"Identyfikacja aktualnych źródeł plutonu w powietrzu"

w powietrzu”

Renata Kierepko

Praca doktorska

wykonana

w Zakładzie Fizykochemii J ˛

adrowej

pod kierunkiem

doc. dr hab. Jerzego W. Mietelskiego

Instytut Fizyki J ˛adrowej im.H.Niewodnicza´nskiego Polskiej Akademii Nauk

Podzi˛ekowania

Dzi˛ekuj˛e przede wszystkim mojemu promotorowi doc. dr hab. J. Wojciechowi Mietelskiemu :) za temat bada´n, cierpliwo´s´c, dyskusje i czas, który mi po´swi˛ecił, za to ˙ze nie zostawił w

połowie drogi.

Dzi˛ekuj˛e pracownikom Pracowni Bada´n Ska˙ze´n Radioaktywnych ´Srodowiska IFJ PAN za ˙zyczliwo´s´c i pomoc merytoryczn ˛a, doc. dr hab. Robertowi Anczkiewiczowi za umo˙zliwienie

pracy na MC - ICP - MS i leczenie naukowych kompleksów, Bartkowi Budzyniowi i Kubie Bazarnikowi za to, ˙ze nauczyli mnie sposobu pracy w „super czystym laboratorium”:) i

czasem zgadzali si˛e pój´s´c na kompromis.

Dzi˛ekuj˛e prof. dr hab. Zbigniewowi Ustrnulowi za udost˛epnienie danych wykorzystanych w niniejszej pracy i konsultacje, dr in˙z. Pawłowi Jodłowskiemu za pomoc i ratunek w sprawach

dozymetrii, Witkowi Borowcowi za pomysły, materiały i dyskusj˛e.

Dzi˛ekuj˛e moim znajomym z czasów studiów w Akademii Pedagogicznej, za to ˙ze wci ˛a˙z s ˛a, doktorantom MSD z mojego roku, za wspólne sp˛edzanie czasu studiów, zwłaszcza wieczorów

po mechanice kwantowej.

Dzi˛ekuj˛e osobom najwa˙zniejszym dla mnie - mojej rodzinie - bo bez nich, w ˙zaden sposób, nie mogłabym by´c tu gdzie jestem.

Dzi˛ekuj˛e wszystkim tym, których mogłam spotka´c. Mam nadziej˛e, ˙ze czytaj ˛ac t ˛a prac˛e b˛edziecie czuli, ˙ze to dla Was.

Badania prowadzone w latach 2009-2010 były współfinansowane przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wy˙zszego w ramach grantu promotorskiego N N305 067136

1 Wprowadzenie 9 1.1 Pluton . . . 9 1.1.1 Wła´sciwo´sci Pu . . . 9 1.1.2 Pu w ´srodowisku . . . 13 1.2 Ameryk . . . 21 1.3 Identyfikacja ´zródeł Pu . . . 22 1.4 Aerozole . . . 26 1.4.1 Aerozole atmosferyczne . . . 26

1.4.2 Modele transportu aerozoli w atmosferze . . . 34

1.4.3 Radioaktywne aerozole Pu . . . 37

1.5 Wybrane spektrometryczne metody pomiarowe Pu i Am . . . 41

1.5.1 Spektrometria promieniowania α . . . 42

1.5.2 Spektrometria masowa . . . 45

1.6 Cel bada´n . . . 51

2 Badania Pu w próbach aerozoli atmosferycznych 53 2.1 Charakterystyka miejsc poboru prób aerozoli atmosferycznych . . . 53

2.2 Charakterystyka prób aerozoli atmosferycznych . . . 57

2.2.1 Filtry powietrza . . . 58

2.2.2 Całkowity opad atmosferyczny . . . 61

2.3 Metodyka wydzielania Pu i Am . . . 61

2.3.1 Metodyka wydzielania Pu z prób filtrów powietrza . . . 61

2.3.2 Metodyka wydzielania Pu z prób całkowitego opadu atmosferycznego 64 2.3.3 Metodyka wydzielania Am z prób filtrów powietrza . . . 66

