Радиоактивность почв. Большая российская энциклопедия

Радиоакти́вность почв, способность почвенных тел к самопроизвольному испусканию частиц различной природы (заряженных – $\alpha, \beta$ и незаряженных – рентгеновские лучи, гамма-кванты, нейтроны и т. п.), обусловленная превращением ядер нестабильных радиоактивных элементов, содержащихся в почве, в ядра других атомов (до стабильных). Различают природную (естественную) и искусственную (техногенную) радиоактивность почв.

Измерение радиоактивности почвы в зоне испытания первой атомной бомбы в Нью-Мексико, США.

Естественная радиоактивность

Естественная радиоактивность обусловлена присутствием в почвах и почвообразующих породах широкого спектра радиоактивных элементов. В биосфере Земли содержится более 80 естественных радионуклидов. Основная их часть представлена т. н. первичными элементами, которые образовались одновременно с другими химическими элементами во время формирования литосферы. Значительная часть естественных первичных радионуклидов представлена тяжёлыми элементами с порядковым номером > 82. Они образуют 3 радиоактивных семейства ²³⁸U, ²³⁵U и ²³²Th. Конечными продуктами их распада являются стабильные изотопы свинца. Всего эта группа включает в себя 43 радионуклида.

Среди продуктов радиоактивного распада урана наибольший вклад в естественную радиоактивность вносят ²¹⁰Po, ²²⁶Ra, ²²²Rn, ²¹⁰Pb. Внутри этого ряда особо следует отметить ²²²Rn (T_1/2 – 3,8 сут). Радон и продукты его распада являются основным источником формирования естественной радиоактивности в нижних слоях атмосферы. Этот газ на ¾ формирует индивидуальную дозу облучения, получаемую населением от земных источников излучения, и половину от всех естественных источников излучения.

Другая группа естественных первичных радионуклидов, которые не относятся к тяжёлым, – лёгкие элементы. Она состоит из 24 долгоживущих радиоактивных изотопов таких элементов, как ⁴⁰К, ⁸⁷Rb, ¹²⁴Sn.

Первичные радионуклиды присутствуют во всех компонентах природных сред. Наибольшее их количество отмечается в магматических породах, в частности кислых изверженных породах (например, гранит); меньшее – в осадочных образованиях. Вместе с тем в глинистых сланцах и глинах удельная активность природных радионуклидов также достаточна высока и приближается к таковой в кислых изверженных породах (таблица 1).

Таблица 1. Средние уровни удельной активности некоторых первичных радионуклидов в горных породах, Бк∙кг^–1*

Породы	²³⁸U	²³²Th	⁴⁰K
Магматические породы
Кислые	59,2	81,4	999
Средние	24,8	35,2	434
Основные	12,2	16,3	163
Ультраосновные	3,7	2,6	15
Осадочные породы
Глины и сланцы	44,4	48,1	870
Песчаники	25,9	7,0	118
Известняки	17,4	7,0	89
Гипс	1,1	1,5	33
Метаморфические породы
Гнейсы	40,7	62,9	1036
Мраморы	14,8	7,4	67
Кварциты	6,7	2,6	37

*Бк (Беккерель) – основная единица радиоактивности (1Бк = 1 ядерное превращение ∙ с^–1).

Источник: Тяжёлые естественные радионуклиды в биосфере: миграция и биологическое действие на популяции и биогеоценозы, 1990.

В метаморфических породах уровни нахождения рассматриваемых радионуклидов соизмеримы с таковыми в исходных горных образованиях.

В зависимости от условий формирования (почвообразующие породы, минералогический и гранулометрический состав) удельная активность первичных радионуклидов в почвах мира значительно варьирует (таблица 2).

Таблица 2. Средняя удельная активность некоторых природных радионуклидов в почвах различных стран мира, Бк ∙ кг^–1

Страна	²³⁸U	²²⁶Ra	²³²Th	⁴⁰K
Алжир	$\frac{30}{2-110}$ *	$\frac{50}{5-180}$	$\frac{25}{2-140}$	$\frac{370}{66-1150}$
Египет	$\frac{37}{6-120}$	$\frac{17}{5-64}$	$\frac{18}{2-96}$	$\frac{320}{29-650}$
Индия	$\frac{29}{7-81}$	$\frac{29}{7-81}$	$\frac{64}{14-160}$	$\frac{400}{38-760}$
Ирландия	$\frac{37}{8-120}$	$\frac{60}{10-200}$	$\frac{26}{3-60}$	$\frac{350}{40-800}$
Китай	$\frac{33}{2-690}$	$\frac{32}{2-440}$	$\frac{41}{1-360}$	$\frac{440}{9-1800}$
Португалия	$\frac{49}{26-82}$	$\frac{44}{8-65}$	$\frac{51}{22-100}$	$\frac{840}{220-1230}$
Россия	$\frac{19}{0-67}$	$\frac{27}{1-76}$	$\frac{30}{2-79}$	$\frac{520}{100-1400}$
США	$\frac{35}{4-140}$	$\frac{40}{8-160}$	$\frac{35}{4-130}$	$\frac{370}{100-700}$
В среднем по миру	$\frac{35}{2-690}$	$\frac{35}{1-900}$	$\frac{30}{1-360}$	$\frac{400}{0-1800}$

* В числителе – среднее значение, в знаменателе – диапазон варьирования.

