Текст книги "Физика в быту"

К определению максимальных безопасных доз облучения, не повышающих риска болезни в долгосрочной перспективе, подбирались постепенно, «наощупь».

В 1928 году была организована Международная комиссия по радиологической защите (МКРЗ), которая стала предлагать свои рекомендации по нормированию излучений и мерам радиационной защиты. В 1934 году эта комиссия рекомендовала ограничить облучение персонала, работающего с рентгеновскими и радиоактивными источниками, предельной дозой 500 мЗв в год. Эта рекомендация была просто ужасна! За 10 лет при таком облучении набирается смертельно опасная доза 5 Зв. Человек, ежегодно получавший такую дозу, не умирал от острой лучевой болезни, потому что это не единовременное облучение, а об отделённых последствиях тогда почти ничего не знали.

В 1948 году Международная комиссия по радиологической защите установила понятие предельно допустимой дозы (ПДД). ПДД – это такая доза, которая при непрерывном облучении в течение 50 лет не должна вызывать клинически выявляемые повреждения человеческого организма. Исходя из этого определения, в 1958 году была рекомендована ПДД для профессионалов: до 50 мЗв в год. Сейчас эта норма снижена до 20 мЗв в год.

Тогда же было впервые рекомендовано ограничение дозы техногенного облучения для населения в целом: 5 мЗв в год. В настоящее время эта рекомендация снижена до 1 мЗв в год. Мы ещё вернёмся к обсуждению действующих в нашей стране ПДД для населения позже, после того, как поговорим о естественном радиационном фоне. Ведь именно его среднее значение служит отправной точкой для рекомендаций по ограничению техногенного облучения.

Международная комиссия по радиологической защите – некоммерческая организация, в которой на добровольной основе работает более двухсот авторитетных специалистов. Большинство стран, включая Россию, учитывает рекомендации этой комиссии при разработке национальных стандартов радиационной безопасности.

Глава 3
Естественный радиационный фон

Естественные источники радиации можно разделить на две основные группы: источники земного происхождения (они обеспечивают в среднем около 85 % эффективной эквивалентной дозы) и космические лучи (около 15 %). Около двух третей полученной от всех естественных источников дозы приходится на внутреннее облучение.

Естественный радиационный фон сильно отличается для разных географических мест и на разных высотах над уровнем моря. В этой главе мы обсудим основные составляющие этого фона и причины таких различий.

Забудем на время про космическое излучение и поговорим о земной радиации. От земных источников население Земли получает в среднем эффективную эквивалентную дозу 2 мЗв в год, в основном от почвы и воздуха. Но в одних местах уровень радиации может быть гораздо выше среднего, в других – ниже. Это зависит от концентрации радиоактивных веществ в том или ином участке земной коры. Есть отдельные места (пляжи в Бразилии, Индии и Китае) с очень высоким фоном, достигающим 250 мЗв в год! Этот гигантский фон связан с чёрным песком, содержащим много тория и радия. Большинство населения Земли живёт в местах с небольшим радиационным фоном (менее 1 мЗв год), но на некоторых территориях обитатели получают 15–20 мЗв в год (мы ещё вернёмся к разговору о таких местах).

Запомним эти средние фоновые значения: 2 мЗв в год, или 0,22 мкЗв в час (бытовые дозиметры обычно показывают мощность дозы в мкЗв/ч).

Высоким считается уровень естественного облучения более 5 мЗв/год (0,6 мкЗв/ч).

Перечислим основные источники земной радиации.

1) Радиоактивность земных недр. Основной вклад в неё дают уран, торий, калий-40 и рубидий-87. Земная поверхность обеспечивает нам в среднем 0,35 мЗв внешнего гамма-облучения, потому что только это излучение может «вырваться наружу» из земных недр.

2) Среди продуктов распада урана и тория есть радиоактивные газы радон и торон, которые просачиваются из земной коры в атмосферу, а оттуда – в наши лёгкие. Именно эти газы и продукты их распада являются виновниками львиной доли естественного внутреннего облучения. Мы ещё вернёмся к более подробному разговору о них.

