Opad promieniotwórczy

Opad promieniotwórczy jest ostatnim z czynników rażenia broni jądrowej i tym, który działa najdłużej. Błysk kuli ognistej liczy się w sekundach, działanie fali uderzeniowej w dziesiątkach sekund, promieniowanie natychmiastowe w minutach, opad zaś może działać przez dziesięciolecia. 

Skąd on się bierze? Eksplozja nuklearna wydziela ogromną temperaturę, rzędu milionów stopni Celsjusza, wystarczającą do odparowania podłoża w miejscu wybuchu. Odparowany materiał stopniowo skrapla się, a zawieszone w powietrzu krople przyciągają pierwiastki promieniotwórcze pochodzące z eksplozji. Dodatkowo podczas schładzania się kuli ognistej i powstawania "grzyba" atomowego następuje zasysanie materiału z podłoża i tworzenie się "kapelusza" grzyba atomowego. 

Tworzy on następnie chmurę radioaktywną, która jest niesiona wraz z wiatrem, zostawiając na swej drodze tzw. ślad obłoku promieniotwórczego w kształcie wydłużonej elipsy. Na sposób powstawania opadu ma wpływ przede wszystkim rodzaj wybuchu - przy powierzchniowym przeważa stopiony materiał gleby, przy powietrznym - zassane cząstki. W przypadku wybuchu podziemnego opad jest bardzo niewielki, gdyż skażenia pochłonięte są przez ziemię i większość radioaktywnych substancji pozostaje w kraterze i najbliższej okolicy. Przy wybuchu podwodnym większość skażeń zostaje w wodzie i ulega szybkiemu rozcieńczeniu. 

Wybuch powietrzny powoduje zassanie pyłu na dużą wysokość, co ogranicza skażenie w miejscu eksplozji, zaś zwiększa wzdłuż śladu przechodzącego obłoku. Przy wybuchu naziemnym skażenie w punkcie zerowym jest większe, gdyż kula ognista styka się z powierzchnią ziemi i roztapia ją, po czym roztopiona ziemia miesza się z substancjami radioaktywnymi. Powstaje radioaktywny żużel, którego największe cząstki opadają blisko epicentrum, a tylko mniejsze są niesione na duże odległości. 

Jak widać, zjawisko jest złożone, i zależy od wielu czynników, zaś sam opad nie jest jednorodną masą, tylko występują w nim różne frakcje. Można je umownie podzielić według grubości cząstek, analogicznie jak to robimy w przypadku pyłów zawieszonych, tworzących smog:

• 0,001 mm - drobne 
• 0,005-0,01 mm - średnie
• 0,01-0,053 mm - duże
• 0,05-0,25 mm - odpowiednik piasku drobnego
• 0,25-1,0 mm - odpowiednik piasku średniego

Rozmiar cząstek ma istotny wpływ na prędkość ich opadania i czas przebywania w atmosferze. Największe cząstki stanowią 30% opadu i spadają na ziemię w ciągu 2 godzin od eksplozji:

Najdrobniejsze cząstki, o średnicy 0,001 mm (1 mikron, odpowiednik pyłów PM1) przy średniej gęstości materiału 3 g/cm3 opadają z prędkością zaledwie 0,6 cm/min, zatem z wysokości 6 km opadałyby aż 694 dni, w tym czasie wielokrotnie okrążając kulę ziemską. Najbardziej szkodliwe są cząstki o średnich rozmiarach, które mogą być niesione na duże odległości, ale po krótkim czasie opadną. Cząstki najgrubsze zaś, jako najcięższe, spadną w bezpośrednim sąsiedztwie punktu zerowego, gdzie i tak nic nie miało prawa przeżyć na skutek działania kuli ognistej i fali uderzeniowej. Z kolei najdrobniejsze pyły będą długo unosić się w atmosferze, a w tym czasie ich aktywność znacznie się zmniejszy na skutek rozpadu promieniotwórczego.
Wysokość, na jaką wyrzucone zostaną pyły radioaktywne, a także ich skład, zależy przede wszystkim od mocy bomby oraz jej rodzaju. W przypadku bomb rozszczepieniowych, wykorzystujących uran lub pluton (potocznie zwanych atomowymi) ilość izotopów, głównie fragmentów rozszczepienia, jest duża, jednak sam opad wyrzucany jest "zaledwie" na wysokość kilku kilometrów,  przez co ma znaczenie głównie lokalne. 