Источник: Sources and Effects of Ionizing Radiation. United Nations Scientific Committee on Effects of Atomic Radiation, 2000.

В целом наиболее высокие уровни удельной активности природных радионуклидов отмечаются в почвах, сформированных на кислых изверженных породах (гранитах), значительно меньшие – на осадочных породах, особенно на известняках, доломитах и кварцевых песках.

К естественным радиоактивным элементам, кроме первичных, относятся и космогенные элементы, поступающие на поверхность Земли из атмосферы, где они образуются в результате взаимодействия космического излучения с ядрами атомов О, N, Ar. Эта группа включает 20 радионуклидов, к наиболее значительным из которых относятся ³H, ⁷Be, ¹⁴C, ²²Na, ³²Р, ³⁵S (таблица 3).

Таблица 3. Скорость образования и активность космогенных радионуклидов в тропосфере

Радионуклид	Скорость образования, ПБк ∙ год^–1	Объёмная активность в тропосфере, мБк ∙ м^–3
³H	72	1,4
⁷Be	1960	12,5
¹⁴C	1,54	56,3
²²Na	0,12	0,0021
³²Р	73	0,27
³⁵S	21	0,16

Источник: Sources and Effects of Ionizing Radiation. United Nations Scientific Committee on Effects of Atomic Radiation, 2000.

Скорость образования космогенных радионуклидов, перенос их из стратосферы в атмосферу, осаждение на поверхность Земли существенно зависят от географического положения, высотных показателей местности, климатических факторов, что определяет величину их поступления в биосферу и уровни нахождения в почвах.

Искусственная радиоактивность

Появление техногенных радионуклидов в биосфере связано с деятельностью человека. Они поступают в окружающую среду при испытаниях ядерного оружия, в результате технологических и аварийных выбросов на предприятиях ядерно-топливного цикла (в первую очередь атомных электростанций). Данные элементы представлены:

продуктами ядерного деления (¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr, ¹³¹I, ⁹⁵Zn, ⁹⁵Nb, ¹⁴⁴Ce, ¹⁰⁶Ru и др.);
элементами наведённой активации (¹⁵⁹Fe,^58,60Co, ¹¹⁰Ag, ⁶⁵Zn, ⁵⁴Mn и др.);
трансурановыми элементами (^238‑240Pu, ^242,244 Cm, ^241,243 Am и др.).

В составе радиоактивных выпадений эти изотопы поступают на земную поверхность и включаются в процессы почвообразования (таблица 4).

Таблица 4. Оценка выбросов техногенных радионуклидов, ПБк

Источник	³H	¹⁴C	Радиоактивные благородные газы	⁹⁰Sr	¹³¹I	¹³⁷Cs
Атмосферные ядерные взрывы	2,4 ∙ 10⁵	220	–	604	6,5 ∙ 10⁵	910
Подземные ядерные взрывы	–	–	50	–	15	–
Ядерный топливный цикл
Работа реакторов	140	1,1	3200	–	0,4	–
Переработка отработанного ядерного топлива	57	0,3	1200	6,9	4 ∙ 10^–3	40
Производство и использование радионуклидов	2,6	1,0	52	–	6,0	–
Аварии
Три-Майл-Айленд	–	370	–	6∙10^-	–	40
Чернобыль	–	–	–	–	630	70
Кыштым	–	–	–	5,4	–	0,04
Селлафилд	–	1,2	–	–	0,7	0,02
«Космос-954»	–	–	–	3∙10^–3	0,2	3 ∙10^–3
Фукусима-2	–	–	до 44	–	до 400	до 20

Источник: Сапожников, 2006; The Fukushima Daiichi Accident, 2015.

Поведение радиоактивных изотопов в почвах определяется химической природой и свойствами радиоактивных элементов, физико-химической формой соединений радионуклидов в выпадениях, а также, как и природных радионуклидов, составом и свойствами почв, ландшафтными особенностями территории загрязнения, климатическими показателями, фактором времени.

Удельная активность техногенных радионуклидов в почвах во многом зависит от объёма и состава выброса, масштабов загрязнения территории, её ландшафтных характеристик, а также состава и свойств самих почв.

Щеглов Алексей Иванович, Цветнова Ольга Борисовна, Манахов Дмитрий Валентинович