137CS в приземном слое воздуха

Аннотация

Стасов В.В.

На основе анализа значительного массива исходных данных для изучения механизмов ветрового подъема использовался особый подход для условий крупного населенного пункта на примере города Ростова-на-Дону. В предложенном подходе заложена возможность оценки загрязнения атмосферы города аэрозольной пылью (в том числе радиоактивной), определения источников ее появления и создания математической модели для описания этих процессов. Ключевые слова: ветровой подъем, эффект сальтации, радионуклид, метеопараметры, приземный слой воздуха, объемная активность, мелкодисперсная фракция, радиоактивное загрязнение

25.00.36 - Геоэкология

¹³⁷CS В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ ВОЗДУХА

НИИ Физики при Южном Федеральном Университете

Искусственный радионуклид ¹³⁷Cs поступал непосредственно в атмосферу с продуктами деления от испытаний ядерного оружия и от крупных ядерных аварий. В результате естественных процессов, в том числе сухого осаждения и вымывания атмосферными осадками, атмосфера со временем очищалась, а земная поверхность загрязнялась. Период полувыведения ¹³⁷Cs из нижней стратосферы ~10,4 месяца (после ядерного взрыва в атмосфере) и ~1 месяц из тропосферы при ядерной аварии (такой как авария ЧАЭС). В то же время атмосфера вторично загрязняется пылью, поднятой в приземный слой воздуха с загрязненной земной поверхности. Такой механизм загрязнения имеет место всегда, но особенно заметен при значительном загрязнении местности, в особых природных условиях и при самоочищении атмосферы от первичных радиоактивных загрязнений становится определяющим.
К 1987-2000 гг. поступление тропосферного ¹³⁷Cs в приземную атмосферу стало минимальным, а его содержание стало полностью определяться ветровым подъемом [1].
Процесс ветрового подъема радиоактивности изучается со времен первых глобальных выпадений. Интерес к этой проблеме особенно возрос после аварии ЧАЭС в связи необходимости оценки вторичного загрязнения дезактивированной или ранее чистой территории за счет ветрового подъема [2, 3, 4].
Механизм ветрового подъема согласно [2, 4] заключается в том, что даже при небольшой скорости ветра (2-3 м/с) наиболее мелкие частицы пыли, несущие радионуклиды (<1-2 мкм) поднимаются с поверхности почвы и практически не оседают под действием силы тяжести. С увеличением скорости ветра кроме мелких частиц в воздух могут подниматься и более крупные. В целом из полидисперсных почвенных частиц ветер выдувает наиболее мелкие фракции, которые поступают в атмосферу и частично вновь выпадают на земную поверхность за счет сухого осаждения или вымывания атмосферными осадками.
Крупные частицы (до 0,1 мм) поднимаются ветром в воздух и вновь оседают, передвигаясь в потоке ветра скачками (эффект сальтации). При скоростях ветра до 10 м/с частицы размером >0,5 мм не могут подпрыгивать и лишь перекатываются по поверхности почвы. Сальтация и перекатывание частиц почвы являются основными процессами ветровой эрозии почв (дефляции) [5].
Особенно сложен учет ветрового подъема радиоактивности для крупных промышленных центров. Существующие способы определения параметров ветрового подъема и принятые модели [2] не могут быть применены в условиях города из-за разнообразия процессов осаждения и переноса радионуклидов при значительном числе разнообразных микроландшафтов [4].
Поэтому представляется актуальной попытка применения обобщенного подхода для оценки ветрового подъема радиоактивности (в частности ¹³⁷Cs ) для крупного населенного пункта (в частности г.Ростова-на-Дону).
Наш подход основан на том, что: 1) пункт непрерывного контроля радионуклидного состава приземного слоя воздуха (аспирационная станция) с одновременной регистрацией метеопараметров расположена в черте города; 2) относительно пункта контроля (АС) территория города и пригородов разделены на 8 секторов в соответствии с направлениями ветра; 3) территория в пределах каждого сектора разделена на минимальное количество зон, специфичных относительно пыления территории (техногенного и от ветрового подъема) и возможного наличия или отсутствия загрязнения ¹³⁷Cs ; 4) метеорологические условия в 2006-2007 гг. резко отличались от таковых в 2002-2005 гг. Величины запыленности и объемной активности ¹³⁷Cs рассматривались отдельно, дополнительно изучался сезонный ход этих величин. Предполагается, что при более сильных ветрах восточного направления зона влияния ветрового подъема распространяется и на восточный пригород.
При этом для разделения на сектора и зоны использовалась карта-схема г.Ростова-на-Дону. Определялись относительные площади α: зеленой зоны, зоны застройки (жилой и промышленной), зоны наиболее загруженных автомобильных дорог (наиболее загрязненных, ширина принята 25 м) и зоны сельскохозяйственных угодий (пахотных земель) при расстоянии от АС до границы сектора R=4 км (до восточной границы города) и R=10 км (включая восточный пригород). Источником техногенной пыли считались зоны застройки и автодорог, но первая не давала вклад в содержание ¹³⁷Cs в атмосферном воздухе, так как он практически полностью был смыт в зону открытого грунта (то есть в земную зону) или покрыт асфальтом, бетоном, строительными конструкциями и различными отходами [4].
Учитывалась зависимость ветрового подъема от типа подстилающей поверхности (пахота, лес, луг и др.), ее состояния (сухая, влажная, мокрая), дисперсности образующих ее частиц, скорости ветра [2, 4, 5], а так же, в частности, зависимость коэффициента ветрового подъема α от скорости ветра V (м/с), которая в [4] указана в общем виде α~Vⁿ, где n может быть ≤4,8, а зависимость от состояния подстилающей поверхности в [2] указана в виде α~х_i-1,4, где х_i может быть шероховатостью почвы (см), высотой травяного покрова (см) или сухой массой растительности (г/см2).
Основным источником поступления ¹³⁷Cs в приземный слой воздуха согласно имеющимся данным [2,4] являются пахотные земли, а также в меньшей степени зеленая зона (газоны, парки, сады, лесопосадки и т.д.) и поднятая при движении транспорта придорожная пыль.
Для условий города (R=4 км) по данным определений содержания пыли в приземном слое воздуха Р (10-5 г/м³) за 2002-2005 гг. при средней силе ветра  (балла) и числе среднемесячных значений n в i-х секторах с относительной долей зон α_iк: зеленой α_i1, застройки α_i2 и дорог α_i3 (Таблица 1) составлены уравнения вида :

