Bezpieczna dawka promieniowania

Wykonując pomiary mocy dawki w różnych miejscach, często słyszę pytania: "ile jest bezpiecznie?", "do ilu jest norma?" czy wręcz "ile tych geigerów?" (!). Podaję zwykle wartości tła naturalnego, choć odpowiedź taka nie jest wyczerpująca, jednak uściślenie wymagałoby całego wykładu.

Jak już pisałem w notce o dawce śmiertelnej [LINK], szkodliwość promieniowania jonizującego zależy od: 

• rodzaju promieniowania (alfa, beta, gamma, neutronowe)
• pochłoniętej dawki
• czasu, w którym ta dawka została przyjęta,
• napromieniowanej części ciała, 
• osobniczej wrażliwości 

Ponieważ promieniowanie alfa nie jest w stanie pokonać kartki papieru ani naskórka człowieka, możemy je pominąć, tak samo emisję beta, która wnika w skórę na głębokość milimetrów. Neutrony też na razie zostawmy z racji ich rzadkiego występowania w codziennym życiu oraz specyficznego oddziaływania z materią. 

Zostaje promieniowanie gamma, najbliższe potocznemu wyobrażeniu o promieniowaniu jako energii, na wzór fal radiowych. Jest ono bardzo przenikliwe i ciało ludzkie czy odzież nie stanowi dla niego żadnej przeszkody. Występuje naturalnie w środowisku, razem ze wspomnianymi wyżej pozostałymi rodzajami - alfa i beta. Na większości terenów Polski moc dawki promieniowania gamma zawiera się między 0,1 a 0,2 µSv/h. Większa jest na terenach górskich, ponieważ wraz z wysokością maleje ochronna warstwa atmosfery, tłumiąca promieniowanie kosmiczne. Tło jest też wyższe na terenach o podłożu granitowym, gdyż granit zawiera śladowe ilości naturalnego uranu i radu. Nad Morskim Okiem w składających się z granitów Tatrach Wysokich można zmierzyć i 0,4 µSv/h. Są na świecie rejony, gdzie moc dawki jest jeszcze wyższa (Ramsar w Iranie, Kerala w Indiach, wybrzeża Brazylii), a ludzie tam mieszkający nie wykazują zwiększonej zapadalności na nowotwory ani skrócenia życia, wręcz przeciwnie. Zatem możemy przyjąć, że całkowicie bezpieczna, przy stałym narażeniu całego ciała, jest moc dawki nieprzekraczająca tła naturalnego, nawet tego nieco podwyższonego, czyli do 0,4 µSv/h. 

Jeśli jednak latamy samolotami, jesteśmy narażeni na moc dawki i 10 razy wyższą - przy przelocie na wysokości 10 tys. metrów promieniowanie wynosi już ponad 4 µSv/h. Jednak lot taki trwa kilka godzin, po których zwykle następuje krótsza lub dłuższa przerwa, w czasie której organizm może się zregenerować. Inaczej sprawa wygląda w przypadku personelu latającego, który też z tego powodu objęty jest kontrolą dozymetryczną i ograniczeniem czasu pracy w powietrzu, o czym pisałem w notce o dawkach podczas lotu [LINK].

Jak widać, przy ocenie szkodliwości promieniowania istotny jest czas przebywania w obszarze o danej mocy dawki oraz to, czy dawka była przyjmowana bez przerwy, czy w sposób okresowy. Czyli chociaż całkowicie bezpieczny poziom promieniowania przy stałym narażeniu to ok. 0,4 µSv/h, to okresowe przebywanie w warunkach mocy dawki 4 µSv/h również nie będzie szkodliwe. Z kolei na szczycie obudowy reaktora w Świerku moc dawki wynosi ok. 100 µSv/h, a jednak kilkuminutowe wejście tam podczas wycieczki czy czynności obsługowych nie jest niebezpieczne.  Kluczowy zatem oprócz mocy dawki jest czas, w którym jesteśmy na nią narażeni, gdyż od tego zależy przyjęta dawka.