3) Радиоактивные изотопы в еде и воде – тоже источники внутреннего облучения. Все продукты питания содержат те или иные радиоактивные изотопы и обеспечивают нам один или несколько процентов годовой эффективной дозы. Так, мы уже упоминали радиоактивный калий-40, всегда сопровождающий «обычный» калий. Всё, что богато калием, имеет повышенную радиоактивность: самые обычные бананы, курага и прочие продукты. Чемпионом по радиоактивности среди растительных продуктов считается бразильский орех: он в 3,5 раза активнее бананов того же веса и содержит, помимо радиоактивного калия, изотопы радия. Радиоактивные изотопы свинца и полония концентрируются в рыбе и моллюсках. Фосфатные удобрения, содержащие уран, обеспечивают радиоактивность овощей и фруктов, а также животных продуктов. В воде, особенно артезианской, может быть растворено больше или меньше радона (но он легко удаляется кипячением).

4) Радиоактивность собственного тела. 0,2 % массы нашего тела составляет калий, в том числе радиоактивный калий-40. Он сосредоточен главным образом в мышечной ткани, его вклад в годовую дозу около 0,2 мЗв. Способов избавиться от радиоактивного калия в наших телах не существует.

Отметим ещё радиоактивный изотоп углерод-14 (радиоуглерод), постоянно образующийся в атмосфере под действием галактического космического излучения и попадающий в живые организмы с воздухом и едой. Хотя его вклад в совокупную дозу невелик, он весьма опасен. Беда в том, что радиоуглерод наряду с обычным углеродом по пищевым цепочкам проникает во все органы и ткани, а также в молекулы ДНК. Когда же углерод-14 в молекуле ДНК распадается, превращаясь в азот, состав ДНК изменяется, то есть происходит генная трансмутация, и это необратимый процесс. Такие изменения не восстанавливаются репаративной системой организма. Радиоуглерод – один из важных факторов, определяющих темп старения человека.

В годы повышенной солнечной активности концентрация радиоуглерода в атмосфере уменьшается, так как солнечный ветер частично защищает Землю от галактических частиц высоких энергий.

Максимальные концентрации радиоуглерода наблюдались в 1945–1963 годы в связи с испытаниями ядерного оружия в атмосфере. Это привело к сокращению жизни людей – современников этих испытаний.

Хотя всё перечисленное является естественными источниками облучения, в каких-то пределах у нас есть выбор: где жить, что есть и пить.

Один из продуктов распада уранового ряда – радон, радиоактивный газ без запаха и цвета, то есть мы не можем почувствовать его присутствие. Это инертный газ, как гелий или неон, не вступающий в химические реакции с другими веществами. Его период полураспада равен 3,8 суток. Он постоянно просачивается в атмосферу из почвы, скальных пород и стройматериалов.

Радон вместе со своими продуктами распада, тоже радиоактивными, отвечает более чем за половину дозы облучения от всех естественных источников. Дозы облучения в основном обусловлены вдыханием не самого радона, а короткоживущих дочерних продуктов его распада – изотопов полония, висмута и радиоактивного свинца. Попадая в дыхательные пути и частично оседая там, они облучают нас изнутри и вызывают радиационные повреждения лёгких и бронхов, что намного увеличивает риск заболеть раком лёгких. Многие ученые считают радон второй по значимости (после курения) причиной рака лёгких у человека. В сочетании с табачным дымом онкогенный эффект действия радона и продуктов его распада возрастает в несколько раз.

Радон высвобождается из земной коры через трещины или с грунтовыми водами повсеместно, но его содержание в воздухе сильно отличается в разных местах земного шара и зависит от состава пород. Радон особенно активно выделяется в зонах разломов, которые представляют глубокие трещины в верхней части земной коры. Вообще, любые нарушения структуры земной коры, например, глубокие скважины, могут быть источниками поступления радона в атмосферу. В России есть радоноопасные регионы (Москва к ним не относится). Это отдельные районы Карелии и Ленинградской области, Кольский полуостров, Алтайский край, Уральский регион, зона Кавказских минеральных вод. Радоновые карты России вы можете найти в Интернете.