2.4 Wyniki bada´n alfa spektrometrycznych . . . 68

2.4.1 Pu . . . 68

2.4.2 Am . . . 75

2.5 Metodyka przygotowania ´zródeł Pu do pomiarów przy zastosowaniu spektro-metrii masowej . . . 76

2.6 Metodyka pomiarów oraz wyniki bada´n Pu uzyskane przy u˙zyciu MC-ICP-MS 80 3 Dyskusja wyników 95 3.1 Próba oszacowania obci ˛a˙zaj ˛acych dawek skutecznych . . . 111

3.2 Próba okre´slenia zwi ˛azków pomi˛edzy koncentracj ˛a izotopów Pu oraz stosun-kami ich aktywno´sci i mas w w próbach aerozoli atmosferycznych a kierunstosun-kami adwekcji mas powietrza . . . 113

4 Model identyfikacji ´zródeł Pu 123

5 Wnioski 135

6 Indeks skrótów i symboli u˙zywanych w pracy 137

7 Dodatki 139

7.1 Dodatek A (procedury radiochemiczne) . . . 139 7.2 Dodatek B (spis prób poddanych analizom) . . . 146 7.3 Dodatek C (aktywno´sci i koncentracje izotopów Pu i241_{Am w próbach) . . . . 149}

7.4 Dodatek D (stosunki aktywno´sci i mas izotopów Pu w próbach) ) . . . 162

Bibliografia 167

Spis rysunków 174

Wprowadzenie

1.1

Pluton

1.1.1

Wła´sciwo´sci Pu

Pluton to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej Z=94 - transuranowiec nale˙z ˛acy do rodziny aktynowców.

Rysunek 1.1:Okresowy układ pierwiastków z wyró˙znion ˛a rodzin ˛a aktynowców [25].

Jest to pierwiastek, który posiada jedynie izotopy niestabilne, z których 15 o liczbie masowej z zakresu 232-246 zostało zebranych i scharakteryzowanych w tab. 1.1.

Z punktu widzenia niniejszej pracy najbardziej interesuj ˛ace izotopy plutonu to 238Pu, 239Pu,

240_{Pu a tak˙ze} 242_{Pu - ten ostatni stosowany w procedurach radiochemicznych jako znacznik}

wewn˛etrzny.

Tablica 1.1:Charakterystyka wybranych izotopów plutonu [4].

Liczba masowa Czas połowicznego Typ rozpadu Energia emitowanego Prawdopodobie´nstwo rozpadu promieniowania emisji

A T1/2 [MeV] % 232 34 min α 6,60 62 α 6,54 38 233 20,9 min α 6,30 γ 0,235 234 8,8 h α 6,202 68 α 6,150 32 235 25,6 min α 5,85 γ 0,049 236 2,85 y α 5,768 69 α 5,721 31 237 45,4 d α 5,65 21 α 5,36 79 γ 0,059 238 87,74 y α 5,499 70,9 α 5,457 29 239 24110 y α 5,155 73,3 α 5,143 15,1 γ 0,129 240 6563 y α 5,168 72,8 α 5,123 27,1 241 14,35 y α 4,896 83,2 α 4,853 21,1 β− _0,021 γ 0,149 242 3·105_{y α 4,901 74} α 4,857 26 243 4,956 h β− _0,58 γ 0,084 244 8,08·107_{y α 4,589 81} α 4,546 19 245 10,5 h β− 1,28 γ 0,327 246 10,85 d β− 0,374 γ 0,224 Fizykochemiczne wła´sciwo´sci Pu

Specyficzna konfiguracja elektronowa Pu - 7s25f6 (wyizolowanego atomu) [25] determinuje jego własno´sci fizyczne i chemiczne. Obecnie uwa˙za si˛e, ˙ze za tworzenie wi ˛aza´n i konkretnych struktur krystalicznych aktynowców odpowiedzialne s ˛a elektrony znajduj ˛ace si˛e na powłoce 5f [25]. Porównywalne energie poziomów energetycznych 5f i 7s sprawiaj ˛a, ˙ze niewielkie zmiany temperatury czy ci´snienia prowadz ˛a do transformacji struktury krystalicznej. Rys.1.2 demon-struje polimorfizm faz spotykanych w´sród aktynowców.