Zwracam szczególną uwagę na rozróżnienie pomiędzy dawką a mocą dawki. Dawka jest to ilość promieniowania wywołująca określone skutki fizyczne i biologiczne, podaje się ją w rentgenach (R), radach (rad), grejach (Gy), remach (rem) czy siwertach (Sv). Z kolei moc dawki jest to dawka przyjmowana w jednostce czasu, zwykle na godzinę (R/h, Gy/h, Sv/h), choć niekiedy była też podawana w jednostkach na sekundę. Obrazowo rzecz ujmując, różnica jest taka sama jak między objętością a szybkością przepływu - jeśli dawka to szklanka wody, to mocą dawki będzie prędkość, z jaką ją wylejemy - czy małym strumyczkiem, czy jednym haustem. Innym porównaniem może być droga (dawka) i prędkość (moc dawki). Zerknijmy w tym kontekście na powyższe przykłady. Żyjąc przez rok na obszarze o poziomie promieniowania tła naturalnego rzędu 0,4 µSv/h otrzymamy 3504 µSv, czyli 3,5 mSv. Taką samą dawkę byśmy otrzymali podczas 876 godzin lotu na wysokości 10 tys. m albo w czasie 35 godzin na szczycie reaktora w Świerku. Można zatem powiedzieć, że 100 µSv otrzymane w Świerku w ciągu 1 godziny będzie bardziej szkodliwe niż 100 µSv w samolocie otrzymane w ciągu 25 godzin - dawka jest ta sama, ale inna moc dawki. Rozłożenie dawki w czasie zmniejsza jej szkodliwość, tak samo jak przyjmowanie dawki z przerwami, podczas których mechanizmy naprawcze organizmu usuwają uszkodzenia DNA wywołane promieniowaniem.

Przy ocenianiu bezpiecznego poziomu promieniowania co do zasady nie stosuje się pojęcia mocy dawki, ponieważ jest ona bardzo zmienna w obszarze wykonywanych prac. Dany pracownik może pracować przy "komorze gorącej", transporcie materiałów albo na hali reaktora, znajdując się w różnej odległości od źródeł o zróżnicowanych aktywnościach. Podobnie rzecz wygląda np. w Strefie wokół Czarnobyla - na sporej części moc dawki jest taka jak w Warszawie, ale są też "gorące plamy" od 0,8 do 30 µSv/h, a natężenie promieniowania zmienia się z metra ma metr. Dlatego też w dozymetrii indywidualnej stosuje się pojęcie dawki, zliczanej sumarycznie w danym okresie za pomocą dozymetrów osobistych różnego typu. W razie zbliżania się do dawki granicznej lub jej przekroczenia następuje czasowe odsunięcie pracownika od pracy związanej z promieniowaniem.

Jak wygląda dopuszczalna dawka w Polsce? Otóż człowiek w Polsce rocznie otrzymuje 3,2-3,6 mSv ze wszystkich źródeł, naturalnych i sztucznych, wewnętrznych i zewnętrznych. Podawane w literaturze wartości wykazują pewną zmienność. Roczna dawka rozkłada się  pomiędzy poszczególne czynniki:

https://www.sadistic.pl/dawka-smiertelna-i-skutki-choroby-popromiennej-vt209018.htm

Zgodnie z ustawą - Prawo atomowe dodatkowa graniczna dawka dla ludności, powyżej wspomnianych wyżej 3,6 mSv, wynosi 1 mSv [Załącznik 4, pkt. III - LINK].  Przeliczając na lot samolotem, będzie to 250 godzin, a na wspomniany reaktor ze Świerku - 10 godzin. Jeśli chodzi o czarnobylską Strefę, to przyjmując średnią moc dawki 1 µSv/h potrzebujemy 1000 godzin, by otrzymać wspomnianą dawkę graniczną dla ludności. 

Dla porównania, osoby zatrudnione w warunkach narażenia na promieniowanie mają tą dawkę rzędu 20 mSv. Dawkę tę można, za zgodą pracownika, przekroczyć do 50 mSv pod warunkiem, że w 5 następnych latach, wliczając rok przekroczenia dawki, średnia dawka nie przekroczy 20 mSv. W sytuacjach awaryjnych, związanych z katastrofami i ratowaniem życia ludzkiego, istnieje możliwość zwiększenia dawki do 100 mSv**. Dawka tak stwarza jedynie zagrożenie skutków późnych w postaci nowotworów, zaćmy czy skrócenia życia, ale z uwagi na statystyczny charakter skutków promieniowania można mówić jedynie o wzroście ryzyka zamiast ścisłej korelacji.

