ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2009, том 45, № 6, с. 809-822
УДК 551.510.42
КОНЦЕНТРАЦИЯ 222Rn В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ НАД КОНТИНЕНТАЛЬНОЙ ТЕРРИТОРИЕЙ РОССИИ ПО НАБЛЮДЕНИЯМ В ЭКСПЕРИМЕНТАХ TROICA
© 2009 г. Е. В. Березина, Н. Ф. Еланский
Институт физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН 119017 Москва, Пыжевский пер, 3
E-mail: e_berezina_83@mail.ru Поступила вредакцию 09.09.2008 г.
Проведен анализ пространственных и временны х вариаций концентрации 222Rn в приземном слое атмосферы над континентальной территорией России по данным экспедиций TROICA (Transcontinental Observations Into the Chemistry of the Atmosphere). Измерения проводились с передвижной лаборатории, передвигавшейся в составе пассажирских поездов по Транссибирской железнодорожной магистрали от Москвы до Владивостока. Определены факторы, влияющие на пространственное распределение, суточный ход и сезонные вариации концентрации 222Rn в приземном воздухе: вертикальная устойчивость атмосферы, геологические особенности исследуемой территории, атмосферные осадки. Проанализировано влияние температурных инверсий на процесс накопления 222Rn в приземном слое атмосферы. Выполнены оценки потоков 222Rn из почвы в атмосферу для различных регионов России.
ВВЕДЕНИЕ
Благородный радиоактивный газ радон-222 (222Ип) является членом радиоактивного семейства урана-238 (238и) и продуктом распада радия-226 (226Иа). 222Ип является химически и биологически инертным, не изменяющим своего фазового состояния газом, со временем полураспада ~3.82 сут, что позволяет ему свободно перемещаться от места его образования (из почвы) в атмосферу. В связи с этим 222Йп широко используется в качестве информативной радиоактивной метки для характеристики различных динамических процессов в атмосфере: определения области формирования и траекторий движения воздушных масс [1-3], оценки вертикального коэффициента диффузии [4] и толщины слоя конвективного перемешивания [5], определения вертикальной устойчивости нижней атмосферы [6]. Большой интерес представляет использование 222Ип для оценок накопления и эмиссий различных газовых и аэрозольных примесей в приземном слое атмосферы [7-9]. Поэтому детальное изучение пространственного и временного распределения 222Ип в приземной атмосфере и механизмов, формирующих такое распределение, является весьма актуальным и информативным для исследования различных атмосферных процессов.
Существенное влияние на изменение концентрации радона в приземном воздухе оказывает температурная стратификация атмосферы и связанная с ней интенсивность вертикального турбулентного обмена. В течение ночи, когда атмосферное перемешивание минимально и устанавливается температурная инверсия, 222Ип, подобно другим газам, на-
капливается в приземном слое атмосферы, достигая своего максимума в предутренние часы. С восходом солнца турбулентное перемешивание приземного слоя атмосферы усиливается, что приводит к подъему и постепенному разрушению инверсии, а, следовательно, и резкому падению концентрации 222Rn в приземном воздухе [5, 6, 10].
По данным наблюдений Хохлова и др. (11) приземные инверсии небольшой мощности с верхней границей от 100 до 300 метров чаще всего наблюдаются в теплый период, а более мощные инверсии с верхней границей от 400 до 600 метров - в холодный период года. Приземные инверсии чаще всего образуются в ночные часы, а разрушаются в утренние и предполуденные. При этом в слое 0-100 метров инверсии существуют значительно дольше, чем инверсии в слоях большей мощности. Средняя продолжительность инверсий колеблется от 7-8 часов для инверсий мощностью 0-100 метров до 2-4 часов для инверсий мощностью 200-500 метров.
По оценкам Бэка (Beck) и Гоголака (Gogolack) [12] во время устойчивой температурной инверсии концентрация радона резко уменьшается от поверхности почвы примерно до 100 метров и только около 3% всего 222Rn, выделившегося из почвы, диффундирует в атмосферу выше 100 метров. По данным наблюдений [10] в период атмосферной стабильности 75% 222Rn, диффундировавшего из почвы в атмосферу, аккумулируется в слое высотой ниже 30 метров, в то время как в период развитой атмосферной турбулентности эта величина равна 30%.
Таблица 1. Периоды проведения экспедиций TROICA и маршруты следования передвижной лаборатории вдоль Транссибирской железнодорожной магистрали
Экспедиция Начало и окончание рейса Маршрут
TROICA-5 26.06-13.07 1999 г. Н. Новгород-Хабаровск-Москва
TROICA-7 27.06-10.07 2001 г. Москва-Хабаровск-Москва
TROICA-8 19.03-01.04 2004 г. Москва-Хабаровск-Москва
TROICA-9 04.10-18.10 2005 г. Москва-Владивосток-Москва
TROICA-11 22.07-05.08 2007 г. Москва-Владивосток-Москва
Так как главным источником поступления радо-на-222 в атмосферу является почва, его концентрация в приземном слое атмосферы непосредственно зависит от содержания природных радионуклидов в горных породах, почвах и подземных водах, величины эмиссии 222Rn из почвы, наличия разломов в горных породах и кор выветривания.