Таблица 1

Получаем систему трех уравнений:

n=32  (1)  0,488 S₀P₁₁+0,512 S₀ P₁₂=9,89;
n=8    (2)  0,528 S₀P₂₁+0,438 S₀P₂₂+0,034 S₀P₂₃=7,80;
n=12  (3)  0,642 S₀P₃₁+0,347 S₀P₃₂+0,011 S₀P₃₃=9,65;

где S₀ – площадь сектора (км²). В уравнениях принято, что пыление равномерно по площади в каждой зоне и не зависит от сектора. Решая уравнения (1)-(3) получим вклады 1 км² каждой зоны в запыленность атмосферы:
Р₁=0,83*10^-5г/м³км², Р₂=2,30*10^-5г/м³км² и Р₃=18,57*10^-5г/м³км²
Для этих же условий можно составить уравнения для объемной активности ¹³⁷Cs (А, мкБк/м³) в приземном слое атмосферы города:
n=32  (1)  0,488 S₀А₁₁  = 1,50;
n=8    (2)  0,528 S₀ А₂₁  +  0,034 S₀ А₂₃  = 1,64;
n=12  (3) 0,642 S₀А₃₁  +  0,011 S₀ А₃₃  = 2,52.
Здесь, согласно сказанному выше, принято, что вклад зоны застройки в загрязнении атмосферы отсутствует, то есть А₂=0.
Тогда решая (1)-(2), учитывая площадь сектора S₀ =6,28 км2, получим:
А₁ = 0,482 мкБк/м³км²    и    А₃ = 0,094 мкБк/м³км².
Относительные вклады секторов в загрязнение атмосферы ¹³⁷Cs будут:
северный -                 зеленая зона  100%,  дороги  —;
северо-восточный -  зеленая зона  98,8%,  дороги  1,2%;
восточный -               зеленая зона  99,7%,  дороги  0,3%.
Для 2006-2007 гг. с преобладанием сильных ветров в восточном направлении рассмотрение проведено для секторов при R=10 км для двух направлений ветра (Таблица 2) с учетом техногенных источников запыленности  (застройка, аэропорт, дороги) и естественных источников  (сельскохозяйственные угодья).

Таблица 2

Тогда  и  (10-5 г/м3) определяются по уравнениям:

(1)        0,24 S₀ P_1e  +  0,37 S₀ P_1т  = 8,39;

(2)              0,53 S₀ P_т  = 6,38.