По данным Роспотребнадзора, средняя по России мощность дозы облучения от всех природных источников за период 2001–2019 гг. составила 3,6 мЗв/год. Это больше среднемирового значения почти в 1,5 раза. Виновник превышения – радон, на него приходится средняя годовая доза 1,7 мЗв. В радоноопасных районах годовые дозы достигают 5–10 мЗв.

Миллионы французов, австрийцев, испанцев, шведов и финнов живут в местах, где содержание радона в наружном воздухе гораздо выше среднего. А филиппинцам, боливийцам и японцам, наоборот, повезло: у них концентрации радона ниже средней.

Вероятно, организмы жителей, веками населяющих территории с высоким естественным радиационным фоном, давно адаптировались к повышенному уровню радиации. По крайней мере, эксперименты на мышах, находившихся длительное время в условиях повышенной радиации, показали, что к 40-му поколению вся популяция становится радиационно устойчивой, а некоторый её процент выдерживает даже смертельные дозы. Может быть, астронавтов для далёких космических путешествий будут набирать из жителей районов с повышенной концентрацией радона?

Посещать такие места вполне безопасно (вспомним про радиационный гормезис), но переезжать на постоянное жительство из мест с гораздо более низким радиационным фоном, возможно, неразумно.

Как это ни странно, но основную часть дозы облучения от радона мы получаем, находясь в закрытых помещениях. Концентрация радона в домах обычно в несколько раз выше, чем в наружном воздухе, а иногда во много раз выше. Часть радона попадает в здания из наружного воздуха, но главный источник его поступления в дома – это грунт и строительные материалы. Радон просачивается в подвалы через фундамент и пол, а так как он в 7,5 раз тяжелее воздуха, то скапливается в плохо проветриваемых подвалах, проникая через микрощели и трещины на нижние этажи, а через вентиляционные системы – на более высокие этажи. Герметизация помещений с целью утепления сильно ухудшает ситуацию с радоном.

В 1970-е годы во время энергетического кризиса в странах Северной Европы чересчур увлеклись герметизацией жилых домов. В результате концентрация радона в некоторых частных домах в Швеции и Финляндии превышала наружную в 5000 раз!

Даже в рядом стоящих зданиях концентрация радона может различаться в десятки раз. Это сильно зависит от наличия в грунте разломов и трещин, от проницаемости почвы для радона, мощности и глубины залегания ураносодержащих пород. В регионах с повышенным выделением радона при проектировании домов предусматривается установка специальных радоноизолирующих перекрытий, препятствующих попаданию радона из грунта в здание.

На первый взгляд кажется, что чем выше этаж, тем меньше там должно быть радона. Однако измерения показали, что зависимость концентрации этого газа от высоты не столь проста. По прихоти домовой вентиляционной системы радона на высоком этаже может быть не меньше, чем внизу здания.

Иногда повышенные концентрации радона в помещениях бывают связаны с качеством строительных и отделочных материалов, использованных при постройке или ремонте дома. К счастью, самые распространённые материалы – дерево, кирпич и бетон – выделяют мало радона (причём силикатный кирпич в этом отношении лучше красного). Относительно большой радиоактивностью обладают гранит, туф и пемза. Ещё более радиоактивны глинозёмы, которые до 1970-х использовались, к примеру, в Швеции при производстве бетона. Эти материалы создают как внешнее гамма-облучение, так и внутреннее за счёт выделения радона.

Центральный вокзал Нью-Йорка отличается своим высоким радиационным фоном благодаря граниту, из которого построены основание и стены. Повышение уровня радиации фиксируется также на любых гранитных набережных и скамейках. Но всё это в пределах безопасных доз.

Ещё один, хотя и менее существенный, источник поступления радона в наши дома – это вода. В обычной водопроводной воде радона мало, но в воде из глубоких артезианских скважин может быть растворено много радона. Основная опасность происходит не от потребления воды, а от попадания паров такой артезианской воды в лёгкие вместе с воздухом, что чаще всего происходит в ванной комнате. Через несколько минут работы душа концентрация радона в ванной комнате может стать в десятки раз выше, чем в остальных помещениях, и лишь через 1,5 часа она снизится до исходного уровня (ведь, как правило, вентиляция ванных комнат затруднена).

