Прочие источники радиоактивного загрязнения ландшафтов. К ним относятся полигоны, где проводятся испытания ядерного оружия, ядерные реакторы спутников Земли, подводных лодок и надводных кораблей, исследовательских институтов и другие. Их опасность также сильно зависит от региона работы и резко возрастает при авариях. Отметим, что некоторые источники опасны не только при их расположении на территории России. Например, испытания на Семипалатинском полигоне в Казахстане привели к загрязнению некоторых районов Алтайского края за счет северо-западных ветров, принесших радиацию.
Основные процессы миграции и концентрации искусственных радионуклидов в ландшафтах
Большое практическое значение этих вопросов привлекло к ним внимание многих производственных и научных организаций различных ведомств, включая Госкомгидромет, министерства атомной промышленности, здравоохранения, геологии, сельского хозяйства, академии наук России, Белоруссии, Украины. После чернобыльской катастрофы 1986 г. исследования особенно возросли, они выполнялись как в окрестностях ЧАЭС, так и в более отдаленных районах на территории Чернобыльского следа в России, Белоруссии и Украине. Установлено распределение радионуклидов в приземной атмосфере, поверхностных и грунтовых водах, илах, континентальных отложений, почвах, растительном покрове, животном мире, т.е. во всех компонентах ландшафта. Детально изучено содержание рН в организме людей, продуктах питания, питьевой воде. Особое внимание уделено медицинскому аспекту проблемы. Все эти данные получены на основе разной методологии, но они очень важны для понимания процессов миграции и концентрации рН в ландшафтах.
Миграционные процессы. Выщелачивание радионуклидов из элювиального горизонта почв. Эти процессы характерны для всех элювиальных почв, но их интенсивность для разных элементов и разных почв не одинакова. беллигеративный ландшафт оборонительный
Механическая миграция реализуется на склонах в результате плоскостного смыва - делювиальных и других процессов. В условиях даже слабо расчлененного рельефа эрозия верхних горизонтов загрязненных почв приводит к механической миграции радионуклидов, сорбированных мелкоземом. В лесостепи Среднерусской возвышенности это установил В.В. Соколов. Там делювиальные плащи у основания склонов обогащены радионуклидами на участках, загрязненных в результате чернобыльской катастрофы.
Распашка почв облегчает их развевание, что приводит к расширению ареала загрязнения. Если загрязняется снежный покров, то имеет значение и его развевание (сдув). При вспашке наиболее загрязненный поверхностный горизонт почв поступает на глубину около 20 см. Это существенно уменьшает загрязнение поверхности, однако неоднократная вспашка приводит к более или менее равномерному распределению радионуклидов по всему пахотному горизонту.
Солифлюкция, дефлюкция, криотурбация и другие мерзлотные процессы механического перемещения материала загрязненного радионуклидами широко распространены в ландшафтах с многолетней мерзлотой. Они могут приводить к латеральной миграции материала загрязненных горизонтов на сотни и даже тысячи метров. Радиальная миграция радионуклидов по профилю почв может быть связана с вымораживанием, образованием "пятен медальонов" и др. мерзлотными явлениями.
Миграция радионуклидов в ионной форме. Стронций-90, цезий-137 и другие изотопы мигрируют в почвах, грунтовых и поверхностных водах, частично в виде простых и комплексных ионов. Так как концентрация их ничтожна, то и осаждения из ионных растворов с образованием самостоятельных минералов не происходит. Поэтому главный механизм перехода радионуклидов из раствора в твердую фазу - сорбция.
Миграция радионуклидов с растворенным органическим веществом. Большинство из них образует комплексные органические соединения. Эта форма миграции широко распространена и имеет важное значение. Напомним, что поверхностные и грунтовые воды многих гумидных ландшафтов богаты растворенным органическим веществом ("черные" и "коричневые" реки и озера).