Учитывая, что в этом случае S₀ = 40 км², получим:
P_e = 0,41 * 10^-5 г/м³км²      и     P_т  = 0,30 * 10^-5 г/м³км².
Для объемной активности ¹³⁷Cs в секторах в этих же условиях А_ik (мкБк/м³):

восток  n=12   (1)         0,33 S₀ А₁+0,24 S₀ А_с/х+0,06 S₀ А₃=2,80

при α₁ =0,33; α_с/х =0,24; α₃=0,06;

север n=3   (2)          0,61 S₀ А₁=2,32

при α₁ =0,61;

запад n=3   (3)         0,47 S₀ А₁+0,11 S₀ А₃=1,93

при α₁=0,47; α₃=0,11.

Решение (1) - (2) дает вклады 1 км² каждой зоны в содержание ¹³⁷Cs в приземном воздухе:
А₁ = 0,605 мкБк/м³км², А_с/х = 0,976 мкБк/м³км² и А₃ = 0,203 мкБк/м³км².

Используя полученные данные по объемной активности ¹³⁷Cs в воздухе и запыленности воздуха почвенной пылью от ветрового подъема получим удельную активность ¹³⁷Cs в этой пыли как . Для условий города от зеленой зоны Аа = 58,7 Бк/кг, а от придорожной пыли А_а = 0,51 Бк/кг. Прямые измерения в районе АС (8 точек в слое почвы 0-5 см) дают средние значения А_а = 59 Бк/кг, что точно соответствуют условиям зеленой зоны города (отбор проб производился в районе рощи).
Эта величина близка к полученной выше независимо из определений в приземном слое воздуха А₀ = 58,7 Бк/кг, которая соответствует удельной активности ¹³⁷Cs в мелкодисперсной фракции самого верхнего (пылящего) слоя почвы и поэтому должна быть несколько выше определений непосредственно в почве зеленой зоны в слое 0-5 см.
По определениям 2006-2007 гг. в условиях восточного пригорода г.Ростова-на-Дону удельные активности ¹³⁷Cs  аэрозольной пыли составили в зеленой зоне 168 Бк/кг, для сельскохозяйственных угодий 373 Бк/кг и для зоны автодорог ~10,5 Бк/кг. Плотности загрязнения земной поверхности а_П можно получить из удельной активности А_П по известным соотношениям для аП (Кu/км2). Запас ¹³⁷Cs в слое 0-20 см на площади в 1 км²: для целины аП=1,134*10-3АП и для пашни а_П=1,486*10-3АП. Для зеленой зоны восточного пригорода получим а_П=0,190 Кu/км², а для сельскохозяйственных угодий а_П=0,550 Кu/км². Как указывалось выше, эти величины являются верхней оценкой реальной загрязненности, так как получены только для мелкодисперсной почвенной фракции самого верхнего пылящего слоя почвы.
Тем не менее интересно сравнить эти оценки с данными по пятнам загрязнения чернобыльскими осадками, полученными для Ростовской области в 1992 г в совместной работе ГГП «Кольцевгеология» (г.Ессентуки) и Центра РЭТ (г.Ростов-на-Дону). В районе города Ростов-на-Дону загрязнений выше 0,14 Кu/км² не было выявлено (в загрязнении учтена поправка на распад ¹³⁷Cs за время, прошедшее после определений 1992 г). Близлежащие пятна загрязнения были выявлены в 40 км к востоку в районе ст.Багаевской: 3 пятна загрязнения общей площадью S=350 км² со средней плотностью загрязнения ~0,31 Кu/км² (с поправкой на распад). Это в целом согласуется с оценками, полученными из определений ¹³⁷Cs в атмосферном воздухе (а_П=0,19 Кu/км² и а_П=0,55 Кu/км²) с учетом приведенных выше замечаний о различии способов определения ¹³⁷Cs в почвах.
Рассмотрим сезонную зависимость запыленности атмосферы (Р*10^-5, г/м³), содержания ¹³⁷Cs в ней (А, мкБк/м³) и метеопараметров (силы ветра  в баллах и относительной влажности V, %). Среднемесячные значения этих величин в виде гистограмм приведены на Рис.1.

     а)
   б)
Рис.1. Среднемесячные значения запыленности атмосферы, содержания ¹³⁷Cs в ней и метеопараметров: а) за 2002-2005 гг.; б) за 2006-2007 гг.