Радон содержится в природном газе. Его концентрация в помещении может заметно возрасти, если кухонные плиты, отопительные и водонагревательные приборы, в которых сжигается газ, не снабжены вытяжкой.

Радон в жилых домах является серьёзной угрозой здоровью. Что можно сделать для уменьшения его концентрации в зданиях:

– улучшить вентиляцию домов, особенно подвалов,

– герметизировать полы и стены подвалов,

– герметизировать стыки полов и стен на всех этажах.

Содержание радона (вместе с продуктами его распада) измеряют с помощью специальных датчиков радона, которые показывают, сколько распадов происходит за секунду в одном кубометре воздуха. Немного цифр для ориентировки. Среднемировое содержание радона в помещениях создаёт активность 45 распадов в секунду на кубометр воздуха. На территории РФ концентрация радона в помещениях изменяется от 11 (Архангельская область) до 250 (Республика Горный Алтай) распадов в секунду на кубометр. Действующий норматив для новых жилых домов – 100 распадов в секунду на кубометр, а для уже эксплуатируемых жилых зданий – 200 распадов в секунду на кубометр. Если активность радона в жилищах превышает 200 распадов в секунду на кубометр, у жителей регистрируется рост частоты рака лёгких.

Казалось бы, чем меньше радона в домах, тем безопаснее для их обитателей. Но недавно были проведены интересные исследования в Венгрии и США. В результате очень большого числа измерений активности радона в типичных домах выяснилось, что минимум частоты рака наблюдается не при минимуме радона в жилищах, а при 110–185 распадах за секунду на кубометр. Видимо, это проявление радиационного гормезиса. Так что исследования продолжаются.

В межсезонье, когда уже похолодало, но отопление ещё не включили, содержание радона в домах возрастает. Почему? Потому что люди реже открывают окна.

Главная и простая рекомендация для всех: чаще проветривайте помещение, и вы сможете быть спокойны насчёт радона.

Чем выше над уровнем моря, тем больше интенсивность космического излучения, ведь толщина защитного слоя воздуха уменьшается. Если на уровне моря космическое излучение обеспечивает нам среднюю эффективную дозу 0,3 мЗв в год, то на высоте 4 км (максимальная высота, на которой ещё встречаются человеческие поселения) эта доза возрастает до 2 мЗв в год, то есть сравнивается со средней годовой дозой от земной радиации. Мощность дозы на высоте 12 км в 25 раз выше, чем в среднем на поверхности Земли.

Все пассажиры и экипаж авиалайнеров подвергаются добавочному облучению, ведь корпус и внутренняя обшивка самолёта практически не ослабляют космическое излучение, а делать корпус толще для защиты от него нерентабельно. Полученная в самолёте доза пропорциональна времени полёта; она также зависит от состояния солнечной активности, высоты и широты, на которых происходит полёт. В приполярных маршрутах мощность дозы существенно выше, так как именно здесь быстрые заряженные частицы космических лучей проникают ближе всего к поверхности Земли. В средних широтах в отсутствие солнечных выбросов при полёте на высоте 10 км мощность дозы составляет 3 мкЗв в час; при подъёме на высоту 11 км будет уже 4 мкЗв в час, на высоте 12 км (максимальная высота полёта авиалайнеров) – более 6 мкЗв в час. При солнечных вспышках и выбросах мощность дозы возрастает во много раз. Но если вы летаете не очень часто, то о добавочном космическом облучении можете не беспокоиться.

За 20 трёхчасовых перелётов в спокойных радиационных условиях вы получите суммарную дозу около 0,2 мЗв, что в 10 раз меньше средней годовой дозы от естественных источников и немного меньше дозы от одного рентгеновского снимка лёгких на плёнку.

Для членов экипажей самолётов установлен профессиональный норматив: не более 5 мЗв в год. Правда, выполнение этого норматива весьма трудно контролировать, потому что кабины пилотов не оснащены дозиметрами. В советское время пилотам не разрешалось летать более 70 часов в месяц; сейчас эта нома увеличена до 90 часов. Исследования, проведённые западными медиками, показали: у пилотов, налетавших более 5000 часов (и получивших вследствие этого дополнительные дозы более 20 мЗв), уровень заболеваемости раком крови, лейкемией и меланомой повышен на 20–30 %. У стюардесс, летающих более 15 лет, вероятность заболеть раком лёгких возрастает на 30 %.