Z kolei łagodne objawy choroby popromiennej - przemijające zmiany we krwi - zaczynają się od 250 mSv, zatem nawet ta rozszerzona dawka nie stwarza natychmiastowego zagrożenia. 

Skoro już jesteśmy przy chorobie -  dawki mogące powodować chorobę popromienną obliczone są one dla przyjęcia w ciągu kilku godzin na całe ciało. Przy przyjmowaniu ich w dłuższym czasie albo tylko na określony narząd ich działanie będzie słabsze niż w poniższej tabeli: 

http://dydaktyka.fizyka.umk.pl/PDF/MSC/Materialy/Liceum-wyr3/page8.html

Przykładem mogą być różnego rodzaju incydenty radiacyjne, w których osoby, mające napromieniowanie jedynie ręce lub nogi, ale za to bardzo dużą dawką w krótkim czasie, miały większe szanse przeżycia niż te, które otrzymały w tym samym czasie mniejszą dawkę, ale za to na całe ciało.

Do tego dochodzą różnice we wrażliwości poszczególnych narządów na promieniowanie, dlatego też wprowadzono współczynnik wagowy tkanki. Największą wrażliwość wykazują narządy płciowe (gonady) oraz szpik kostny, płuca i układ trawienny, najmniejszą powierzchnia skóry i kości. Przy napromieniowaniu całego organizmu te współczynniki tracą znaczenie, gdyż dochodzi do ogólnego zaburzenia czynności wielu narządów i wówczas nie jest zbytnio istotne, który organ bardziej ucierpiał.

Na sam koniec osobnicza wrażliwość. Zgodnie z krzywą rozkładu normalnego 68 % populacji ma przeciętną odporność na promieniowanie - w zakresie 2 odchyleń standardowych od średniej arytmetycznej. Spośród pozostałych 16% ma znacznie mniejszą, a 16% znacznie większą odporność. Ta sama dawka osobom ze środka krzywej zaszkodzi mniej niż tym z początku i bardziej niż tym z końca. W kwestii wrażliwości na promieniowanie wpływ ma wiek, płeć oraz ogólny stan zdrowia.

https://www.researchgate.net/figure/Bell-curve-and-standard-deviation_fig3_47554522

I jeszcze na sam koniec rozważmy narażenie na promieniowanie od różnego rodzaju źródeł codziennego użytku, np. radowych farb świecących czy siateczek żarowych. Choć moc dawki, mierzona przez dozymetr, jest znacznie większa niż cytowane wcześniej wartości (10-30 µSv/h), to ponieważ takie źródło działa jedynie na nasza rękę i przez krótki czas, rzędu minut, zagrożenie można uznać za pomijalne. Co innego, gdybyśmy trzymali je przez dłuższy czas w pobliżu narządów wrażliwych na promieniowanie - zatem kompasu Adrianowa lepiej nie nosić w kieszeni spodni ani na szyi, a i na ręce czas noszenia powinien być krótki*.

Dlatego też w przypadku takich punktowych źródeł nie mają mocy oznaczenia "bezpiecznego", "podwyższonego" i "niebezpiecznego" poziomu promieniowania, z jakimi możemy się spotkać na różnego rodzaju prostych indykatorach. Przyrządy takie mają albo diody LED w kolorze zielonym, żółtym i czerwonym, albo obszary na skali zaznaczone w ten sposób. "Bezpieczny" poziom kończy się na 0,3-0,6 µSv/h, potem jest "podwyższony" aż do 1,2 µSv/h, i później już "niebezpieczny". Często te poziomy nie są opisane na mierniku, a jedynie w instrukcji.