На платформах (равнинных областях) обычно хорошо развиты рыхлые образования, часто представленные глинистыми образованиями и ледниковыми отложениями, экранирующими поступление радона на поверхность. В пределах платформ геохимически специализированные на уран геологические образования занимают обширные площади и обычно не выходят на поверхность, залегая на глубинах в десятки и сотни метров и более [13]. Таким образом, эмиссии радона из почвы в атмосферу в равнинных областях слабее, чем в горных регионах. К таким равнинным областям на территории России относятся Восточно-Европейская, Западно-Сибирская и Амуро-Зейская равнины.
Для складчатых областей характерно сложное, часто наклонное до вертикального, залегание пород и отсутствие мощных перекрывающих отложений. Геохимически специализированные на уран горные породы, месторождения и рудопроявления урана обычно выходят на поверхность или перекрыты маломощными элювиально-делювиальными современными отложениями. В целом в складчатых областях наблюдается более высокая насыщенность месторождениями и рудопроявлениями урана, чем на платформах. Таким образом, складчатые области (Южная Сибирь, Урал) и особенно границы их сочленения с платформами являются наиболее проницаемыми для радона структурами [13].
Немаловажную роль в изменении концентрации 22^п в приземном слое играют атмосферные осадки, способствующие снижению диффузии 22^п из почвы в атмосферу и уменьшению его концентрации в приземном воздухе. По наблюдениям Мегуми (Megumi) и Мамуро (Mamuro) [14] скорость эмиссии 22^п из почвы в атмосферу восстанавливается в течение двух дней после дождя с количеством осадков менее 15 мм, в то время как Ишимори и др. (Ishimori et я!.) [15] отмечают восстановление скорости эмис-
сии 222Rn через 1.5 дней после дождя с количеством осадков 1.5 мм.
В данной работе представлены результаты анализа данных пространственного и временшго (суточного и месячного) распределения концентраций 222Rn в приземном слое атмосферы вдоль Транссибирской железнодорожной магистрали, полученных в ходе пяти международных экспедиций TROICA (Transcontinental Observations Into the Chemistry of the Atmosphere) на вагоне-лаборатории, передвигавшейся в составе пассажирских поездов от Москвы до Владивостока и обратно (табл. 1). По полученным данным о концентрации 222Rn в приземном слое атмосферы и по данным вертикального профиля температуры выполнены оценки эмиссии радона из почвы в атмосферу в различных регионах России.
ИЗМЕРЕНИЯ
Во время каждой экспедиции проводились непрерывные измерения концентрации 222Rn в приземном воздухе и вертикального профиля температуры до высоты 600 м над земной поверхностью.
Измерения концентрации 222Rn проводились с помощью анализатора дочерних продуктов распада 222Rn LLRDM (Low Level Radon Daughters Measurement) производства фирмы Tracer Lab (Германия). Прибор был установлен в головном вагоне передвижной лаборатории, распложенном сразу за электровозом. Воздухозаборник прибора располагался в передней части вагона (на высоте 4 метра над железнодорожным полотном). Там же был расположен метеорологический температурный профилемер МТП-5 производства фирмы ATTEX, Россия.
Принцип работы прибора LLRDM заключается в прокачивании воздуха через кварцевый фильтр анализатора, на котором в виде аэрозольных частиц оседают дочерние продукты распада 222Rn (Po-218, Pb-214 и Bi-214). Анализатор, используя метод альфа-спектрометрии, измеряет потенциальную энергию альфа-частиц (PAEC - Potential Alpha Energy Concentration), которая математически суммируется из потенциальных альфа-энергий каждого дочернего продукта распада 222Rn. Эта суммарная потенциальная альфа-энергия преобразуется в форму экви-
валентной равновесной концентрации радона (EEC -Equilibrium Equivalent Radon Concentration) в Бк/м3. Прибор также измеряет концентрации каждого дочернего продукта распада 222Rn, по которым затем рассчитывается и выводится на экран прибора значение концентрации газа радона. Диапазон измерения концентрации 222Rn составляет 0.01-100 Бк/м3. Значения концентрации 222Rn выдаются прибором каждые 10 минут как средние величины за этот период измерений. Ошибка измерения составляет около 30%.
Прибор МТП-5 предназначен для дистанционного измерения профиля температуры воздуха в диапазоне высот от уровня установки прибора до высоты 600 метров. Вертикальное разрешение прибора составляет 50 метров, а разрешение по времени -5 минут. Точность прибора - 0.2-0.5°C. Прибор измеряет тепловое излучение атмосферы в центре полосы поглощения молекулярного кислорода (до 60 ЕЕц) под разными зенитными углами. По данным наблюдений определяется яркостная температура и восстанавливается вертикальный профиль температуры [16].
ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИЙ 222Rn
На рис. 1 представлены данные пространственного распределения концентраций 222Rn в приземном воздухе, полученные в ходе экспедиций tROICA на маршрутах от Москвы до Владивостока и обратно.
Наиболее высокие значения концентраций 222Rn между Москвой и Владивостоком наблюдаются в Амурской области (до 75 Бк/м3), в Прибайкал
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.