Wielo´s´c odmian alotropowych Pu (6 odmian) (rys.1.2) sprawia, ˙ze nie jest on typo-wym metalem jak inne pierwiastki z rodziny aktynowców (np.:Am, Th). Jego temperatura topnienia jest relatywnie niska i wynosi ok. 640◦C za´s wrzenia wysoka 3235 ◦C [26]. Kon-sekwencj ˛a polimorfizmu plutonu s ˛a równie˙z znacz ˛ace ró˙znice g˛esto´sci jego odmian si˛egaj ˛ace 25 % (maksymalna g˛esto´s´c 19,86 g/cm3 - odmiana α) [15]. Pluton jest metalem o bardzo

du-Rysunek 1.2:Diagram fazowy wybranych aktynowców z wyró˙znionymi odmianami alotropowymi plu-tonu [42].

˙zej oporno´sci elektrycznej (145·10−6Ωcm - odmiana α) oraz wzgl˛ednie małej przewodno´sci cieplnej (0,01cal/cmsK - odmiana α). Jedn ˛a z wa˙zniejszych cech tego pierwiastka jest jego sto-sunkowo du˙za reaktywno´s´c chemiczna. Tworz ˛ac zwi ˛azki chemiczne wyst˛epuje na - III, IV,V,VI bardzo rzadko VII stopniu utlenienia (Pu na VII stopniu utlenienia powstaje w ekstremalnych warunkach dalekich od tych wyst˛epuj ˛acych naturalnie). W ´srodowisku zwykle pojawia si˛e jako mieszanina ró˙znych form chemicznych co obrazuje rys.1.3.

Rysunek 1.3:Diagram zale˙zno´sci potencjału redox od pH dla Pu w wodzie w obecno´sci jonów wodo-rotlenkowych, w˛eglanowych oraz fluorkowych [9].

Pu w ´srodowisku wodnym, takim jak wody gruntowe czy oceany, najcz˛e´sciej wyst˛epuje jako Pu(IV), w postaci Pu(III,V,IV) mo˙zna go spotka´c w: potokach, solankach, wodach bagiennych, a jako Pu(V) w wodzie deszczowej. Przyjmuje si˛e, ˙ze lekkie aktynowce, w tym tak˙ze Pu, two-rz ˛a stabilne kompleksy b˛ed ˛ac na IV stopniu utlenienia. Badania pokazały, ˙ze w odpowiednich warunkach ´srodowiskowych (pH, potencjał redox) Pu(V) jest łatwiej rozpuszczalny ni˙z Pu(IV) oraz ˙ze Pu(IV) wykazuje lepsze wła´sciwo´sci sorpcyjne na minerałach i powierzchniach skal-nych ni˙z Pu na inskal-nych stopniach utlenienia [9].

Radiotoksyczno´s´c Pu

Pluton uznawany jest za jeden z najbardziej radiotoksycznych pierwiastków. Jego główna ra-dioaktywno´s´c pochodzi z rozpadów α (tab.1.1). Szybko´s´c cz ˛astek powstałych w wyniku tego procesu (warto´s´c energii kinetycznej ok. 5 MeV) jest równa w przybli˙zeniu 1,5·107 m/s (5% szybko´sci ´swiatła). Ze wzgl˛edu na relatywnie mał ˛a warto´s´c pr˛edko´sci, a tak˙ze na ładunek jaki posiadaj ˛a te cz ˛astki (2|e|), g˛esto´s´c jonizacji wywołanych przez nie, jest du˙za a co za tym idzie zasi˛eg cz ˛astek w absorbencie jest niewielki (rys.1.4) i w powietrzu wynosi 3-5 cm za´s w tkance ˙zywej jedynie ok. 30µm (3-5 ´srednic komórek rys.1.5)[87].

Rysunek 1.4: ´Srednia g˛esto´s´c jonizacji, wywołanej przej´sciem cz ˛astki α, w funkcji drogi w absorbencie [87].

W oparciu o te dane mo˙zna wi˛ec wnioskowa´c, ˙ze w kontakcie skóry z Pu prawie wszystkie cz ˛astki α zostan ˛a pochłoni˛ete w naskórku, nie powoduj ˛ac uszkodze´n komórek narz ˛adów we-wn˛etrznych.

Sposób (łatwo´s´c) w jaki Pu jest absorbowany w organizmie zale˙zy od dwóch czyn-ników: drogi nara˙zenia radiacyjnego (sposobu wnikni˛ecia Pu do ludzkiego organizmu) oraz formy chemicznej w jakiej Pu dostaje si˛e do organizmu.