Ещё большему космическому облучению подвергаются космонавты. Полёты на околоземных орбитах проходят выше границы плотной атмосферы, но всё же под защитой радиационных поясов, которые простираются от высот 300 км до 40 тысяч км над поверхностью Земли. За сутки космонавт МКС (высота орбиты около 400 км) получает от 0,3 до 0,8 мЗв, за год набирается около 200 мЗв, что в 10 раз превышает профессиональный норматив работников атомной промышленности. А если на Солнце случается мощный протонный выброс, космонавт получает дополнительно до 30 мЗв. К счастью, такие события происходят не чаще 1–2 раз за 11-летний цикл солнечной активности. Астрофизики давно и упорно ищут способы предсказывать такие события, но пока задача не решена.

Ещё острее стоит проблема радиационной защиты при разработке планов колонизации других планет. За полгода пребывания на поверхности Марса человек получит среднюю дозу излучения около 120 мЗв. Эта цифра сопоставима с дозой облучения за такой же срок на МКС. На Луне доза облучения вдвое выше. Марсианина всё же защищает атмосфера, хоть она и разреженная, магнитного же поля у Марса практически нет. А на Луне нет ни того, ни другого. Но за время перелёта к Марсу, если он также займет полгода, доза облучения составит уже 350 мЗв, если не будут предприняты специальные защитные меры. Возможно, придётся устанавливать защитное покрытие на жилой модуль космического корабля или хотя бы на отдельный «штормовой» отсек, в котором космонавты смогут пережидать мощные солнечные выбросы.

Глава 4
Техногенные источники радиации

С середины XX века люди начали использовать атомную энергию и сотни искусственно созданных радиоактивных изотопов в самых разных целях, главные из которых – атомное оружие, производство энергии, медицинские исследования и лечение. Это привело к увеличению доз облучения людей.

Перечислить все источники техногенного облучения населения сложно, да и не всегда понятно, к какому типу отнести тот или иной источник – естественному или техногенному (например, строительные материалы, или радиоактивность пищи, обусловленная ядерными взрывами, или полёты на самолётах). Вот приблизительный перечень основных техногенных источников радиации:

• медицинские исследования и процедуры,

• последствия ядерных взрывов в атмосфере,

• сжигание угля,

• фосфатные удобрения, содержащие уран,

• атомная энергетика, включая добычу и переработку руды,

• курение,

• радиоактивные предметы быта,

• сканеры на транспорте.

Для обычного человека, чья профессия не связана с повышенным облучением, годовая доза от техногенных источников обычно в несколько раз меньше дозы от естественных источников. Для разных людей дозы техногенного облучения отличаются друг от друга гораздо сильнее, чем дозы от естественного облучения. К примеру, кто-то делает ежегодную флюорографию, а кто-то нет, кто-то курит, а кто-то нет… Что касается ранжирования техногенных источников по степени значимости, то это тоже очень индивидуально. Мы будем в дальнейшем приводить некие усреднённые значения доз.

Федеральный закон о радиационной безопасности населения в настоящее время устанавливает предельную годовую эффективную дозу для техногенного облучения населения, равную 1 мЗв. При этом оговаривается, что в отдельные годы допустимы бóльшие значения при условии, что средняя годовая доза за пять последовательных лет не превысит 1 мЗв. Это значит: если вы в какой-то год получили 5 мЗв, то следующие 4 года не должны подвергаться никакому техногенному облучению. Важно подчеркнуть: предельная доза 1 мЗв не включает в себя дозы, полученные при проведении рентгенорадиологических процедур и лечения – эти дозы оговариваются отдельно.

При проведении профилактических рентгенорадиологических обследований (то есть обследований здоровых людей) рекомендовано ограничить дозы облучения до величины 1 мЗв в год. Что касается лечения больных людей, то здесь решения о применяемых дозах принимают врачи – пределы доз не устанавливаются.

Несмотря на все индивидуальные различия, можно с определённостью сказать одно: главный источник техногенного облучения в современной жизни – это медицина.