Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

SOURCES OF 40K IN THE SURFACE LAYER OF THE ATMOSPHERE OF ROSTOV-ON-DON

Stasov V.V. 1 Buraeva E.A. 2, 1 Malyshevskiy V.S. 2 Nefedov V.S. 2, 1, 2 Dergacheva E.V. 2
1 Research institute of Physics, Southern Federal University
2 Southern Federal University
Проведена оценка содержания и сезонного поведения естественного радионуклида земного происхождения 40К в приземном слое воздуха промышленного центра (на примере г. Ростова-на-Дону). Объемную активность 40К в атмосферных аэрозолях определяли инструментальным гамма-спектрометрическим методом радионуклидного анализа. Содержание 40К в атмосферных аэрозолях г. Ростова-на-Дону варьирует в пределах от 1,8 до 95,5 мкБк/м3. Поведение 40К (усредненное за период 2002–2011 гг.) в приземном слое воздуха региона исследования отличается максимумом в летний период (с июня по октябрь) и минимумом в зимний. Подобный сезонный ход характерен для многих радионуклидов в атмосфере различных регионов мира. Также в данной работе оценено содержание 40К в фракциях придорожной пыли и атмосферных аэрозолях. Содержания в аэрозольной и придорожной пыли 40К близки к его средним содержаниям для почв Ростовской области.
The content and the seasonal behavior of the natural radionuclide 40K in the lower atmosphere of the industrial center (for example, the city of Rostov-on-Don, Russia) have been made. The 40K activity concentration in the atmospheric aerosols was determined by the instrumental gamma spectrometry radionuclide analysis. The content of 40K in atmospheric aerosols of Rostov-on-Don is in the range from 1.8 to 95.5 µBq/m3. The behavior of 40K (average for the period 2002–2011) in the lower atmosphere of the region differs by maximum in summer (June to October) and a minimum in winter. Such seasonal variation is typical for many radionuclides in the atmosphere of different regions in the world. The content of 40K in fractions of a roadside dust and atmospheric aerosols has been evaluated. The contents of 40K in an aerosol and dust roadside is close to mean contents for soils of Rostov region.
relative humidity
barometric pressure
wind uplift
air temperature
atmospheric aerosols
precipitation
the surface layer of air
40K

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

Год

Min

Max

Среднее значение

2002

3,14E-06

5,86E-05

2,54E-05

2003

1,86E-06

4,43E-04

7,70E-05

2004

7,47E-06

1,10E-04

3,57E-05

2005

8,69E-06

9,55E-05

3,97E-05

2006

1,14E-05

1,17E-04

5,62E-05

2007

3,21E-06

1,00E-04

3,86E-05

2008

2,45E-06

1,17E-04

5,27E-05

2009

5,74E-07

4,56E-04

5,48E-05

2010

1,45E-05

4,56E-04

5,32E-05

2011

1,06E-05

3,15E-04

5,09E-05

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

Год

Коэффициент корреляции

Количество осадков

Температура воздуха

Давление

Скорость ветра

Относительная влажность

2002

-0,74

0,53

-0,47

0,65

-0,61

2003

-0,71

0,66

-0,59

0,61

-0,57

2004

-0,66

0,82

-0,61

0,67

-0,67

2005

-0,62

0,58

-0,47

0,71

-0,69

2006

-0,70

0,65

-0,41

0,69

-0,86

2007

-0,73

0,58

-0,43

0,54

-0,57

2008

-0,66

0,77

-0,54

0,62

-0,82

2009

-0,71

0,69

-0,41

0,69

-0,55

2010

-0,69

0,71

-0,45

0,61

-0,81

2011

-0,67

0,66

-0,53

0,72

-0,65

Среднее

-0,69

0,67

-0,49

0,65

-0,68

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

Год

Придорожная пыль

Аэрозольная пыль

Интервал

Среднее

Интервал

Среднее

2006

8,6-490,8

289,4

158,5-530,2

281,1

2007

5,2-448,7

294,8

115,1-541,8

253,8

2008

6,6-486,1

312,7

130,8-578,6

311,3

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

Р/н

Почва-кювет

Почва-целина

Пыль, обочина

предел

ср.

предел

ср.

предел

ср.

40К

333,8-532,0

438,0

379,2-510,9

466,2

181,2-367,1

262,1

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

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

среднее

068

0,80

0,61

0,61

0,62

0,71

0,68

0,79

0,82

0,67

0,70

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.