Концентрация радионуклидов. Сорбция органической и минеральной фракцией почв, илов, кор выветривания, континентальных отложений, осадочных пород. Эти процессы характерны для всех почв и илов, большинства осадочных пород. Они тем интенсивнее, чем выше содержание органического вещества и глинистой фракции. Сорбция может быть как обменной, так и необменной. Энергия поглощения зависит и от свойств радионуклидов. Так, цезий-137 поглощается энергичнее стронция-90, что связано с большим ионным радиусом первого.
Концентрация в краевой зоне болот. Данная зона представляет собой комплекс сорбционного, глеевого, часто щелочного геохимических барьеров. Поэтому радионуклиды, поступающие с поверхностным, внутрипочвенным и грунтовым стоком, задерживаются в этой зоне, что существенно для решения ряда прикладных вопросов.
Испарительная концентрация. Стронций-90 и цезий-137, находящиеся в водах в ионной форме, способны концентрироваться при испарении. Наиболее это характерно для степных и пустынных ландшафтов, где в солевой корке солончаков могут накапливаться радионуклиды. Для гумидных ландшафтов подобные процессы в целом не характерны, но в особо жаркие дни возможна испарительная концентрация ряда радионуклидов (в дождливый период такие испарительные аномалии могут уничтожаться).
Концентрация живым веществом. Растения, животные и микроорганизмы способны поглощать радионуклиды. Это имеет значение для их накопления в деревьях и травах, причем его масштаб зависит от вида концентрации радионуклидов в водах и почвах, от систематического положения организма, его возраста, времени года и других условий.
Концентрация радионуклидов на геохимических барьерах. Особенно большое значение для концентрации искусственных изотопов имеют сорбционные барьеры, меньше значение щелочных, восстановительных и других. Отметим три аспекта данных процессов:
1) Радиоактивные аномалии, образующиеся на барьерах, характеризуются высокой контрастностью, что облегчает их выявление (возможна меньшая чувствительность анализа и т.д.).
2) Геохимические барьеры можно использовать для локализации радиоактивного загрязнения с целью не дать ему распространиться на большие пространства. Для этого могут использоваться как природные барьеры, так и техногенные. В разных ландшафтах они, как правило, не одинаковы. Так, в полесских ландшафтах большое значение имеют природные и техногенные барьеры краевой зоны торфяных болот, а в черноземных степях - барьеры на основе глин и других дисперсных материалов.
3) Использование местных материалов для создания техногенных барьеров - осадочных пород, отходов промышленности и т.д. (торф, лессы, известняки, глины, мергеля, красноцветы, трепела, опоки и т.д.). Важное значение при этом приобретает экономический фактор - материал для создания барьеров должен быть дешев, находиться преимущественно в данном ландшафте.
Миграция радионуклидов в полесских ландшафтах. Она детально изучена в полесьях Белоруссии, Украины и России, которые подверглись загрязнению при аварии на Чернобыльской АЭС. Установлено, что за первые 3 года после аварии радионуклиды сосредоточились в самом верхнем горизонте почв нередко в одном-двух сантиметрах. Отмечено их накопление в дернине и лесной подстилке, в гумусовом горизонте. В почвенных растворах доказано существование радионуклидоорганических соединений (до 60 - 90% от их общей массы). Стронций-90 и цезий-137 содержатся и в поглощающем комплексе почв. Песчаные почвы ближней зоны ЧАЭС содержали мало воднорастворимых форм радионуклидов - не более 0,0n % в горизонте 0 - 5 см. В этом же районе во фракции размером около 1 мм (преимущественно хвойный опад), было сосредоточено 47 - 55% цезия-134, цезия-137, церия-144 и рутения-106. Содержание этой фракции в слое 0 - 5 см составляет 4%. Во фракции 1 - 0,5 мм и 0,5 - 0,25 мм содержалось соответственно 4 и 8% указанных элементов. Установлены и некоторые пространственные закономерности: в Белоруссии с удалением от ЧАЭС в почвах возросло относительное количество изотопов цезия и уменьшалось церия и рутения. К июлю 1988 года в республике основное количество радионуклидов по-прежнему было в верхнем (3 см) слое почвы и только в наиболее северных точках наблюдения они проникали до глубины 20 - 25 см.
