Радиоактивность океанов и морей

В широком смысле гидросфера – совокупность всех вод Земли, находящихся в
твердом, жидком и газообразном состоянии, а в более узком смысле –
прерывистая водная оболочка Земли, расположенная между литосферой и
атмосферой и состоящая из воды в жидком и твердом состоянии.

В море и океаны радионуклиды поступают из атмосферы, в том числе путем
выпадения, и из литосферы, в том числе из гидрографической сети.

В подземные воды радионуклиды поступают преимущественно из литосферы в
результате выщелачивания горных пород, и по гидрографической сети.

Все воды представлены двумя фазами: собственно водной и твердой (осадки,
взвешенные в воде частицы, частицы горных пород). Радионуклиды
перераспределяются между этими фазами путем сорбции на неорганических и
органических взвешенных частицах, осаждения и растворения, коагуляции и
диспергирования коллоидов, деятельности микроорганизмов, потребления и
выделения блоков. Распределение характеризуется коэффициентом К_d
, равным отношению концентрации радионуклида в твердой (Бк/кг) и в жидкой
(Бк/л) фазах. Для различных радионуклидов К_d различается на
шесть порядковых величин, а для одного радионуклида в разных условиях – на
три порядка (гл. образом в зависимости от состава раствора и природы
твердого вещества).

По существу морская вода является хлоридно-сульфатно-натриево-магниевым
раствором, в котором в виде следов и примесей находятся все остальные
химические элементы, в том числе и радиоактивные. Основные компоненты этого
раствора находятся в нем в постоянных концентрациях, но для большинства
микроэлементов характерны пространственные и временные колебания их
абсолютного и относительного содержания. Это связано со специфическим
сложным поведением микроколичеств вещества в растворе (когда начинают
сказываться специфические законы адсорбции, коллоидообразования и др.), а
также влиянием растворимого и коллоидного органического вещества, бактерий,
гидробионтов и различных взвесей. Взвешенное вещество включает планктон,
минеральные частицы терригенного и вулканического происхождения, детрит
(тонкие минеральные и органические остатки отмерших организмов). Взвеси
имеют полудисперсный состав с размерами частиц от 0,01 мкм до 1 мкм, причем
основная часть взвеси представляет собой тончайший материал. Удельная
поверхность взвеси и коллоидов в морской воде исключительно велика – при
среднем содержании взвеси в океане ~1 г/см³ удельная ее
поверхность составляет 10¸40 м²/г. На границе раздела
взвесь-раствор непрерывно происходят обменные процессы адсорбционного
накопления ионов и атомов, изоморфного их замещения и другие
физико-химические процессы. Хотя адсорбция на поверхности живых организмов
существенно ниже адсорбции на неорганической взвеси, ее влияние на геохимию
океана исключительно велико из-за высокой избирательной способности
гидробионтов к поглощению отдельных элементов и накоплению их в
количествах, существенно больших их содержания в растворе. Типичные
величины коэффициентов распределения содержания некоторых радионуклидов
между твердой и жидкой фазой в морских водах следующее: р/н йода К_d=10; р/н стронция К_d=10²; р/н цезия К _d=2´10³; р/н плутония К_d=5´10⁴
и ряда лантаноидов К_d=5´10⁵.

В результате этих и других процессов многие параметры морской среды тесно
связаны с биомассой морских организмов, их жизнедеятельностью, составом и
миграцией.

Формы нахождения радионуклидов определяются процессами их фрагментации и
механизмами переноса от источника, то есть формой, в которой радионуклид
поступает в морскую среду; преобладающей формой существования его в морской
среде и его природных носителей, степени влияния механизма миграции на
форму нахождения его в морской среде.

ЕРН в морях и океанах

Космогенные радионуклиды поступают в моря и океаны в основном из атмосферы
и литосферы, частично могут образовываться в самой водной среде. Их среднее
содержание находится на уровне 22¸110 Бк/м^{3 3}Н, 7,4
Бк/м^{3 14}С и 630 Бк/м^{3 7}Ве.

Содержание ⁴⁰К определяется преимущественно солевым составом
морской воды и варьирует в пределах (8,9¸11,8) Бк/м³.

