Tło promieniowania

Termin "tło promieniowania" lub "promieniowanie tła" (background radiation) pojawiał się już wielokrotnie na łamach bloga, jednak jeszcze nie został zdefiniowany per se.

Czym jest więc owo "tło promieniowania"?  Najkrócej rzecz ujmując, jest to całość promieniowania jonizującego, obecnego na stałe w przyrodzie [LINK]. Składa się ono z kilku źródeł, których udział jest zmienny w zależności od warunków geofizycznych w danym miejscu na kuli ziemskiej:

• promieniowanie kosmiczne, głównie wtórne, powstałe w wyniku reakcji promieniowania pierwotnego, bombardującego atmosferę z kosmosu, z atomami tlenu i azotu zawartych w powietrzu - jego udział rośnie wraz z ze wzrostem wysokości nad poziomem morza, o czym można przekonać się w wysokich górach czy, jeszcze dobitniej, podczas lotu samolotem
  

• naturalne pierwiastki radioaktywne zawarte w skorupie ziemskiej - jest to głównie uran i tor wraz ze swoimi produktami rozpadu, występujące zarówno jako główny składnik niektórych minerałów (uraninit, autunit, toryt, monacyt), jak również w śladowych ilościach w granicie i węglu. Innym naturalnym pierwiastkiem radioaktywnym jest potas-40, występujący w śladowych ilościach w potasie naturalnym. Warto tu jeszcze wspomnieć o radonie, radioaktywnym gazie powstałym w wyniku rozpadu radu, stale wydzielającym się z podłoża skalnego i niekiedy osiągającym wysokie stężenia we wnętrzach budynków.

  

  Zawartość aktynu-228, naturalnego pierwiastka z szeregu torowego, na terenie Polski, cyt. za:
   Atlas Radiologiczny Polski 2011.

  
  
  
  
• skutki działalności człowieka, które mają, z pewnym zastrzeżeniem*, najmniejszy wpływ na tło promieniowania:
• globalny opad radioaktywny po próbnych wybuchach jądrowych i termojądrowych prowadzonych masowo w latach 50. i 60. stanowi ok. 0,2-0,5 % łącznej rocznej dawki w Polsce
• globalne skutki katastrofy w elektrowni jądrowej w Czarnobylu w 1986 r. oraz w Fukushimie w 2011 r. składają się na 0,5-1 % dawki rocznej w Polsce, niekiedy są liczone razem ze skutkami prób jądrowych i szacowane na ok. 1 %.
• substancje radioaktywne zawarte w węglu i przechodzące zarówno do gazów spalinowych, jak i popiołów. Szczególnie popioły, składowane na hałdach lub stosowane do budowy dróg, mostów i niekiedy budynków mogą lokalnie podnosić nieco tło promieniowania 
• przemysł jądrowy, emitujący śladowe ilości krótkożyciowych radioizotopów do otoczenia oraz produkujący odpady radioaktywne, składowane w specjalnych składowiskach
• przedmioty codziennego użytku - obecnie są to głównie jonizacyjne czujki dymu, zresztą stopniowo wypierane przez detektory optyczne, dawniej były to jeszcze radowe farby świecące w zegarkach, budzikach i kompasach oraz naczynia z glazurą uranową. 
• * podczas awarii i katastrof nuklearnych zwykle dochodziło do promieniotwórczego skażenia terenu. W przypadku awarii w Windscale i Three Mile Island zasięg skażeń ograniczony był do bezpośredniego sąsiedztwa tych elektrowni, jednak np. katastrofa kysztymska (1957) skaziła obszar ZSRR o powierzchni 39000 km kw. Awarie te zatem spowodowały znaczne, choć nadal lokalne (w skali globu) podwyższenie tła promieniowania. 

Wszystkie wymienione wyżej czynniki składają się na promieniowanie tła, dostarczające większość łącznej rocznej dawki promieniowania przyjętej przez człowieka. Jak widać, udział poszczególnych czynników jest bardzo zmienny i zależy, w skrócie, od trzech zmiennych:

1. rodzaju podłoża skalnego
2. wysokości nad poziomem morza
3. ewentualnej obecności skutków działalności człowieka (składowiska, skażenia, materiały budowlane).