Du˙za energia kinetyczna oraz mały zasi˛eg cz ˛astek α powstałych w rozpadach j ˛ader izotopów plutonu sprawiaj ˛a, ˙ze staj ˛a si˛e one szczególnie niebezpieczne w przypadku inhala-cji (potencjalna droga nara˙zenia radiacyjnego). W trakcie procesu oddychania organizm ludzki zatrzymuje od 5 do 25 % wdychanych aerozoli (wielko´s´c ta jest uzale˙zniona od rozmiaru zain-halowanych cz ˛astek). Najwi˛eksz ˛a frakcj˛e w´sród nich stanowi ˛a te o rozmiarach poni˙zej 10 µm [87]. Pu wraz z aerozolami atmosferycznymi dostaje si˛e do płuc a jego dalsze losy zale˙z ˛a od jego formy chemicznej. I tak np.: tlenek plutonu, który nale˙zy do grupy zwi ˛azków chemicznych słabo rozpuszczalnych, zostaje zdeponowany przede wszystkim w płucach gdzie ze wzgl˛edu na swoj ˛a słab ˛a mobilno´s´c pozostaje przez okres kilku tygodni a nawet miesi˛ecy. Pu w formie roz-puszczalnej (azotany, cytryniany) przedostaje si˛e do układu krwiono´snego po kilku godzinach a nawet minutach od chwili inhalacji. Stwierdzono, ˙ze ok. 90 % zainhalowanego do płuc Pu ulega depozycji w w ˛atrobie i ko´sciach (ł ˛acznie) a ok. 10 % w tkankach mi˛ekkich. Bardzo niewielka frakcja zostaje wydalona wraz z kałem i moczem [35]. Przyjmuje si˛e, ˙ze czas połowicznego biologicznego zaniku Pu dla szkieletu wynosi ok. 50 a dla w ˛atroby ok. 20 lat [87].

Inn ˛a mo˙zliw ˛a drog ˛a wnikni˛ecia Pu do organizmu jest droga pokarmowa. Oszacowano na podstawie bada´n, ˙ze ok. 0,05 % rozpuszczalnych zwi ˛azków Pu i ok. 0,001 % nierozpuszczal-nych, które dostały si˛e do organizmu wraz z diet ˛a trafiaj ˛a do układu krwiono´snego. Pozostała cz˛e´s´c kompleksów Pu jest wydalana wraz z kałem. Dla niemowl ˛at poni˙zej 1 roku ˙zycia propor-cje wchłoni˛ecia s ˛a 10 razy wi˛eksze od podanych powy˙zej czyli wynosz ˛a odpowiednio 0,5 % i 0,01 % [35].

Na podstawie bada´n wykonanych na zwierz˛etach oraz ludziach (lata 40 XX w.) [58] oszacowano mas˛e Pu, która z 50 % prawdopodobie´nstwem wywołałaby zgon człowieka o ma-sie ciała ok. 70 kg w ci ˛agu 30 dni (LD50(30)). Dawka ta wynosi ok. 22 mg, przy zało˙zeniu, ˙ze

wchłoni˛ecie Pu nast ˛apiło drog ˛a pokarmow ˛a. Je´sli natomiast bra´c pod uwag˛e inhalacj˛e to wiel-ko´s´c ta wzrasta 4-ro krotnie [87]. W całej historii prac nad Pu nie zarejestrowano przypadku zgonu człowieka spowodowanego wchłoni˛eciem tego pierwiastka.

1.1.2

Pu w ´srodowisku

Naturalny Pu

Wyst˛epowanie Pu w ´srodowisku zwi ˛azane jest głównie z działalno´sci ˛a człowieka, niemniej jed-nak wci ˛a˙z mo˙zna znale´z´c ´slady Pu naturalnego. Jego istnienie jest wynikiem, przede wszystkim, procesów zachodz ˛acych we Wszech´swiecie, przed powstaniem Układu Słonecznego, kiedy to w j ˛adrze masywnej gwiazdy (zbudowanym głównie z ˙zelaza, kobaltu i niklu) doszło do za-trzymania reakcji termoj ˛adrowych. Brak ci´snienia wywieranego przez promieniowanie gamma (maj ˛ace ´zródło wewn ˛atrz gwiazdy), doprowadził do kolapsu grawitacyjnego (zapadni˛ecia ze-wn˛etrznych warstw gwiazdy zbudowanych głównie z lekkich pierwiastków takich jak wodór, hel,neon,etc.). Nast˛epstwem tego zjawiska był szybki wychwyt neutronów przez j ˛adra istniej ˛ a-cych pierwiastków, co zainicjowało proces tworzenia j ˛ader pierwiastków ci˛e˙zkich. Kiedy pro-ces ten ustał, Pu był niemal tak powszechny jak U. Materia, która wówczas powstała (wybuch supernowej) stała si˛e zal ˛a˙zkiem Układu Słonecznego w tym Ziemi. Wówczas to, abundancja