Содержание ²³⁸U в океанских и морских водах варьирует в пределах
0,04¸73 Бк/м³. Уран поступил в морские воды главным образом в
процессе выветривания горных пород, а также в результате стока воды с
поверхности суши с обломочным и растворенным материалом. Вклад других
источников поступления урана в моря и океаны (абразия берегов, с пылью, в
т.ч. вулканической) значительно меньше и не играет решающей роли в
геохимическом балансе урана (так же как и других ЕРН). Уран хорошо
растворим в морской воде и его перенос в водной толще происходит под
действием гидрологических факторов. При значительном времени пребывания в
океане (5-10⁵ лет) уран распределен в океане достаточно
однородно как по глубине, так и по географическим координатам. Региональное
различие находится в пределах 31¸43 Бк/м³ при среднем содержании
37 Бк/м³. Некоторые более существенные отклонения встречаются
вблизи берегов (континентов) под влиянием речного стока и взмучивания
прибрежных отложений. Во внутренних и замкнутых бассейнах содержание урана
существенно зависит от климатических факторов. Так, в прибрежных водах
Японии содержание урана снижено до 20-22 Бк/м³ под влиянием
речных стоков, а в Балтийском море варьирует в пределах 6¸18 Бк/м ³ и коррелирует с соленостью воды (содержание урана растет с
удалением от берегов), то есть проявляется тоже влияние речных стоков. Для
Черного моря такого эффекта нет из-за того, что в речных водах содержание
урана достаточно велико и среднее содержание урана в воде этого моряhandyhülle z flip 4show detailsboutiques
соответствует среднему для океана.

На содержание урана в замкнутом Каспийском море существенно влияет в целом
засушливый климат – содержание урана доходит до 120 Бк/м³.

Содержание первых продуктов распада урана в морской воде близко к его
содержанию: ²³⁴U – 46-48 Бк/м³, ²³⁴Th ~ 40
Бк/м³, т.е. в пределах погрешности имеет место радиоактивное
равновесие.

²²⁶
Rа характеризуется высокой миграционной способностью в воде и вследствие
этого его содержание в поверхностных водах морей и океанов относительно
равномерно – (3¸18 Бк/м³) при средних значениях 3,6 Бк/м ³ и 5,7 Бк/м³ (по различным источникам данных).
Исходя из химических свойств радия, можно считать, что его миграция в
водной среде происходит главным образом в ионной форме.

Средние содержания ²²²Rn в водах океана по разным данным лежат в
пределах 5,7¸7,9 Бк/м³, что в общем соответствует содержанию
материнского радионуклида ²²⁶Rа. Содержание других дочерних
продуктов распада ²²⁶Rа также близки к его содержанию, но
несколько ниже: ²¹⁰Pb 0,4¸5,0 Бк/м³ (среднее – 2,7
Бк/м³), ²¹⁰Pо 0,19¸3,7 Бк/м³ (среднее –
2,7 Бк/м³).

Содержание ²³²Th в морских и океанских водах варьирует в
достаточно широких пределах – 0,008¸2 Бк/м³. Он поступает в воды
океана как вследствие процессов выветривания, так и с обломочным материалом
в стоках рек. Поведение в воде ²³²Th и других радионуклидов ряда
тория (²²⁸Th, ²³⁰Th) резко отлично от поведения
урана. Из-за склонности к гидролизу и адсорбции на взвешенных частицах и
коллоидах радионуклиды тория имеют ограниченную миграционную способность и
быстро быстро осаждаются из водной толщи на дно. Поступление его в океаны и
моря с терригенным материалом и часто сохраняет эту форму вплоть до
осаждения на дно. Следствием такого поведения радионуклидов тория является
широкая вариация их содержания в водах морей и океанов: 0,008¸2 Бк/м ^{3 232}Th, 0,007¸0,12 Бк/м^{3 228}
Th, 0,002¸0,052 Бк/м^{3 230}Th (последний принадлежит к
цепочке распада ²³⁸U). Есть четкая зависимость содержания тория
в воде по мере приближения к берегам из-за увеличения содержания тория в о
взвешенном материале. Наиболее четко этот эффект проявляется в водах
Азовского моря: у берегов содержание ²³²Th ~0,9 Бк/м³
, а вдали от берегов – 0,016 Бк/м³.

Содержания основных ЕРН в донных отложениях морей и океанов находятся в
пределах 12¸36 Бк/кг ²³⁸U; 3¸400 Бк/кг ²²⁶Rа и
0,17¸16 Бк/кг ²³²Th. Обращает на себя внимание относительно
большое содержание в осадках ²²⁶Rа и, особенно, ²³²Th
по сравнению с их содержанием в воде: Бк/кг : Бк/м³ для²²⁶Rа это соотношение ~40, а для ²³²Th ~4´10 ³ (для ²³⁸U это отношение 0,3).

Это естественным образом связано с известной способностью радия
концентрироваться в известковых раковинах морских организмов и в водорослях
и, соответственно, со значительным переносом его на дно. Для тория
повышенная способность переноса на дно связана с его низкой растворимостью
и связи его с терригенным (обломочным) материалом.

ИРН в морях и океанах

Основным источником поступления ИРН в моря и океаны являются атмосферные
выпадения (глобальные и локальные) на их поверхность, а также жидкие стоки
(жидкие РАО) и вторичные источники – перенос радионуклидов с загрязненной
земной поверхности водосборных бассейнов через гидрографическую сеть.
Естественно выпадения первоначально в наибольшей степени концентрируются в
поверхностном слое морей и океанов. Распределение ИРН по поверхности
отражает распределение суммы выпадений по географическим координатам.