W tego typu miernikach nawet słabe źródła promieniowania, z jakimi możemy się zetknąć, wejdą na obszar "podwyższony", zaś spora część dotrze do "niebezpiecznego", nie będzie to jednak takie zagrożenie, jakie wskazuje przyrząd. Jeśli miernik miałby mieć skalę oznaczającą zagrożenie przy narażeniu samej dłoni, zakres podwyższony zaczynałby się od dziesiątek mikrosiwertów, a niebezpieczny od setek. Zatem choć wartość liczbowa mocy dawki podawana przez te indykatory jest prawdziwa, to stopień jej szkodliwości przy punktowych źródłach będzie znacznie zawyżony. To samo dotyczy progów alarmowych w nowszych i bardziej zaawansowanych przyrządach. Jest on fabrycznie ustawiony zwykle na bardzo niskim poziomie:  0,3 (Terra-P)  albo 0,6 µSv/h (Soeks 01M) i nawet pomiar  szkła uranowego powoduje nieuzasadniony alarm. Próg taki oczywiście można zmienić albo wyłączyć, natomiast pamiętajmy, że tego jego wartość odnosi się  jedynie do pola promieniowania obejmującego całe ciało, np. w terenie skażonym.

Podsumowując cały ten wywód można stwierdzić, że trudno jednoznacznie odpowiedzieć na pytanie o bezpieczny poziom promieniowania. Dla całego ciała przy narażeniu permanentnym można przyjąć 0,4 µSv/h (Morskie Oko!), przy krótkookresowym 4 µSv/h (lot samolotem), z dopuszczalnością kilkuminutowego przebywania nawet w warunkach 100 µSv/h, choć trudno o taką moc dawki poza halą reaktora w Świerku. 

Jak zwykle w przypadku nauki, odpowiedź na pytanie wymaga określenia licznych warunków dodatkowych, w przeciwieństwie do pseudonauki, mającej proste odpowiedzi na złożone problemy. 

Dobrym przykładem z innej branży jest... kwestia bezpiecznego napięcia prądu elektrycznego - tak naprawdę pod względem działania fizjologicznego na organizm człowieka istotne jest nie tyle napięcie, ile natężenie prądu przy danym napięciu, a ono zależy od oporności skóry, która z kolei zależy od wilgotności i stopnia odizolowania się od ziemi. Należy też brać pod uwagę, czy jest to prąd stały (DC), czy zmienny (AC). W warunkach skrajnie niekorzystnych za całkowicie bezpieczne uważa się 12 V, jednak w warunkach suchych może ono wynosić do 50 V w przypadku prądu zmiennego:

https://pl.wikipedia.org/wiki/Napi%C4%99cie_bezpieczne

Przykład ten przytaczam dla dobitniejszego zobrazowania niemożności udzielenia prostej odpowiedzi na wiele pytań, stawianych przez laików naukowcom.
I zawsze należy pamiętać, że pomiary dokonywane sprzętem dozymetrycznym wymagają  dodatkowej analizy i interpretacji, zarówno jeśli chodzi o dokładność pomiaru, jak i też możliwe działanie biologiczne zmierzonego poziomu promieniowania.

--------------

* dotyczy to oczywiście wersji z farbą świecącą na bazie radu, czyli głównie kompasów produkcji... polskiej, ze Śląskich Zakładów Mechaniczno-Optycznych "Opta" w Katowicach [LINK].
** jako ciekawostkę podam, że dla pracowników zatrudnionych przy projekcie Manhattan przyjęto dawkę graniczną 5 R (50 mSv) na 2 miesiące, co daje aż 300 mSv na rok (!). Z kolei w publikacji "Kto, kiedy dlaczego" tom I (wyd. III popr. i uzup., Warszawa 1964, s. 458), przy omawianiu dawek przyjętych przez pierwszych radzieckich kosmonautów, podano "dopuszczalną" dawkę 0,3 R (3 mSv) na tydzień, co rocznie da nam 156 mSv. Następnie, podczas likwidacji awarii w Czarnobylu dawką graniczną było 25 R, czyli 250 mSv, choć wielu Likwidatorów otrzymało znacznie większe dawki (często albo nie prowadzono kontroli lub wykonywano ją niestarannie, wpisując teoretyczne, uśrednione dane).