Введение

Естественный радионуклид земного происхождения 40К в атмосферу урбанизированных и природных территорий может поступать с ветровым подъемом пыли с поверхности почвы и может использоваться как репер при оценке вклада ветрового подъема в суммарную радиоактивность атмосферы [4]. В целом, в почвах и грунтах содержатся значительные количества данного элемента – от 100 Бк/кг до 2000 Бк/кг [1,2,6,7]. По разным оценкам среднемировое содержание 40К в различных почвах составляет 300–500 Бк/кг [1,2].

В приземном слое воздуха объемная активность 40К варьирует в пределах 10-5 – 10-8 Бк/м3 [5,8]. Сезонное поведение данного радионуклида отличается как максимум в летний период и минимумом в осенне-зимний, так и относительно равномерным распределением его объемной активности в течение года [5,8].

Данная работа посвящена исследованию источников поступления и распределения 40К в приземном слое атмосферы г. Ростова-на-Дону и оценке его содержания, сезонного поведения и зависимости от некоторых метеопараметров (температуры, количества осадков, относительной влажности).

Объекты и методы их исследования

Объектом настоящего исследования является приземный слой воздуха г. Ростова-на-Дону. Климат Ростова-на-Дону – умеренно-континентальный, с прохладной зимой и жарким летом.

Для отбора проб дисперсной фазы атмосферных аэрозолей в Лаборатории радиоэкологических исследований НИИ физики Южного федерального университета в 2001 году введена в эксплуатацию фильтровентиляционная установка (ФВУ). Атмосферные аэрозоли отбирали на фильтр из ткани Петрянова ФПП-15-1.7 общей площадью 0,56 м3. Реальное (чистое) время экспозиции каждой пробы, определяемое электронным хронометром, составляет 168 часов. Расход воздуха ФВУ составляет около 510–630 м3/час. В целом, за 2002–2011 гг. было отобрано более 500 проб атмосферных аэрозолей.

Для оценки удельной активности 40К в атмосферных аэрозолях использовали радиометрическую низкофоновую установку на основе коаксиального полупроводникового детектора из особо чистого германия (GeНР) с эффективностью 25 % в диапазоне 13–1500 кэВ, отношением пик/комптон 51.7:1.

Активность 40К определяли по пику с энергией 1460,8 кэВ. По разности весов экспонированного и чистого фильтра оценивали запыленность воздуха Р0=Р/V (мкг/м3). Погрешность определения объемной активности 40К не превышала 15 %.

Результаты и их обсуждение

Объемная активность 40К в атмосферных аэрозолях г. Ростова-на-Дону варьирует в широких пределах, от 1,8 до 95,5 мкБк/м3. При этом среднегодовые содержания данного радионуклида (табл. 1), в целом, достаточно высоки – 30–70 мкБк/м3. Полученные данные согласуются для таковых в других регионах [5,8]. Ниже представлены пределы вариации 40К в приземной атмосфере г. Ростова-на-Дону за период с 2002 по 2011 г.

Таблица 1. Объемная активность (ОА) 40К в атмосферных аэрозолях за период 2002–2011 гг., Бк/м3

В целом (рис. 1) сезонное поведение 40К (усредненное за период 2002–2011 гг.) в приземном слое воздуха г. Ростова-на-Дону отличается максимумом в летний период (с июня по октябрь). Подобный сезонный ход характерен для многих радионуклидов в атмосфере различных регионов мира [5,8].

Данное поведение 40К, скорее всего, связано с минимальным количеством осадков и высокими температурами воздуха в летний период и в первый осенний месяц. Для г. Ростова-на-Дону и Ростовской области характерны жаркие и засушливые июль, август и сентябрь. Подобные погодные факторы в совокупности с достаточно сильным ветром создают условия для ветрового подъема пыли с подстилающей поверхности.

Рис.1. Сезонный ход 40К, усредненный за 10 лет, Бк/м3

Корреляция среднемесячных содержаний 40К в атмосферных аэрозолях с количеством выпавших осадков, температурой воздуха, давлением, скоростью ветра и относительной влажностью воздуха, представлена в таблице 2.

Таблица 2. Корреляция среднемесячных содержаний 40К в атмосферных аэрозолях с количеством осадков, температурой, давлением, скоростью ветра, относительной влажностью

Обратная зависимость между объемной активностью 40К в аэрозолях и количеством выпавших осадков, а также с относительной влажностью воздуха обусловлена селективным вымыванием радионуклида из атмосферы. Устойчивая корреляция с температурой воздуха и скоростью ветра на протяжении десятилетнего периода объясняется, прежде всего, тем, что данные метеопараметры оказывают прямое влияние на состояние верхнего слоя почвы, а также являются составляющими механизма ветрового подъема частиц с подстилающей поверхности.