Współistnienie wpływu podłoża skalnego i wysokości n.p.m. najdobitniej widać w Tatrach, które dzielą się na dwa główne masywy:

1. Tatry Zachodnie, złożone z wapieni
2. Tatry Wysokie, składające się z granitoidów

Jeżeli zmierzymy moc dawki w obu częściach, na podobnej wysokości n.p.m., to w Tatrach Wysokich będzie ona wyraźnie wyższa (0,3-0,4 µSv/h) niż w Zachodnich (0,1-0,2 µSv/h). Decydującą rolę odgrywa tu granitowe podłoże skalne - jego wpływ jest tak dominujący, że nawet w niższych partiach Tatr Wysokich (Morskie Oko - 1395 m. n.p.m.) będzie poziom promieniowania będzie większy niż na najwyższych szczytach Tatr Zachodnich, osiągających 2000-2200 m n.p.m. Niestety nie mamy w Polsce tak wysokich gór, by wpływ promieniowania kosmicznego przeważał nad podłożem skalnym - na terenie całego kraju większość mocy dawki pochodzi z podłoża. Najdobitniej widać to na południu, szczególnie w okolicach Kowar, gdzie w latach 1948-1973 eksploatowano złoża rudy uranowej na potrzeby radzieckiego przemysłu nuklearnego [LINK]. Poniżej mapa wykonana przez Państwowy Instytut Geologiczny, moc dawki podana w nanogrejach na godzinę, więc by uzyskać mikrogreje na godzinę wartości dzielimy przez 1000:

http://www.ncbj.edu.pl/zasoby/mapy/PGI-Polska-gamma.jpg

W wielu regionach świata tło promieniowania znacznie przekracza wartości spotykane w Polsce. Są to tzw. HLRNA (High Level of Natural Radiation Areas). Najbardziej znane to Ramsar w Iranie, Guarapari w Brazylii oraz stan Kerala i miasto Madras w Indiach.

Promieniowanie tła pochodzące tylko od gruntu - moc dawki w nGy/h i w nawiasach roczna dawka w mSv https://slideplayer.com/slide/8282009/

W rejonie Ramsar podwyższone tło promieniowania wynika z dużych ilości rozpuszczonego radu w wodzie wydobywającej się z gorących źródeł. Rad z kolei powstaje w wyniku przemian promieniotwórczych naturalnych pierwiastków z szeregu uranowo-radowego, zaczynającego się od uranu-238. W niektórych miejscach moc dawki osiąga 73 µSv/h  na poziomie gruntu i 22 µSv/h na wysokości 1 m nad ziemią. Z kolei na plażach w Guarapari promieniowanie pochodzi od piasku, zawierającego minerał toru - monacyt. Moc dawki wynosi tam ok. 20 µSv/h z lokalnymi skokami do 131 µSv/h [LINK]. Takie wartości można porównać jedynie z nielicznymi "gorącymi plamami" w Czarnobylskiej Strefie Wykluczenia [LINK].

https://en.ppt-online.org/303224

Nie stwierdzono jednak zwiększonej zapadalności na nowotwory w tego typu regionach, co jest jednym z argumentów za prawdziwością teorii tzw. hormezy radiacyjnej [LINK]. Teoria ta zakłada, że niewielkie dawki promieniowania jonizującego mają korzystny wpływ na zdrowie, pobudzając organizm do samodzielnej naprawy uszkodzonych komórek.

Ponieważ wartości podawane w różnych źródłach wykazują niekiedy znaczne rozbieżności, zatem umieszczę jeszcze jedną mapę (moc dawki znowu w nGy/h, więc albo porównujemy bezpośrednio z w/w mapą Polski, albo dzielimy przez 1000 by uzyskać µGy/h):

https://www.env.go.jp/en/chemi/rhm/basic-info/1st/02-05-05.html

Podsumowując, największy wpływ na tło promieniowania ma podłoże skalne w danym miejscu, a ściślej, zawartość naturalnych pierwiastków promieniotwórczych. Na poniższych mapach przedstawiono stężenia najważniejszych izotopów radioaktywnych w glebie na terenie Polski. Potas-40, rad-226 i aktyn-228 to izotopy naturalne, powstałe w okresie formowania się Ziemi, zaś cez-137 jest izotopem sztucznym, jednym z głównych produktów rozszczepienia uranu i pojawił się w Polsce na skutek katastrofy czarnobylskiej:

Jak widać na poniższej mapie zestawionej z powyższymi, poziom promieniowania tła zależy praktycznie wyłącznie od naturalnych izotopów, szczególnie od potasu-40. Lokalne skażenia cezem-137, naniesione przez wiatry i deszcze w pierwszych dniach po awarii czarnobylskiej, de facto nie wpływają na tło promieniowania, choć są wykrywalne podczas badań laboratoryjnych gleby i produktów żywnościowych. O samych skażeniach z Czarnobyla pisałem osobno [LINK]