Opad ten ogranicza się do troposfery, warstwy atmosfery najbliższej powierzchni Ziemi, w której zachodzą wszystkie znane nam zjawiska atmosferyczne. Jeżeli chodzi o bomby termojądrowe, działające na zasadzie syntezy jąder lekkich w jądra ciężkie (tzw. bomby wodorowe), to emitują one mniej skażeń, jednak wyrzucają je aż do stratosfery. Jest to wyższa warstwa atmosfery na wysokości powyżej 10 km w strefie umiarkowanej i powyżej 20 km na równiku:

http://klimat.czn.uj.edu.pl/enid/2__Ozon/___wiczenie_1_3r4.html

Od troposfery oddziela ją tzw. tropopauza o grubości 1-2 km. W dobie masowych testów jądrowych uważano, że stratosfera będzie dogodnym miejscem do prowadzenia tych prób, gdyż opad zostanie w niej uwięziony, właśnie dzięki wspomnianej tropopauzie. Nic bardziej mylnego, gdyż tropopauza ma "dziury", które umożliwiają spływanie opadu ze stratosfery do troposfery. Wiejące w stratosferze wiatry rozprowadzają skażenia po całej Ziemi. Z uwagi na układ prądów atmosferycznych większość skażeń opadła na półkulę północną, choć znaczna część testów była prowadzona na półkuli południowej, głównie na atolach Pacyfiku:

Źródło - LINK

Dlatego też nawet pojedyncza eksplozja termonuklearna jest w stanie rozsiać opad po całej Ziemi.  Testy nuklearne w latach 50. i 60. były prowadzone w sposób wręcz masowy na całym globie za wyjątkiem Antarktydy i Ameryki Południowej:

https://blog.politicsmeanspolitics.com/nuclear-weapons-history-significance-and-implications-adbd8767c305

Znając czas i kierunek przepływu mas powietrza w atmosferze oraz moment zarejestrowania skażeń w naszym rejonie można nawet obliczyć, kiedy doszło do wybuchu, a nawet oszacować - gdzie. Poniżej metoda Waya i Wignera:

Skład skażeń pozwala z kolei ustalić, czy dokonano wybuchu bomby rozszczepieniowej, termojądrowej, czy też źródłem skażenia jest pożar reaktora jądrowego*. W przypadku pożaru reaktora dominują gromadzące się w wypalonym paliwie produkty rozpadu uranu, zaś przy eksplozji nuklearnej - produkty aktywacji, przy czym ich ilość jest większa w eksplozjach bomb termojądrowych niż rozszczepieniowych z racji większej gęstości strumienia neutronów. W ten sposób od razu ustalono, że skażenia napływające do Polski 28 kwietnia 1986 r. (2 dni po eksplozji) na pewno nie są efektem wybuchu nuklearnego, tylko pożaru reaktora.

***

Skoro jesteśmy przy temacie aktywacji, warto wspomnieć o tzw. salted bombs (brak polskiego tłumaczenia tego terminu). Są to bomby zarówno rozszczepieniowe, jak i termojądrowe, mające dodatkową powłokę z izotopu łatwo ulegającego aktywacji pod wpływem neutronów. Zwykle jest to kobalt-59, stanowiący większość kobaltu naturalnego, który po naświetleniu neutronami ulega przemianie w radioaktywny kobalt-60. Izotop ten emituje silne promieniowanie gamma (średnia energia 1,25 MeV), a jego czas półrozpadu to 5,7 lat, zatem może na długie lata skazić teren na śladzie obłoku promieniotwórczego. Bombę z płaszczem z kobaltu nazywa się często "bombą kobaltową", choć ten termin określa również kobaltowe źródło do radioterapii, mające ołowianą osłonę w kształcie bomby lotniczej. Zatem jeśli w opadzie radioaktywnym wykryjemy duże ilości Co-60, możemy być pewni, że skażenia pochodzą z bomby "kobaltowej".