Pozo-stało´sci ˛a po wydarzeniu inicjuj ˛acym powstanie Ziemi i pierwiastków ci˛e˙zkich jest m.in. 244Pu odkryty w minerałach bastnazytu prekambryjskiego przez Hoffmana et. al. w 1971 r. [29].

Naturalne ´slady innego izotopu plutonu (239Pu) zostały odkryte w zło˙zach U, z któ-rych najwi˛eksze znajduje si˛e w Oklo na terenie Gabonu (Afryka). Około 2 miliardów lat temu, kiedy koncentracja235_{U, w tych zło˙zach, była dziesi˛eciokrotnie wi˛eksza ni˙z obecnie, neutrony}

powstałe w wyniku spontanicznego rozszczepienia tego izotopu wchodz ˛ac w reakcj˛e z 238U spowodowały powstanie ok. 4 t239Pu. Na przestrzeni lat izotop ten praktycznie całkowicie si˛e rozpadł, jednak jego ´sladowe ilo´sci, jak i skład izotopowy U stanowi ˛a dowód procesu, który tam zachodził. Innym sposobem powstania naturalnego 239Pu jest reakcja 238U z neutronami naturalnego tła promieniowania (niekoniecznie pochodz ˛acymi z rozszczepienia235U) [53].

Odkrycie Pu

Pocz ˛atek XX w. w fizyce to badania teoretyczne i eksperymentalne nad budow ˛a atomu. Se-kwencja zdarze´n takich jak:

• stworzenie kompletnej teorii budowy atomu wodoru (1913 r. N.Bohr), • odkrycie neutronu (1932 r. J.Chadwick),

• odkrycie i interpretacja zjawiska rozszczepienia j ˛adra atomowego (1938 r. L.Meitner, O.Hahn, F.Strassmann, O.R.Frisch),

determinuje badania nad „nowymi” pierwiastkami. Z uwagi na przewidywane własno´sci fizyko-chemiczne pierwiastków, badania nad nimi nie ustaj ˛a nawet wówczas gdy dochodzi do wybuchu II wojny ´swiatowej. 23 lutego 1941 r. grupa pracuj ˛aca na uniwersytecie w Berkley (USA) pod kierownictwem G.Seaborga w skład której wchodził m.in.: A.Wahl, J.W.Kennedy, E.McMillan w procesie bombardowania238U deuteronami (rów.1.1) otrzymała i zidentyfikowała238Pu.

238_{U +}2_{H →}238_{N p + 2n}

238_{N p → β}− _→238_{P u (1.1)}

Ze wzgl˛edu na ograniczone mo˙zliwo´sci techniczne pozyskiwania tego izotopu Pu (je-dynie ´sladowe ilo´sci) postanowiono skupi´c uwag˛e na innym,239Pu. O jego istnieniu (na podsta-wie teorii opartej o bł˛edne zało˙zenia) informował E.Fermi ju˙z w 1934 r., ale dopiero w 1942r. na uniwersytecie w Chicago grupie, któr ˛a współtworzył wraz z L.Szilard’em i innymi udało si˛e po-twierdzi´c istnienie 239Pu. Podczas swoich bada´n wykorzystali reakcj˛e wysokoenergetycznych neutronów reaktorowych z238U.

238_{U + n →}239 _{P u (1.2)}

Stosuj ˛ac tak ˛a metod˛e otrzymywano masowe ilo´sci239_{Pu. Badania przez kilka lat były utajnione}

gdy˙z wchodziły w zakres Projektu Manhattan, a wyniki opublikowano kilka lat pó´zniej.