Для района Чернобыля отмечена тенденция к накоплению радионуклидов в дерново-луговых почвах. В пойменных почвах за год они проникли на глубину 3 - 7 см, за 2 года - на 9 - 12 см. Особенно мала подвижность плутония - максимум его в слое 0 - 1 см. Полагают, что основную роль в миграции плутония играют гумусовые и низкомолекулярные органические кислоты, их соли, а также гидроксиды железа и алюминия. Большинство авторов отмечает большую подвижность стронция-90 по сравнению с цезием-137.
Большое значение в перераспределении радионуклидов играют эоловые процессы. Так, при сельскохозяйственных работах происходит вторичное пылеобразование и концентрация радиоактивных аэрозолей в приземном слое воздуха. Определенную роль играет также транспорт по грунтовым и другим дорогам, другие техногенные факторы, активизирующие эоловую деятельность.
В почвах полесских ландшафтов радионуклиды концентрируются на радиальных геохимических барьерах - биогеохимическом (накопление мхами, подстилкой, дерниной, гумусом и т.д.) и сорбционных. Последние характерны как для верхних горизонтов, так и для иллювиальных, а также для почв пойм. Латеральные геохимические барьеры также задерживают радионуклиды. Наиболее активны щелочно-сорбционно-глеевые барьеры окраины торфяных болот и кислородно-сорбционные барьеры в местах разгрузки глеевых вод. Менее активны сорбционно-глеевые барьеры окраин слабокислых лугово-болотных ландшафтов. В случае значительного увеличения содержания радионуклидов в почвах и почвенных растворах природные барьеры задержат только их часть и не будут служить препятствием для распространения радиации. Они должны быть усилены искусственными (техногенными) барьерами. Расположение природных барьеров указывает места заложения и техногенных: притеррасья, окраины пойменных лугов и болот, окраины верховых болот. Обширна информация о содержании радионуклидов в растениях, продуктах питания и водах полесских ландшафтов, о дозах, полученных местным населением на загрязненных территориях, о росте там заболеваемости.
Последствия Кыштымской аварии. Она произошла 29 сентября 1957 г. и привела к радиоактивному загрязнению свыше 20 тыс. км 2. Последствия аварии изучены детально и всесторонне. На материалах этих исследований развивалась радиационная биогеоценология, основателем которой был выдающийся русский биолог Н.В. Тимофеев-Ресовский (1890 - 1980), ряд лет руководивший исследованиями в районе аварии. Большое значение имели также работы под руководством Д.А. Криволуцкого. Наиболее интенсивно ландшафты были загрязнены в первые 5 лет, в т.н. "острый период" за счет главным образом короткоживущих радионуклидов. Позднее главным носителем радиоактивности стал стронций-90. Благодаря радиоактивному распаду за 30 лет общая радиоактивность уменьшилась в 30 раз, но по стронцию-90 только в два раза. Загрязненная территория - Зауральская лесостепь с относительно ровным рельефом, множеством рек и озер на 50% покрыта березовыми и березово-сосновыми лесами. Наиболее распространены серые лесные почвы, выщелоченные черноземы, дерново-подзолистые почвы. За тридцать лет (1957 - 1987) цезий-137 и стронций-90 проникли в почву на глубину около 30 см, в то время как в первый период максимальное их содержание, как и в районе Чернобыля, было в слое 0 - 2 см. В первые 3 года преобладал ветровой механизм и нисходящий поток миграции радионуклидов. Далее при усвоении стронция-90 корнями растений возникло равновесие: радионуклид - растительный покров - почва. После включения корневого усвоения стронция-90 распределение его на лугах и залежах составляло в растительном покрове - 1,6 - 4%, в отмершей растительности - 0,06 - 0,3, в дернине - 0,04 - 57% и в минерализованной части почвы - 38,7 - 98,3%. Травяная растительность практически не влияет заметным образом на перераспределение стронция-90, так как его ежегодное вовлечение в биологический круговорот (и почти такой же возврат) составляет сотые и в лучшем случае десятые доли процента от их общего количества. Запас стронция-90 в древесной растительности, обладающей значительно большей биомассой, того же порядка, что и в травянистых ценозах. Вовлечение в бик деревьев составляет ежегодно 2,7% от общего количества стронция-90 в почве, из них 1,4% приходится на древесину. Ежегодный возврат с опадом составляет 0,5%, остальные аккумулируются, преимущественно в древесине.