Для более ясного понимания механизмов ветрового подъема 40К в приземный слой атмосферы изучена связь его содержания во фракциях почвы и атмосферных аэрозолей.

В 2006–2008 гг. вдоль автодорог Ростов-Аксай-Новочеркасск был проведен прообоотбор пыли и почв. Для оценки содержания 40К в фракциях придорожной пыли и атмосферных аэрозолях были проанализированы более 170 проб.

Данные по содержанию 40К в пробах пыли и в аэрозольной пыли за летние месяцы 2006–2008 гг. приведены в табл. 3.

Таблица 3. Содержание 40К в пробах пыли и в аэрозольной пыли за летние месяцы 2006–2008 гг., Бк/кг

Хорошее согласие содержания 40К в аэрозолях и придорожной пыли подтверждает тот факт, что содержание этого радионуклида в приземной атмосфере обуславливается ветровым подъемом преимущественно мелкодисперсных фракций почво-грунтов [4].

Более детальную информацию получили при анализе фракций придорожной пыли (рис. 2). Содержание 40K в аэрозолях наиболее близко к содержанию их в самой малодисперсной фракции пыли (<0,06), что свидетельствует о том, что ветровой подъем является основным источником поступления этого радионуклида в приземный слой атмосферы города.

Рис. 2. Зависимость 40K от размера частиц

Анализ результатов определения 40К в различных фракциях (от 1 мм до 60 мкм) придорожной пыли показал возрастание концентраций радионуклида (в 2–4 раза) с уменьшением размера частиц (рис. 2).

В связи с заключением о содержании 40К в придорожной пыли был проведен сравнительный анализ с его содержанием в почве.

Таблица 4. Содержание 40К в пробах почвы

Содержания 40К близки к его средним содержаниям для почв Ростовской области [1,2], но меньше таковых для придорожной пыли из-за зависимости содержаний радионуклида от дисперсности пробы. В более мелких частицах почвы содержания 40К заметно меньше, чем в почве (табл. 4). Таким образом, для этого радионуклида среднее содержание в придорожной пыли меньше, чем в почвах в 1,7–1,8 раза.

Корреляция содержания 40К в атмосферных аэрозолях с запыленностью воздуха представлена в табл. 5 и варьирует в пределах 0,61–0,82.

Таблица 5. Корреляция 40К с запыленностью воздуха

Наличие хорошей и устойчивой на протяжении 10 лет корреляции содержания 40K в атмосферных аэрозолях (табл. 5) с запыленностью приземной атмосферы подтверждает определяющую роль ветрового как основного источника поступления этого радионуклида в атмосферу.

Выводы

За период 2002–2011 гг. получены данные еженедельного контроля содержаний радионуклида 40K. Данные обобщены для получения зависимостей от различных метеопараметров, а также усреднены по годам.

В сезонном ходе 40K имеет место подъем содержания в аэрозолях в весенний период, связанный с перестройкой атмосферы, летнее повышение и зимнее понижение. Имеется локальный максимум в апреле (весенняя перестройка атмосферы) и локальный минимум в июне (вымывание аэрозолей в период максимума количеством осадков).

Для изучения особенностей ветрового подъема 40K в приземный воздух изучены связи его содержания в атмосферных аэрозолях и в почвах и фракциях придорожной пыли.

Хорошее согласие содержания 40К в аэрозолях и придорожной пыли говорит о том, что содержание этого радионуклида в приземной атмосфере обуславливается ветровым подъемом преимущественно мелкодисперсных фракций почво-грунтов, а наличие устойчивой на протяжении 10 лет корреляции содержания 40K в атмосферных аэрозолях с запыленностью приземной атмосферы подтверждает определяющую роль ветрового как основного источника поступления этого радионуклида в атмосферу.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (№ 14.А18.21.0633).

Рецензенты:

Вардуни Т. В., д.п.н., к.б.н., профессор, заведующая отделом экологических инноваций Научно-исследовательского института биологии ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет», г. Ростов-на-Дону.

Симонович Е. И., д.б.н., старший научный сотрудник Научно-исследовательского института биологии ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет», г. Ростов-на-Дону.