Краткая теория радиационного поля и его изучение

Краткая теория радиационного поля и его изучение в радиометрии и ядерной геофизике Различают естественную и наведенную (искусственно созданную) радиоактивность. Естественная радиоактивность – это физико- химический процесс самопроизвольного распада неустойчивых ядер атомов, подчиняющийся определенному статистическому закону. Процесс сопровождается: n изменением строения, состава, энергией ядер; n испусканием квантов; n выделением радиогенного тепла; n ионизацией (превращением атомов и молекул в ионы) газов, жидкостей и твердых тел.

Радиоактивному распаду подвергается достаточно большое количество химических элементов, в основном с порядковым номером в таблице Менделеева большим 82. Известно более 230 радиоактивных изотопов (ядра атомов с различным числом нейтронов). Однако основной вклад в естественную радиоактивность вносят три радиоактивных элемента U (уран), Th (торий) и К (калий). Они находятся в горных породах и других природных объектах в виде изоморфных примесей и самостоятельных минералов. Их вклад следующий: К ≈ 60%, U ≈ 30%, Th ≈ 10%.

Интенсивность естественного γ-излучения ( J γ ) наибольшая у К и наименьшая у Th Излучение происходит при различных энергиях. γ-излучение имеет наибольшее значение при формировании естественной радиоактивности, поскольку α- и β-частицы при взаимодействии с веществом испытывают сильное кулоновское взаимодействие и обладают очень малой проникающей способностью. α-частицы, например, задерживаются обычным листом бумаги, β-частицы - тонкой свинцовой пленкой.

Спектр естественного -излучения 40 К, 238 U, 232 Th n ЕК = 1, 46 Мэ. В n ЕU = 1, 76 Мэ. В n ЕTh = 2, 42 Мэ. В

Закон радиоактивного распада выражается формулой: , где d. N – число распадающихся ядер из общего количества N за время dt , λ - постоянная распада. связана с другой единицей Т 1/2 – периодом полураспада соотношением: Т 1/2 = 0, 693/λ.

Закон радиоактивного распада описывает последовательное превращение одних элементов в другие и заканчивается образованием устойчивых нерадиоактивных изотопов. Основными являются ряды U и Th. Они включают до 15– 18 изотопов. Конечный продукт – радиогенный свинец. Родоначальники радиоактивных семейств ( U , Th ) относятся к долгоживущим элементом. У них Т 1/2 > 10 8 лет. В состав семейств урана входят радий ( Ra ) с Т 1/2 = 1620 лет и радиоактивный газ радон (Rn) с Т 1/2 = 3, 82 суток.

При распаде радиоактивных элементов в радиоактивных рядах возникает состояние радиоактивного равновесия: Калий ( 40 К ) относится к одиночны радионуклидам, у которых радиоактивный распад ограничивается одним актом превращений.

Наведенная (искусственная) радиоактивность преимущественно связана с гамма- и нейтронным излучением. -кванты – электронейтральные частицы, имеющие более высокую проникающую способность, нежели заряженные α- и β-частицы. Они представляют собой поток электромагнитного излучения очень высокой частоты ( f > 10 18 Гц). Проникающая способность - квантов в воздухе достигает нескольких сотен метров. В природных объектах -излучение резко ослабляется вследствие процессов фотоэффекта, комптон-эффекта, образования электрон-позитронных пар. Перечисленные процессы происходят при различных энергиях.

Спектр многократно рассеянного -излучения в горных породах

Нейтронное излучение – возникает при ядерных реакциях. Нейтроны являются электронейтральными частицами и обладают, наибольшей проникающей способностью из всех видов излучений. Нейтроны возникают при взаимодействии α -частиц с ядрами легких элементов (бериллий, бор и др. ) Нейтроны по энергетическому спектру (Е = 10 7 – 10 -3 э. В) разделяются на группы: быстрые промежуточные медленные резонансные надтепловые холодные.

При взаимодействии нейтронов с природными объектами выделяются по времени два основных процесса: 1) замедление быстрых нейтронов (t < 10 -2 c); 2) диффузия тепловых нейтронов (t > 1 c). Оба процесса сопровождаются ядерными реакциями n - n , n - и др. типов. Происходит испускание и вновь образованных нейтронов и -квантов (вторичное -излучение).