Inne izotopy Pu takie jak:240_Pu,241_Pu,242_Pu,244_{Pu zostały odkryte w latach}

´

Zródła Pu w ´srodowisku

Pluton jako materiał rozszczepialny miał i ma przede wszystkim zastosowanie militarne. St ˛ad te˙z jego pojawienie si˛e w ´srodowisku ma ´scisły zwi ˛azek z działalno´sci człowieka, tj.:

• testami broni j ˛adrowej (Nowa Ziemia, Semipałaty´nsk, Atol Bikini, Nevada, Nowa Kale-donia etc.),

• produkcj ˛a i przerobem paliwa j ˛adrowego (Sellafield, La Hague, Majak, Tokaimura, Han-ford etc.),

• przerobem głowic nuklearnych na paliwo j ˛adrowe,

• wypadkami j ˛adrowymi (Kisztym (1957), Windscale (1957), jezioro Karczaj(1967), Czar-nobyl (1986), Rocky Flats etc.) ,

• katastrofami satelitów (SNAP 9A (1964), Kosmos-954 (1978)),

• wypadkami samolotów z broni ˛a j ˛adrow ˛a na pokładzie (Palomares (1966), Thule (1968)). Pluton jest pierwiastkiem wykorzystywanym równie˙z w innych dziedzinach ˙zycia, ta-kich jak: medycyna (zasilacz rozrusznika serca) [24], ochrona przeciwpo˙zarowa (izotopowa czujka dymu) czy przemysł (´zródło neutronów).

Wa˙zniejsze ´zródła Pu w ´srodowisku (z punktu widzenia tematyki pracy), zostały krótko scharakteryzowane poni˙zej.

Testy broni j ˛adrowej Testy broni j ˛adrowej rozpocz˛eto w połowie lat 40-tych XX w. Pierw-sza próbna eksplozja miała miejsce 16 lipca 1945 r. na pustyni w Alamogordo, Nowy Meksyk (USA) w ramach Projektu Manhattan. Szacuje si˛e (na podstawie oficjalnych danych pozyska-nych m.in. przez Stockholm International P eace Research Institute (SIPRI) czy N atural Resources Def ence Council in W ashington D.C (NRDC)), ˙ze od tego momentu do maja 2006 r. wykonano ok. 2054 testów nuklearnych (tab.1.2) na ok. 60 poligonach. Ich rozmiesz-czenie zostało przedstawione na rys.1.6.

Tablica 1.2:Zestawienie testów broni j ˛adrowej przeprowadzonych w latach 1945-2009 [12].

Kraj Liczba testów Data pierwszego testu Data ostatniego testu USA 1032 16.07.1945 23.09.1992 ZSRR/Rosja 715 29.08.1949 24.10.1990 Francja 210 13.02.1960 17.10.1996 Wielka Brytania 45 3.10.1952 26.11.1991 Chiny 45 16.10.1964 29.07.1996 Indie 3 18.05.1974 13.05.1998 Pakistan 2 28.05.1998 30.05.1998 Korea´nska Republika Ludowo-Demokratyczna 3 18.05.2005 13.05.2009

Rysunek 1.7: Wykaz testów broni j ˛adrowej przeprowadzonych w latach 1945 - 2009 z wyró˙znieniem testów atmosferycznych i podwodnych prowadz ˛acych do rozpowszechnienia substancji radioaktywnych w ´srodowisku [12].

Najwi˛ecej prób j ˛adrowych - 900 - przeprowadzono na pustyni w Nevadzie (USA), 450 w rejonie Semipałaty´nska (Kazachstan), 290 na Pacyfiku, 130 na Nowej Ziemi (Ocean Arktyczny), 45 nad Lob Nor (Chiny), 17 w Algierii, 12 w Australii, etc. [12].

Nie wszystkie testy miały przeznaczenie militarne. Cz˛e´s´c z nich została wykonana w ramach programu P eacuf ul N uclear Explosions (PNEs), jako próby, których zało˙zeniem było wykorzystanie w przyszło´sci eksplozji j ˛adrowych m.in. do utworzenia: nowego kanału Atlantyk - Pacyfik biegn ˛acego przez Ameryk˛e ´Srodkow ˛a, sztucznych jezior, podziemnych ja-ski´n do magazynowania gazu czy odwrócenie biegu rzek. W ramach tej działalno´sci USA prze-prowadziły 27 (w latach 1957 - 1975) a ZSRR 124 (do roku 1996) podziemne wybuchy j ˛adrowe. Projekt w obu krajach został zamkni˛ety w chwili gdy zrozumiano, ˙ze korzy´sci płyn ˛ace z niego s ˛a mniejsze ni˙z ryzyko kontaminacji podczas detonacji.