***

Masowe testy jądrowe w latach 50. i 60. spowodowały konieczność monitorowania skażeń pochodzących z opadu promieniotwórczego, na który narażone były wszystkie państwa, niezależnie od położenia na kuli ziemskiej. W Polsce zajmowało się tym powołane w 1957 r. Centralne Laboratorium Ochrony Radiologicznej. Badano tzw. opad całkowity, zbierając do kuwet wszystko, co opada z nieba - deszcz, śnieg, aerozole - a następnie mierząc aktywność i wykonując pomiary spektrometryczne. Jak można zobaczyć na poniższym wykresie, opad ten był dość znaczny, jednak bardzo szybko się zmniejszył po zaprzestaniu testów w atmosferze na mocy układu LTBT z 1963 r., podskoczył dopiero podczas katastrofy w Czarnobylu. Wykresy ukazują różnice między tymi dwoma źródłami skażeń:

• opad z testów jądrowych napływał do Polski stale w niewielkich ilościach, zatem choć jego sumaryczna aktywność była duża, to nie podnosił znacząco chwilowej aktywności beta w powietrzu
• opad z Czarnobyla operował nad Polską jedynie przez 8 dni z 10-dniowego czasu trwania pożaru reaktora, w tym czasie dostarczając połowę tego, co przez rok emitowały testy jądrowe w latach 1962-1963, stąd duży wzrost aktywności beta - źródło skażeń znajdowało się bliżej i wysyłało skażenia w postaci ciągłej, jednak po opanowaniu awarii aktywność w powietrzu szybko wróciła do normy. 

Radioaktywne skażenia w powietrzu krążą dosyć długo, ale w końcu gdzieś muszą opaść. Opadanie przyspieszają deszcze, wymywające pyły z atmosfery i spłukujące je na ziemię, jak słynny czarny deszcz, który spadł niedługo po zrzuceniu bomby atomowej na Hiroszimę. Na ziemi pyły osadzają się na liściach roślin i częściowo są przez nie wchłaniane, pozostałe przedostają się do gleby, gdzie ulegają stopniowemu absorbowaniu w coraz głębszych jej warstwach. Jest to proces dość powolny i nawet wiele lat po przejściu obłoku radioaktywnego większość skażeń kumuluje się w powierzchniowej warstwie gleby. Wymywanie z gleby przez deszcze jest bardzo słabe, a jeśli opad trafia do zbiorników wodnych, może kumulować się w osadach dennych, szczególnie w zbiornikach głębokich i bezodpływowych. Więcej na ten temat w Atlasie Radiologicznym Polski, który omawiałem przy okazji skutków awarii czarnobylskiej w Polsce - [LINK].

Pomiaru skażeń opadających na ziemię można dokonywać mierząc ich kumulowanie się w tkankach roślin. Powinny być to rośliny zimozielone, gdyż opad spływa przez cały rok, również gdy roślinność nie wegetuje, przykryta pokrywą śnieżną. Polscy naukowcy opracowali oryginalną metodę opierającą się na badaniu aktywności w igłach sosny (Pinus silvestris)  - na poniższym wykresie widać, jak zawieszenie testów atmosferycznych w 1959 r. wpłynęło na aktywność igieł rok później

Masowe próby nuklearne skończyły się wraz z latami 80. i zimnowojennym wyścigiem zbrojeń. Natężenie wybuchów w niektórych latach było wyjątkowo duże, prym wiodły dwa główne mocarstwa - USA i ZSRR, do których później dołączyła Francja:

Aktywność uwolnioną w wyniku eksplozji zaledwie w latach 50. i 60. szacuje się na 400 PBq (1 PBq = 1000 TBq = 10^15 Bq), dla porównania, Czarnobyl uwolnił 85 PBq, za to w znacznie krótszym czasie.