Характеристика радиационного поля Земли Поле ионизирующих излучений (поле естественной радиоактивности) присуще Земле, как космическому объекту. Его проявление на поверхности Земли играет в экологии большую роль. Суммарное радиационное поле Земли складывается из: 1) космического излучения; 2) радиоактивного распада элементов земной коры; 3) дегазации вследствие выхода на поверхность радиоактивных газов (радон Rn, торон Tn).

В результате суммарного радиоактивного излучения на дневной поверхности формируется радиационный фон. В этом фоне доля космического излучения около 50% и составляет 3 -6 мк. Р. С увеличением высоты космический радиационный фон возрастает в среднем на 1, 5 мк. Р на каждый километр отметки рельефа местности. Остальная доля радиационного фона приходится на естественную радиоактивность горных пород. При этом радиоактивность этих пород неодинакова.

Средними по радиоактивности считаются породы, в которых кларковые содержание не превышает 2, 5 (2, 5 г/т). Повышенная радиоактивность обусловливается наличием урана с образованием радиоактивных газов (радона и торона). Тысячная доля содержания урана в общей массе создает радиоактивность в 5 мк. Р/час. Радиоактивный фон повышается и в участках земной коры, содержащих кроме урана и тория калий, концентрация которого в земной коре превышает более чем в 2000 раз концентрацию тория и более чем в 10000 раз концентрацию урана.

Наиболее радиоактивными породами являются граниты, гнейсы, вулканические туфы, фосфориты. Содержание урана и тория здесь достигает до 100 кларков и более. Повышенная радиоактивность проявляется и в зонах тектонических нарушений, особенно в крупных разломах. Это связано с эманированием радона.

Радиоактивность непосредственно в недрах литосферы (в ее верхних слоях), а также на более глубоких горизонтах зависит от содержания в горных породах радиоактивных элементов. Радиационный фон в шахтах небольшой и преимущественно составляет 4 -6 мк. Р/час. Это же относится к радиоактивности природных вод и газов. В большинстве случаев они не радиоактивны. Исключение составляют подземные воды радиоактивных месторождений, а также воды сульфатно- бариевого и хлористо-кальциевого составов.

Техногенное ионизирующее излучение Это излучение поступает в окружающую среду от всевозможных искусственных источников. К ним относится новообразованные радионуклиды вследствие реализации промышленных технологий переработки радиоактивных веществ, складируемые отходы атомного производства, внезапные аварии на атомных объектах, прежде всего на атомных электростанциях (АЭС).

Аварии на АЭС – самый опасный источник техногенно-радиационного загрязнения, т. к. всегда присутствует сильно действующий фактор внезапности. К примеру, после аварии на Чернобыльской АЭС в апреле 1986 г. , мощность дозы ионизирующего излучения в пределах 10 – километровой зоны превысила нормальный фон (24 мк. Р) в 2000 раз.

Воздействие радиационного поля на живые организмы Радиоактивность (ионизирующее излучение) является как «раздражающим» , так и «поражающим» фактором. «Раздражающее действие» связано с малыми дозами облучения. К ним относится естественный радиационный фон, эффективная эквивалентная доза которого на поверхности планеты варьирует от 2 до 20 м. Гр, т. е. 2000 -20000 мк. Р.

Грей (Гр)- единица дозы радиоактивного излучения в системе СИ. 1 Гр = 1 Р. В этом диапазоне существовало и развивалось все живое на планете. Естественный фон в разных частях поверхности Земли может различаться в 3 -4 раза и более. Его наименьшие значения над поверхностью моря, а наибольшие на больших высотах в горах, сложенных гранитоидными породами.

« Поражающее действие » связано с дозами облучения, превышающими нормальный фон. При этом облучении начинают действовать мутагенные факторы. Человек и другие млекопитающие весьма чувствительны к радиационному воздействию, а микроорганизмы достаточно устойчивы.

Семенные растения и позвоночные занимают промежуточное положение. При мощности дозы более 4 -16 м. Гр (4000 – 16000 мк. Р) происходит угнетение растительности. Она становится восприимчивой к поражению вредителями и болезнями. В суммарном радиационном воздействии доля искусственных источников составляет 22%. Из них более 20% приходится на медицину

Тепловое поле Земли и его циклические изменения. Термодинамика океана Тепловое поле, равно как и другие физические поля, связывают с материальной средой, в которой возникают и взаимодействуют тепловые потоки. Последние, воздействуя на материальные, в частности природные объекты, определяют их тепловой режим, обусловливая деформацию теплового поля. Есть физический смысл характеризовать тепловое поле посредством параметров потенциала U и напряженности Е. Однако, в результате сложившихся многолетних представлений оперируют понятиями теплового потока, геотермической ступени и др.