Наиболее чувствительны к радиации хвойные деревья: при плотности загрязнения 180 Кu (кюри) км 2 сосны к осени 1959 г. полностью погибли. Летальные плотности для березового леса и лугов оказались более чем на порядок выше - 4000 и 1500 - 5000 Кu/км 2 соответственно. При меньших размерах загрязнения семена утрачивали всхожесть, возникали морфогенетические изменения - гигантизм, хлороз, посинение и скручивание листьев, уменьшение числа зерен. Среди трав максимально пострадали многолетники с невысоко расположенными почками возобновления. Эти виды исчезали, но через 3 - 4 года начался медленный обратный процесс.
Среди животных наиболее поражены были дождевые черви, многоножки и панцирные клещи (100 Кu/км 2). Не замечено угнетающего действия радиации на муравьев. Среди млекопитающих максимально пострадали мышевидные грызуны (увеличилась смертность и уменьшилась продолжительность жизни при 1000 Кu/км 2). Однако через 15 лет, когда сменилось 30 поколений, популяции животных на загрязненных участках по всем показателям сравнялись с остальными.
Радиоактивное загрязнение привело к увеличению мутаций у растений и животных, однако для популяции в целом это не играет существенной роли, так как мутанты быстро уничтожаются естественным отбором. Все же отдельные генетические изменения накапливаются особенно при длительном хроническом облучении.
В 14 озерах, расположенных в пределах контура 0,2 Кu/км 2, уже через год 90% стронция-90 поступило в ил. Через 5 - 6 лет концентрация радионуклидов в воде озер уменьшилась вдвое, через 30 лет - в 1500 раз.
Водная и ветровая миграция не привели к дезактивации территории, их суммарный эффект в перераспределении радиоактивности составил 1 - 2% от ее общего количества в начальный период и доли процента в последующий.
В почвах Кыштымского региона радионуклиды образуют следующий ряд по возрастанию химической подвижности: цезий-137 - стронций-90 - церий-144 - рутений-106. Цезий входит в кристаллическую решетку глинистых минералов, и через 2 года его подвижность снизилась на порядок. Количество подвижных форм стронция-90 в почвах постоянно и составляет 76 - 90% от его содержания в верхнем горизонте почвы. Минимальна подвижность названных радионуклидов в черноземе, несколько больше в серой лесной и дерново-подзолистой почвах.
Оценки долгосрочной миграции плутония в зависимости от быстрой или медленной миграции показали, что через 25, 50 и 100 лет он может оказаться на глубинах 50 - 80, 80 - 130 и 100 - 200 см (те же величины для почв Белорусского полесья для цезия-137: через 25 и 50 лет - 45 - 60 и 60 - 75 см, а для стронция-90: 55 - 85 и 70 - 100 см). Медленный преобладающий вертикальный перенос плутония происходит вместе с тонкодисперсными частицами при их вымывании, а быстрый - в виде водорастворимых комплексных соединений с органическими и неорганическими лигандами. Стронций-90 мигрирует главным образом в виде водорастворимых комплексных бикарбонатов и соединений с органическими лигандами. Так как цезий-137 быстро изоморфно входит в кристаллическую решетку глинистых минералов, то он мигрирует главным образом вместе с тонкодисперсными вымываемыми частицами и по механизму диффузии.