Темпы насыщения ИРН в поверхностном слое океана существенно меньше темпов
увеличения запаса их на поверхности континентов (для ⁹⁰S
отмечено различие ~ в 5 раз). Уровень содержания ИРН в поверхностных водах
определяется и скоростью обмена поверхностных вод с водами нижних слоев.
Среднее время пребывания ⁹⁰S в слое перемешивания в Тихом океане
~ 3 года, в Атлантическом ~ 3,5 года. Уровни загрязнения зависят от
особенностей гидрологического режима рассматриваемого водоема и степени
изолированности его вод. Наибольшие отличия будут иметь место для
мелководных и внутренних бассейнов. Так, воды Черного моря отличаются
значительно большим содержанием ⁹⁰S как из=за повышенной
интенсивности выпадений на его акватории, так и из-за затрудненного
водообмена между поверхностным и глубинным слоями.

Формы нахождения и распределения в компонентах морской экосистемы различны
для различных ИРН.

Некоторые данные о содержании ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs в воде
морей России в настоящее время приведены ниже.

Сразу после аварии на ЧАЭС в 1886-87 гг содержания ИРН в водах этих морей
были выше:

1) 8 Бк/м³ (в 1963 г было 48 Бк/м³; в 80-е годы 11
Бк/м³; в 90-е – 1¸8 Бк/м^3\; ¹³⁷Cs – в
70-е–80-е гг – 10¸90 Бк/м³; в 90-е – 4,4¸7,4 Бк/м³)

в 1960-е годы 24 Бк/м³; в 70-е–80-е – 7¸17 Бк/м³; в
1974-1985 гг 8¸16 Бк/м³; ¹³⁷Cs – в 1974-1685 гг 20¸45
Бк/м³; в 1991-1992 гг 90-100 Бк/м³.

2) 15-45 Бк/м³.

3) 100¸200 Бк/м³.

4) 30¸230 Бк/м³.

5) 70¸250 Бк/м³.

6) 40¸480 Бк/м³.

7) 40¸48 Бк/м³.

В отдельных акваториях этих морей содержание ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs значительно выше. Кроме ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs
в этих местах выявлены значимые содержания и других ИРН. Это связано с
наличием других источников радиоактивных загрязнений: слива жидких РАО,
захоронения РАО, аварийного затопления атомных подводных лодок, близостью
ядерного полигона (на Новой Земле) и других. Это относится в первую очередь
к северным морям.

Так, в водах Баренцева моря вблизи Новой Земли содержание ¹³⁷Cs
в 3¸4 раза выше, чем было указано ранее. Имеются некоторые особенности и в
глубинном распределении ИРН. Так, в Белом море глубинные воды содержат
больше ¹³⁷Cs (16¸22 Бк/м³), чем поверхностные из-за
разбавления их речными стоками и уменьшения их солености.

Рассмотрим для примера более подробно динамику изменения загрязнения ИРН
одного из морей – Азовского. Преобладающим источником радиоактивного
загрязнения этого внутреннего и сравнительно небольшого по площади моря
является активный дренаж и вынос стоками рек ИРН с загрязненных водосборов
основных рек Приазовья: р. Дон (пл. водосбора 422 тыс. км²) и р.
Кубань (пл. водосбора 58 тыс км²). Сама акватория моря и
водосборы Приазовья загрязнялись дважды: глобальными выпадениями в период
ядерных испытаний и в период после аварии ЧАЭС. Так, в первый период в 1964
г максимальные среднегодовые содержания ⁹⁰Sr были в р. Дон – 144
Бк/м³, в р. Кубань – 60 Бк/м³, а во второй период в
1987 г соответственно р. Дон – 64 Бк/м³, в р. Кубань – 45 Бк/м³. В последние годы (1997-2000) среднегодовые содержания⁹⁰Sr в этих реках снизились до уровня для р. Дон – (9,6¸7,6 Бк/м ³), а в р. Кубань – (9,9¸8,0 Бк/м³). Динамика
изменения содержаний ⁹⁰Sr в воде Азовского моря была подобная:

Видно убывание содержания ⁹⁰Sr в воде Азовского моря в конце
1960-х, 70-х и начале 80-х годов, затем резкое возрастание во второй
половине 1986 года и последующий спад вплоть до настоящего времени. Такой
же эффект имел место и для содержания ¹³⁷Cs в воде: вначале
резкий рост (1986 ¸ – 42-480 Бк/м³; 1987 — 11-259 Бк/м³), а затем спад в последующие годы (1988 – 33-110 Бк/м³; 1991-92 гг – 10-11 Бк/м³ и 1999г – 0,2-5,5 Бк/м ³).

Характерно, что максимальные содержания ⁹⁰Sr в постчернобыльский
период в ~ 3 раза ниже, чем максимальные в период после ядерных испытаний.
Это связано с относительно низким выходом ⁹⁰Sr в чернобыльских
выпадениях.

Ниже будет рассмотрено загрязнение дна Азовского моря и, в связи с этим,
некоторые особенности его радиоэкологии.