К тепловым свойством природных объектов относятся теплопроводность λ (единица измерения Вт/м*К) и теплоемкость С (единица измереня Дж/кг*К). Земля, как природный объект, представляет собой тепловой космический модуль, характеризующийся тепловым полем. Это поле складывается из постоянного внутреннего поля Земли (основное поле) и переменного теплового поля, присущего земным оболочкам (литосфере, гидросфере и атмосфере).

Тепловое поле Земли формируется под действием следующих энергетических процессов: q Солнечная энергия (получаемая и переизлучаемая обратно); q Геотермическая потеря теплоты; q Энергия, теряющаяся при замедлении вращения Земли; q Упругая энергия, высвобождающаяся при землетрясениях. § Одним из главных источников современной тепловой энергии в земной коре является радиоактивный распад долгоживущих изотопов. Источником тепла является также процесс дифференциалами вещества мантии

Основной характеристикой теплового поля Земли является поток теплоты через земную поверхность, т. е. тепловой поток Q (единица измерения Вт/м 2 ). Параметр Q описывается уравнением теплопроводности: , где λ - коэффициент теплопроводности (Вт/м*К); - вертикальный градиент изменения температуры (К/м). Знак «-» указывает на убывание температуры.

По геотермическим и косвенным данным (термальные воды, излияния раскалённых лав) выделяют в земной толще термических зоны: 1) Приповерхностная (гелиометрическая). Толщина h = 0, 03 км. Температура t зависит от солнечной радиации. Имеет место ярко выраженный суточный, сезонный, годовой и многовековой ход. 2) Нейтральная (слой постоянной температуры). Это тонкий слой, который в зависимости от температурных поясов находится на глубинах от 10 до 30 -50 м. 3) Геотермическая. Это вся нижележащая толща земной коры, мантия и земное ядро. Температура определяется тепловыми источниками Земли.

Исходя из представлений, что ядро состоит из железа, проведены расчеты температуры плавления с учетом давления. Согласно расчетам t на границе мантии и ядра должна быть 37000, а t внутреннего ядра – 5000 0. Температура внутри Земли интенсивно возрастает до глубины 200 км, после чего ее рост с глубиной замедляется.

Тепловое состояние Земли и закономерности его изменения определяются: 1) энергией космического и солнечного излучения; 2) внутренним теплом земных оболочек. В связи с этим разделяют тепловые источники внешние (космические) и внутренние (планетарные).

Внешние источники: - солнечная радиация; - излучение звезд; - энергия метеоритов, падающих на Землю; - гравитационное воздействие Луны и Солнца; Внутренние источники: - дифференциация вещества мантии; - выделение радиационного тепла, вследствие ядерных реакций; - химические реакции; - гидротермальные процессы.

На основании имеющихся измерений построена карта распределения теплового потока на поверхности Земли. Сделан вывод, что закономерностей изменения теплового потока от континентов к океанам не обнаруживается, притом, что внутри континентальных и океанических областей существует тесная корреляционная зависимость Q и основных геологических структур. На континентах Q характеризуется минимумами на щитах, а максимумами в орогенных областях. В океанах, в противоположность к материкам Q min имеет место на крыльях хребтов и в глубоководных желобах.

Для решения ряда теоретических и практических проблем, связанных с механизмом преобразования солнечной энергии в географической оболочке Земли, определяется так называемый тепловой баланс Земли. Тепловой баланс (Т. Б. ) обычно представляется в виде уравнений, учитывающих все источники поступления и расходования тепла. Первые имеют знак плюс, а вторые – минус.

Наиболее полно к настоящему времени исследован Т. Б. системы земля – атмосфера. Расчеты Т. Б. обычно производят в условных единицах. Например, если количество солнечной радиации, поступающей на верхнюю границу всей атмосферы принять за 100 усл. ед. , то в результате получают, что из этих 100 усл. ед. Земля, как планета, рассеивает и отражает в мировое пространство 35 усл. ед. , а остальные 65 усл. ед. поглощает.