Pomimo tego ogromu materiałów radioaktywnych skutki tych testów stanowią ok. 0,2 % łącznej dawki przyjmowanej rocznie przez mieszkańca Polski, nieco większy ułamek procenta pochodzi z pozostałości katastrofy czarnobylskiej. Poszczególnie szacunki nieco się różnią, ale zawsze jest to ułamek procenta, mniejszy niż 0,5%:

Wynika to przede wszystkim z ogromnych rozmiarów złożonego ekosystemu, jakim jest Ziemia, oraz natury opadu promieniotwórczego, który ostatecznie musi gdzieś opaść i jest wiązany, zarówno w substancjach organicznych, jak i nieorganicznych. Opad związany nie przemieszcza się, a jego promieniowanie ulega tłumieniu w absorbencie. Wraz z upływem czasu następuje też stopniowy rozpad radionuklidów, szczególnie tych o krótkim (I-131) i średnim (Sr-90, Cs-137) czasie rozpadu. Izotopy długożyciowe z kolei emitują słabsze promieniowanie, jest ich też ogólnie mniej w łącznym opadzie, dodatkowo są słabiej przyswajalne przez organizm, pomimo większej radiotoksyczności (np. pluton).

***

Pomimo ustania testów nuklearnych aerozole promieniotwórcze nadal występują w atmosferze, i nie jest to efekt tylko i wyłącznie awarii radiacyjnych, takich jak Fukushima (2011) czy katastrofa, rakiety Buriewiestnik (2019). Część aerozoli, składających się na opad, ma pochodzenie naturalne. Są  to produkty rozpadu radonu, radioaktywnego gazu, wydzielającego się z gleby na skutek przemian promieniotwórczych pierwiastków z szeregu uranowo-radowego zawartych w podłożu skalnym. Są to izotopy krótkożyciowe, niestwarzające zagrożenia w typowych stężeniach. Opady deszczu powodują spłukiwanie ich na ziemię i przyczyniają się do krótkiego nieznacznego wzrostu tła promieniowania na ziemi, o czym pisałem kilka lat temu [LINK]. Nie jest to powodem do niepokoju w żadnym przypadku powód do niepokoju. Zresztą stężenie aerozoli promieniotwórczych w powietrzu jest mierzone przez Centralne Laboratorium Ochrony Radiologicznej za pomocą sieci stacji ASS-500. Stacje takie pompują powietrze, pobierane z wysokości 1,5 m, przez filtr bibułowy, który okresowo jest wymieniany, a zebrane aerozole poddawane pomiarom. Prędkość przepływu wynosi 500 m3/h, filtr w normalnej sytuacji radiologicznej zmieniany jest co tydzień, jednak w razie wykrycia anomalii przez inne czujniki jest zmieniany znacznie częściej [LINK]. Możemy zatem nie obawiać się , że obłok promieniotwórczy nad naszym krajem pozostanie niezauważony. 

Sieć ta oddała duże usługi podczas katastrofy w Czarnobylu, kiedy to od razu po wykryciu skażeń przez stację w Mikołajkach została przestawiona na tryb awaryjny - filtry zmieniano co dwie godziny, badając aktywność i skład skażeń. 

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

* jak pisałem poprzednio, reaktor jądrowy nie może wybuchnąć w taki sposób, jak bomba jądrowa. W bombie następuje bardzo szybkie zbliżenie kilku kawałków materiału rozszczepialnego, tworzącego masę krytyczną, i materiał ten musi być wyjątkowo czysty. W reaktorze paliwo jądrowe rozdzielone jest moderatorem i osłonami prętów paliwowych, a do tego "zatrute" produktami rozpadu uranu, co skutecznie hamuje lawinową reakcję łańcuchową, mogącą doprowadzić do eksplozji. Zwykle jest to wybuch pary wodnej, albo wodoru, powstałego na skutek termicznego rozkładu wody chłodzącej, jak miało to miejsce w Czarnobylu czy Fukushimie.