней с осадками обычно мало, поэтому на них приходилась меньшая доля годового выпадения, чем во влажных районах.

При выпадении радиоактивных продуктов в отсутствии атмосферных осадков главная роль принадлежит турбулентному пере- мешиванию воздушных масс, при котором постоянно обновляется самый нижний, прилегающий к земной поверхности слой воздуха.

Сложное сочетание всех метеорологических факторов и содержания радиоактивных осколков в атмосферном воздухе свидетель- ствует о том, что величина выпадения в одном и том же пункте в разные дни могла меняться в 1000 раз.

Скорость очистки тропосферы от радиоактивных загрязнений при усреднении времени, необходимого для выпадения хорошо и слабо вымываемых осадками активных аэрозолей, имеет экспоненциальный характер с периодом полуочищения 20-40 дней. С практической точки зрения самым важным является твердо установленный факт быстрой очистки тропосферы от основной части попавших в нее радиоактивных продуктов ядерных взрывов под действием атмосферных осадков.

Экспериментальные взрывы малой мощности, дававшие только тропосферные загрязнения, играли незначительную роль в глобальных выпадениях. Преобладали по значимости испытания устройств мегатонного класса, при которых основная масса радиоактивных осколков поступала в стратосферу.

При ядерных взрывах большой мощности мельчайшие радиоактивные аэрозоли в составе радиоактивного облака попадают в

стратосферу. Облако захватывается стратосферными воздушными течениями и переносится в общем направлении вдоль параллели со скоростью около 100 км/ч, при этом оно вытягивается в направлении переноса (скорость перемещения в меридиональном направлении во много раз меньше). Наряду с этим происходит диффузия облака в перпендикулярных переносу направлениях. Гравитационное оседание мелких аэрозолей, как и в тропосфере, медленное. Так, например, на высоте 33-35 км скорость оседания частиц диаметром 10 мкм составляет 30 м/ч или 250 км/год. Для частиц диаметром менее 0,1 мкм броуновское движение преобладает над седиментацией. На меньшей высоте скорость оседания частиц снижается за счет повышения плотности атмосферы. В результате частицы определенного размера теряют способность к падению. На этом уровне создается седиментационное равновесие, частицы оказываются надолго включенными в воздушные массы стратосферы.

В расслоении аэрозолей разного размера большую роль играет солнечная радиация. При поглощении солнечного тепла пылин- ки увлекаются пузырьком теплого воздуха, окружающего нагретую пылинку, причем скорость их подъема тем больше, чем меньше размер пылинки. В ночное время это расслоение усиливается за счет более быстрой седиментации крупных частиц. Влиянием лучистой энергии можно объяснить и тот факт, что концентрация радиоактивных аэрозолей в стратосфере в экваториальных и умеренных широтах максимальна на высоте 20-25 км, хотя первоначальный уровень стабилизации радиоактивных облаков находится иногда ниже, а иногда и значительно выше указанных высот. При этом продукты деления обнаруживают в обоих полушариях с большей концентрацией над умеренными и высокими широтами, чем над экваториальной зоной. Концентрация этих продуктов в северном полушарии выше, чем в южном, т.е. имеется определенная зависимость от зон наиболее интенсивных испытаний.

Радионуклиды могут удерживаться в стратосфере от нескольких месяцев до нескольких лет. За это время короткоживущие изотопы распадаются, а количество долгоживущих элементов практически не изменяется (например, 90Sr, 137Cs). Таким образом, стратосфера является своеобразным резервуаром для накопления долгоживущих осколков деления с периодом полуочищения от 7 мес до 1 года.

Рис. 14. Распределение концентраций продуктов деления ядерных взрывов в воздухе планеты на разных широтах

Выпадению радионуклидов из стратосферы предшествует их переход из стратосферы в тропосферу. В настоящее время выдви- нут ряд гипотез, которые пытаются объяснить механизмы их перехода на основании результатов оценки глобальных выпадений на территории нашей планеты с учетом сезонных колебаний и др.