Próby j ˛adrowe, ze wzgl˛edu na o´srodek, w którym s ˛a wykonywane mo˙zna podzieli´c na 3 grupy tj.: atmosferyczne, podziemne, podwodne (rys.1.7). Najwi˛eksz ˛a cz˛e´s´c ogólnej liczby prób stanowi ˛a testy podziemne, jednak najwa˙zniejsze ze wzgl˛edu na temat niniejszej pracy s ˛a testy atmosferyczne (j ˛adrowe i termoj ˛adrowe). Ocenia si˛e, ˙ze w latach 1945 - 1996 przeprowa-dzono ich ł ˛acznie 490 z czego ponad 200 wykonały USA, porównywalnie ZSRR, 50 Francja, po ok. 20 Wielka Brytania oraz Chiny [12].

W wyniku testów broni j ˛adrowej do ´srodowiska dostało si˛e ok. 4,5 t239Pu, 1 t240Pu, 200 kg242Pu, 95 kg241Pu, 1 kg238Pu oraz ´sladowa ilo´s´c244Pu [53]. Ze wzgl˛edu na to, ˙ze wi˛ek-szo´s´c z nich została przeprowadzona na półkuli północnej (rys.1.6) obszar ten został bardziej ni˙z inne ska˙zony radionuklidami, w tym równie˙z Pu, co obrazuje rys.1.8 [53].

Rysunek 1.8: ´Srednia skumulowana depozycja239+240_{Pu w funkcji szeroko´sci geograficznej [53].}

Pu pochodz ˛acy z testów broni j ˛adrowej stanowi cz˛e´s´c opadu nazywanego globalnym. W celu uto˙zsamienia tego pierwiastka z jego ´zródłem, Pu z eksplozji j ˛adrowych w dalszej cz˛e´sci pracy b˛edzie okre´slany jako opad globalny.

Fabryki produkcji i przerobu paliwa j ˛adrowego Wraz z rozwojem bada´n nad broni ˛a j ˛ a-drow ˛a wzrastało zapotrzebowanie na U i Pu. Potrzeba wydzielenia Pu z paliwa j ˛adrowego za-owocowała powstaniem całej sieci infrastruktury w tym m.in. fabryk przerobu paliwa j ˛ adro-wego, które ze wzgl˛edów logistycznych lokalizowane były blisko miejsc produkcji Pu. Pierw-sza taka fabryka powstała w Hanford (USA) w ramach Projektu Manhattan. Wraz z upływem czasu wybudowano inne, niekoniecznie dedykowane wył ˛acznie ekstrahowaniu Pu do celów mi-litarnych m.in. La Hague, Majak, Tokaimura oraz pierwsza i najwi˛eksza w Europie - Sellafield (Windscale) zlokalizowana w Kumbrii u wybrze˙zy Morza Irlandzkiego. Szacuje si˛e, ˙ze w latach 1957 - 1983 do ´srodowiska morskiego z tej fabryki wprowadzono ok. 700 TBq Pu [6], który wraz z Pr ˛adem Zatokowym został przeniesiony i rozprzestrzeniony na terenie Morza Północ-nego i Oceanu ArktyczPółnoc-nego.

Ł ˛acznie do Morza Irlandzkiego wprowadzono 185 kg Pu [53].

Badania pokazały [16], ˙ze fabryki produkcji i przerobu paliwa j ˛adrowego nale˙zy rozpa-trywa´c równie˙z w kategorii potencjalnych ´zródeł aerozoli radioaktywnych. Pomimo wysokiego poziomu zabezpiecze´n aerozole powstaj ˛ace w takich o´srodkach s ˛a w stanie wydosta´c si˛e duk-tami wentylacyjnymi do ´srodowiska. Wykazano równie˙z, ˙ze koncentracja uwalnianych cz ˛astek radioaktywnych zale˙zy od funkcji jak ˛a spełnia dana fabryka (produkcja lub przerób paliwa j ˛ a-drowego) i oszacowano, ˙ze ´srednie st˛e˙zenie aktywno´sci cz ˛astek Pu w badanych obiektach jest

rz˛edu (odpowiednio) 104 Bq/m3 oraz 105 Bq/m3. Ró˙znice w koncentracji s ˛a wynikiem wiel-ko´sci, a tym samym mobilno´sci aerozoli, które powstaj ˛a w fabrykach (wi˛eksze - w miejscach produkcji, mniejsze - w miejscach przerobu paliwa j ˛adrowego)[16].