В 2006-2007 гг. на территории, включающей пригород, по сравнению с предыдущими 2002-2005 гг. на исключительно городской территории средняя объемная активность возросла с 1,77 мкБк/м³ до 2,06 мкБк/м³ при снижении общей запыленности с 9,89*10^-5 г/м³ до 7,68 *10^-5 г/м³, таким образом вне города значительно снизилась запыленность техногенного происхождения, а содержание ¹³⁷Cs возросло за счет ветрового подъема на сельхозугодиях (пашни). Роль пригородных районов на восточном направлении резко возросла в 2006-2007 гг. в связи с увеличением средней силы ветра (до 3,7 балла по сравнению с 1,8 балла в 2002-2005 гг.), причем повторяемость восточных ветров также возросла (до 66% по сравнению с 21% в предшествующие года). Практически не изменились среднегодовые значения температуры воздуха и количество выпавших осадков, но зато снизилась средняя относительная влажность воздуха (от 71,8% до 67,9%).
В сочетании эти изменения метеопараметров (в первую очередь направления и силы ветра, а также относительной влажности) способствуют ветровому подъему почвенной пыли (особенно с пахотных земель). В литературе указывалась зависимость коэффициентов ветрового подъема от скорости ветра α~Vⁿ, но показатель степени в зависимости от конкретных условий может варьировать от n=1 до n=4,8. Была отмечена и зависимость от увлажнения почв (см. выше).
Сезонная зависимость метепараметров в сравниваемые периоды несколько различна. В то время, как максимумы объемной активности ¹³⁷Cs проявляются во все годы в сентябре при широком максимуме запыленности в августе-сентябре, максимум силы ветра в 2006-2007 гг. оказывается также сентябре (в предыдущие годы- в апреле), максимум температуры воздуха – в августе (в предыдущие годы- в июле), а относительная влажность минимальна в августе (в предыдущие годы- в июне).
Таким образом, в 2006-2007 гг. создались условия для ветрового подъема почвенной пыли, содержащей ¹³⁷Cs . Этому способствовало географическое положение рассматриваемого района и сочетание метеопараметров, создающих условия для усиления дефляции вплоть до пыльных бурь. Согласно [5], через Ростов-на-Дону со стороны юго-востока (п.Ремонтный) проходит ветровой коридор и для типичных почв области (черноземов) пыльные бури могут начинаться при V>7,8 м/с (<4 б) для целины и при V>5,6 м/с (<3 б) для пахотных земель. Летом и ранней осенью при сильном ветре и сухой почве пыльные бури происходят в период уборки сельскохозяйственных культур и обработки почвы. В нашем случае -это сентябрь 2006-2007 гг. с максимальной скоростью ветра V=4,2 балла, с предшествующей низкой влажностью, с наибольшей температурой воздуха в августе и относительно малым количеством осадков в сентябре. Как следствие этих условий имеет место широкий максимум запыленности атмосферы а августе – сентябре (10,9÷11,2)*10^-5 г/м³ и максимум ветрового подъема ¹³⁷Cs в пригородной восточной зоне в сентябре до ~4,3 мкБк/м³ в приземном слое воздуха. В предшествующие годы 2002-2005 гг. при относительно слабом ветре, ветровой подъем ¹³⁷Cs имел место и в черте города также в сентябре до уровня 3,9 мкБк/м³, но не сопровождался какими либо особыми метеорологическими условиями в августе- сентябре.

Список литературы

1. Махонько К.П. Влияние ветрового подъема радиоактивности с поверхности почвы на загрязнение атмосферы над территорией России. Атомная энергия, 2000г., т.88, в. 6, с. 458-564.
2. Махонько К.П. Ветровой подъем радиоактивной пыли с подстилающей поверхности. Атомная энергия, 1992г., т. 72, в. 5, с. 523-530.
3. Гаргер Е.К., Гаврилов В.П. Вторичные загрязнения 30 км зоны Чернобыльской АЭС и прилегающей территории за счет ветрового подъема радионуклидов. Атомная энергия, 1992г., т. 72, в. 6, с. 588-593
4. Уорнер Ф., Харрисон Р. Пути миграции искусственных радионуклидов в окружающей среде. Радиоэкология после Чернобыля. М.: Мир, 1999г., с. 512.
5. Полуэнтов Е.В. Эрозия и дефляция агроландшафтов Северного Кавказа. Новочеркасск, НГМА, 2003г., с. 298.

20 июня 2008 г.