Innym czynnikiem antropogenicznym, wpływającym na tło promieniowania, są wszelkiego rodzaju materiały budowlane, zawierające izotopy radioaktywne:

• granit, używany głównie jako kostka brukowa, elewacje budynków i pomników
• popioły węglowe dodawane do betonu i podsypek drogowych

Znaczenie tych źródeł jest ściśle lokalne, aczkolwiek moc dawki na brukowanych uliczkach czy cmentarzach pełnych granitowych nagrobków może osiągać wartość dwukrotnie większą w stosunku do miejsc bez dodatkowej zawartości granitu. Do śledzenia wahań tła polecam dozymetry z detektorem scyntylacyjnym, które mają znacznie większą wydajność pomiaru promieniowania gamma, a przez co szybciej i dokładniej mierzą nawet niewielkie wahania mocy dawki. Najlepszym obecnie przyrządem do tego celu jest miniaturowy dozymetr RadiaCode 101, który nanosi wartości pomiaru na mapy Google. Poniżej przykładowe pomiary na brukowanych uliczkach  - z lewej Stare Miasto w Lublinie, z prawej ul. Stawna i okolice w Poznaniu:

Jeśli zaś chcemy mieć wyjątkowo wysoką czułość i rozdzielczość pomiaru, najlepiej użyć radiometru scyntylacyjnego z dużym kryształem i wskaźnikiem analogowym, np. SRP-68. Nie umknie nam wtedy żadne wahanie tła, jednak musimy nosić ciężki i nieporęczny sprzęt z sondą o długości 0,5 m. Poniżej podczas pomiaru mocy dawki od wiaduktu mostu Marii Skłodowskiej-Curie - wzrost z 0,08 µSv/h do 0,25 w bezpośrednim sąsiedztwie budowli, prawdopodobnie na skutek użycia popiołów węglowych jako domieszki do betonu:

W powyższych analizach pominąłem czynniki, które choć składają się na łączną roczną dawkę przyjętą przez człowieka, to nie wchodzą w skład ściśle rozumianego "tła promieniowania":

• zawartość potasu-40 w organizmie człowieka, jako obecną stale na podobnym poziomie (10% łącznej rocznej dawki) i działającą na organizm od wewnątrz - tło naturalne jest napromieniowaniem zewnętrznym, 
• dawkę od diagnostyki medycznej, jako działającą bardzo nieregularnie i w różnym stopniu na poszczególne osoby (w Polsce  20% łącznej dawki)
• znacznych dawek od polonu-210 dostarcza palenie tytoniu, jednak nie dotyczy ono całej populacji, a narażenie jest wewnętrzne, zachodzą więc tu inne mechanizmy niż przy napromieniowaniu zewnętrznym

Przytaczane w literaturze wartości tła promieniowania oraz poszczególnych składowych wykazują nieraz znaczne wahania, wynikające zarówno z metodyki pomiarów, jak i zmiany tych wartości na przestrzeni lat. Należy więc je traktować orientacyjnie. Tło promieniowania wykazuje dużą zmienność, wynikającą zarówno z warunków geologicznych w miejscu pomiaru, jak i skutków działalności człowieka. Przykładowo na terenie Warszawy moc dawki jest dość wyrównana, ale występują obszary podwyższonego promieniowania, m.in. składowiska popiołów z elektrociepłowni:

https://promieniowanie.blogspot.com/2014/07/promieniowanie-gamma-w-warszawie-gorace.html

Najlepiej więc przeprowadzić własne pomiary za pomocą dozymetru mającego funkcję zapisu wyniku w stałych odstępach czasowych, np. Radiatex MRD-2, Soeks Quantum, Gamma Scout lub przyrządy współpracujące z aplikacją na telefon, jak np. wspomniany RadiaCode 1010. Uśredniony zapis z kilku dni, wykonany w oddalonych od siebie punktach, może służyć za orientacyjną wartość tła w danym miejscu. Taki pomiar warto prowadzić na wysokości 1 m nad ziemią, z dala od ścian i innych obiektów, zarówno wewnątrz budynku, jak i na otwartej przestrzeni. Zminimalizujemy wtedy ryzyko lokalnego wzrostu wskazań np. od granitowej elewacji ścian czy cegieł zawierających popioły z ciepłowni.

Jeśli zmierzyliście wyjątkowo wysokie lub wyjątkowo niskie tło w Waszej okolicy, dajcie znać w komentarzach!