На какие особенности в картине глобальных выпадений следует указать? Глобальное радиоактивное загрязнение оказалось различным на разных широтах и примерно одинаковым вдоль каждой широтной полосы, за исключением особо засушливых зон и районов локального загрязнения. Распределение концентраций радиоактивных осколков в тропосфере, в частности в приземном слое воздуха, было довольно изменчиво. Однако чаще всего максимум приходился на 25-30? широты в обоих полушариях, причем этот максимум, как правило, был выше в северном полушарии, чем в южном (рис. 14).

Максимум распределения по земной поверхности выпавших долгоживущих изотопов приходился на 40-50? широты (рис. 15).

Таким образом, максимум выпадений, по сравнению с максимумом загрязнения воздуха, смещен. По мнению многих исследо- вателей, причина смещения заключается в том, что субтропический пояс 25-35? широты беден осадками. На этих широтах из-за недостатка осадков дают меньшее выпадение более загрязненные воздушные массы, чем менее загрязненные в поясе 40-50?, где атмосфера обильно очищается осадками. Экваториальная зона,

Рис. 15. Распределение 90Sr на разных широтах в поверхностной плотности выпадений и почве

несмотря на обилие осадков в ней, имеет слабо загрязненные воздушные массы, поэтому в этой зоне выпадения невелики.

Динамика глобальных выпадений также значительно изменяется в зависимости от сезона года. Максимум вьтадений в Северном полушарии приходится на II квартал, а в Южном - на IV, т.е. в обоих полушариях - на весну и начало лета.

Из всех гипотез, объясняющих причины распределения глобальных выпадений по широтам, а также их зависимость от сезона года, наибольший интерес представляет гипотеза, разработанная отече- ственным ученым Д.Л. Симоненко, согласно которой во время полярной зимы граница тропосферы в районе полюса опускается.

В конце зимы и начале весны граница тропосферы поднимается, нижняя часть стратосферы вместе с присутствующими в ней радиоактивными аэрозолями оказывается включенной в тропосферу (рис. 16) и радиоактивные продукты при тропосферном переносе выпадают.

При попадании радиоактивных осколков в стратосферу в высоких широтах в начале весеннего сезона условия для перехода аэрозолей благоприятны только к следующему году.

Рис. 16. Изменение высоты расположения аэрозолей в зависимости от продолжительности солнечной части суток. Незаштрихованные участки - солнечная часть суток, заштрихованные - ночь; г - радиус частиц аэрозоля (rj< r2)

При очистке околополярной тропосферы от радиоактивных аэрозолей создается градиент их концентрации, направленный от экватора к полюсу. Периодическое освещение и затемнение полярной стратосферы перемещают аэрозоли из экваториальной стратосферы в полярную, а затем и в приполярную тропосферу. В связи с этим широтное распределение радиоактивных выпадений и их сезонность можно объяснить перемещением воздушных масс в пределах тропосферы из полярных районов в умеренные широты, причем этот перенос происходит независимо от географического расположения испытательных полигонов. Этот вывод автора подтвердили результаты исследований в 1965 г., когда максимум загрязнений от испытаний, проведенных в экваториальном районе Северного полушария, был зафиксирован в северных и умеренных широтах.

Гипотеза освобождения стратосферы от радионуклидов, высказанная группой отечественных ученых, работавших на борту экспедиционного судна «Витязь» с 06.10.58 по 28.04.60, предполагает

подъем воздушных масс в районе экватора с их проникновением в нижнюю часть стратосферы; из стратосферы эти воздушные массы опускаются в районе 25-35? Южного и Северного полушарий в результате натекания их на холодный клин полярного воздуха.

Наблюдаемую картину загрязнений пытаются также объяснить турбулентной диффузией на границе тропо- и стратосферы. По этой гипотезе поступление продуктов взрывов должно быть более интенсивным там, где сильнее турбулентная диффузия. Зоной наибольшей стабильности в нижней части стратосферы является район экватора, поэтому попавшие в стратосферу в районе экватора радиоактивные аэрозоли не могут выпадать в тех же широтах. Радиоактивные продукты с большой высоты над экватором в результате турбулентной диффузии как бы скользят по наклонной плоскости, входя в тропосферу на уровне 25-35?, и выпадают в более высоких широтах.