Расчеты и наблюдения за температурой планеты Земля в целом, земной поверхности и атмосферы в отдельности, свидетельствуют о том, что температура в них не претерпевает каких-либо изменений от года к году, т. к. эти структуры находятся в тепловом равновесии. Источники получения тепла: - поглощение солнечной радиации атмосферой и земной поверхностью. Потеря тепла: - инфракрасное излучение земной поверхности в мировое пространство; - инфракрасная радиация, излучаемая атмосферой в мировое пространство.

Уравнение Т. Б. : Приход = Расход. При необходимости, составляющие Т. Б. выражают не в условных, а в энергетических единицах. Если рассматривать Т. Б. отдельных широтных зон, то исследования показывают, что поток поглощаемой атмосферой и земной поверхностью солнечной радиации быстро уменьшается от экватора к полюсу. Это связано с уменьшением полуденной высоты Солнца от экватора к полюсам. .

Наряду с солнечной радиацией некоторую роль в Т. Б. играет длинноволновая радиация атмосферы и земной поверхности. Она убывает от экватора к полюсам с меньшей интенсивность. Это приводит к тому, что в тропических широтах создается избыток тепла, а в полярных широтах его потеря. Вследствие этого следует предполагать об избыточном притоке тепла и его возрастании от года к году в приэкваториальных зонах и постепенном понижении тепла в умеренных и приполярных зонах. Но этого не происходит , поскольку атмосфера является своего рода тепловой машиной.

КПД (коэффициент полезного действия) «Атмосферы» прямо пропорционален разности температур между «нагревателем» (экватором) и «холодильником» (полюсами). По ориентировочным оценкам он (КПД атмосферы) равен 2%. Это значит, что эти 2% поглощаемых Землей солнечной радиации превращюется в кинетическую энергию ветра. Перенос тепла от экватора к полюсам осуществляют в основном циклоны и антициклоны , притом, что из количества избыточного тепла переносится 90%. Остальные 10% переносятся водой.

Морские течения – это своего рода водяное отопление планеты Земля. Теплые течения обогревают высокоширотные области, а холодные – охлаждают жаркие тропические области. Таким образом, атмосферная циркуляция и морские течения стремятся выровнять температуру между экватором и полюсами, а солнечная радиация, наоборот, увеличить её (температуру). Оба процесса очень изменчивы, поэтому равновесие между ними пульсирующее. Изменение их длительности вызывает изменение климата планеты Земля.

Следует специально отметить, что в атмосфере «работают» и «тепловые машины» второго рода, которые возникают (обусловливаются) контрастом температур между океанами и сушей. (В отличие от суши океаны обладают огромной теплоемкостью и их нагрев, и охлаждение более медленные). Тепловые машины второго рода работают по циклам зима–лето. То есть зимой океаны «нагреватели» , а континенты «холодильники» , летом наоборот.

Движение воздуха, вызываемое тепловыми машинами 2 -го рода, осуществляется в форме муссонов. Последние представляют собой преобладающие ветры, дующие у поверхности Земли зимой с материка на океан, а летом – с океана на материк. Тепловые машины 2 -го рода по мере приближения к океану смягчают земную стужу и уменьшают летнюю жару, а по мере приближения к материкам климат становится более континентальным.

Общая характеристика температурного (теплового) поля Земли складывается из температурного режима её недр и поверхности вследствие превращения в тепловую энергию других видов энергии (солнечной, радиоактивного распада, вулканической деятельности, гравитационного сжатия, приливного трения и др. ). Природа и мощность источников тепла, механизм его переноса через горные породы определяется тепловым потоком Q. На больших глубинах передача тепла осуществляется за счет излучения нагретого вещества недр и конвекции. Ближе к поверхности наряду с конвекцией при переносе тепла влияет молекулярная теплопроводность.

Наряду с региональным тепловым потоком из недр существуют локальные тепловые потоки (циркуляция подземных вод, влияние многолетнемёрзлых пород и др. ). К локальным тепловым потокам следует относятся и техногенные источники теплового загрязнения (горячие цеха, подземные газоходы и теплотрассы, сбросы горячих технологических вод и др. ). Концентрация техногенных тепловых источников приводит к формированию тепловых куполов. В целом, техногенные температурные поля охватывают своим влиянием примерно 5 -10 % всей территории суши. В соответствии с этим определенным образом «изменяют свой ритм» тепловые машины 2 -го рода.