Рассмотренные выше, а также и другие предположения, трактующие процессы выпадения радиоактивных осколков, не дают исчерпывающего ответа на все вопросы, возникающие при попытках объяснить это сложное явление. По-видимому, дальнейшие исследования в этой области позволят выработать единое мнение о явлениях стратосферного переноса, необходимое для количественного расчета и прогнозирования радиоактивных загрязнений отдельных участков нашей планеты.

Характер поведения радионуклидов, поступающих в атмосферный воздух через дымовые трубы или трубы-шахты, зависит от их агрегатного состояния, дисперсности аэрозолей, метеорологических условий, рельефа местности, ряда технических параметров: высоты трубы, силы тяги в ней, температуры выбросов и др. Обычно при этом фиксируют те же самые процессы самоочищения, которые протекают в атмосфере при попадании в нее радионукли- дов, возникающих при испытании ядерного оружия (разбавление в результате диффузии, горизонтальное размывание в направлении движения ветра и смещение воздушных струй по вертикали, седиментация крупных частиц, выпадение мельчайших аэрозолей за счет прилипания к поверхности наземных предметов, коагуляция с частицами нейтральной пыли и т.д.). Однако эти процессы про- исходят в приземных слоях атмосферы, поэтому распространение радионуклидов, входящих в состав отходов, имеет ограниченный, локальный характер. Только при поступлении в атмосферный воз-

дух массивных загрязнений они могут распространиться от источников загрязнения на десятки, а иногда и сотни километров.

Выбросы, поступающие в атмосферный воздух, поднимаются над срезом трубы в результате направленного вверх перемещения в трубе и всплывания их в более холодном окружающем воздухе. Почти мгновенно начинаются процессы перемешивания и увеличения объема факела выброса. Скорость разбавления факела в первую очередь зависит от вертикального температурного градиента, с его возрастанием увеличивается и коэффициент турбулент- ной диффузии.

В зависимости от типов вертикального распределения температуры формируются различные виды дымовых струй, например струи волнообразные, конусообразные, веерообразные, приподнятые, задымляющие. Волнообразная струя возникает при неустойчивом градиенте температур, часто наблюдаемом при теплой солнечной погоде, способствующей нагреванию поверхности земли, конусообразная - при неустойчивой ветреной, облачной погоде, веерообразная - при температурной инверсии, приподнятая - чаще всего при заходе солнца в момент возникновения температурной инверсии, задымляющая - чаще всего в утренние часы, когда исчезает ночная температурная инверсия.

Последняя форма струи самая неблагоприятная, так как в этом случае зона соприкосновения факела с поверхностью земли рас- полагается на близком расстоянии от трубы и создается высокая степень загрязнения воздуха в приземном слое. В разбавлении выбросов важное значение имеет скорость ветра: чем она выше, тем быстрее происходит разбавление факела, а следовательно, уменьшается степень загрязнения приземного слоя воздуха.

В практике расчетов высоты трубы, предназначенной для удаления радионуклидов и их разбавления в атмосферном воздухе, пользуются понятием «эффективная высота трубы». Этот показатель получают сложением высоты самой трубы и высоты, на которую благодаря тяге в ней поднимаются выбросы. Чем больше эффективная высота трубы, тем дальше от трубы располагается зона прикосновения факела к земле и тем меньше концентрация в приземном слое воздуха веществ, входящих в состав выбросов.

Последнее обусловлено тем, что с увеличением эффективной высоты трубы возрастает сечение факела выброса в зоне его со- прикосновения с поверхностью земли.

В настоящее время ряд ученых предложили формулы расчета эффективной высоты трубы, удовлетворяющие запросам практики, где учтены не только технические условия (объем выбросов, их температура, удельная активность и др.), но и метеорологические параметры (вертикальный градиент температуры и скорость ветра).

В результате процессов самоочищения атмосферы большая часть радионуклидов выпадает на поверхность земли (некоторое количество короткоживущих радионуклидов в форме аэрозолей и газов остается в атмосферном воздухе).

YAmedik.org