Przerób głowic nuklearnych na paliwo j ˛adrowe Potencjalnym ´zródłem Pu w ´srodowisku, które pojawiło si˛e relatywnie niedawno jest materiał pochodz ˛acy z głowic nuklearnych. Po okresie zimnej wojny (zako´nczonej w 1991 r.) i wzmo˙zonych działa´n militarnych, zainicjowano proces ograniczenia arsenałów broni j ˛adrowej. Od lat 90-tych Rosja prowadzi program rozwoju reaktorów z u˙zyciem paliwa Th-Pu, do produkcji, którego u˙zywany jest Pu, który miał posłu˙zy´c do konstrukcji broni j ˛adrowej. 2 lipca 1998 r. rz ˛ady Francji i Niemiec podpisały z Rosj ˛a umow˛e o przerobie rosyjskich głowic nuklearnych na paliwo reaktorowe typu MOX (M ixed OXide f uel), za´s w lipcu 2000 r. Rosja i USA, zobowi ˛azały si˛e do pomniejszenia swych arsenałów, plutonowych głowic j ˛adrowych, o 34 t ka˙zde do 2014 r. [89].

Proces przerobu głowic j ˛adrowych, tak jak paliwa j ˛adrowego, obarczony jest ryzykiem awarii i emisji aerozoli radioaktywnych do ´srodowiska, głównie przez systemy duktów wenty-lacyjne fabryk. Intensywno´s´c tego procesu zale˙zy od ilo´sci materiału, który poddawany jest transformacji w MOX.

Czarnobyl Jedna z najwi˛ekszych cywilnych katastrof j ˛adrowych miała miejsce w 1986 r. na terenie dzisiejszej Ukrainy w Czarnobylu. Na wskutek cz˛e´sciowego stopienia grafitowego rdzenia reaktora i wydzielenia ogromnej energii, doszło do wybuchu i uwolnienia do ´srodowi-ska radionuklidów o ł ˛acznej aktywno´sci 1,2×1019Bq z czego aktywno´s´c m.in.:238Pu stanowiła 30-35 TBq,239Pu 30-33 TBq,240Pu 42-53 TBq,241Pu 5900-6300 TBq [85] za´s ich masy były odpowiednio równe ok. 48 g - 238_{Pu , 14 kg -} 239_{Pu , 4 kg -}240_{Pu oraz 1,4 kg} 241_{Pu [53]. Ze}

wzgl˛edu na zmienne warunki atmosferyczne uwolnione izotopy zostały rozproszone w ro˙znych kierunkach wokół miejsca katastrofy. Wi˛ekszo´s´c z nich została zdeponowana w odległo´sci nie wi˛ekszej ni˙z kilkadziesi ˛at kilometrów, jednak drobniejsze cz ˛astki zostały przeniesione przez pr ˛ady powietrzne nawet wielokrotnie dalej.

SNAP 9A 21 kwietnia 1964 r. doszło do katastrofy ameryka´nskiego satelity serii Transit wy-posa˙zonego w System f or N uclear Auxiliary P ower Generator (SNAP). Był to system energetycznego zasilania satelity, zbudowany z238_{Pu. Satelita spłon ˛ał w atmosferze na}

wyso-ko´sci ok. 50 km w rejonie Oceanu Indyjskiego nad Madagaskarem. Generator uległ całkowi-temu zniszczeniu w stratosferze, co spowodowało rozproszenie 238Pu (630 TBq) wokół całej kuli ziemskiej [6]. Od kiedy (2 lata po wypadku) teoretycznie cały Pu przedyfundował do tro-posfery zauwa˙zalnie wzrosła koncentracja 238Pu w przyziemnej warstwie powietrza. Szacuje si˛e, ˙ze do ko´nca lat 70 XX w. 95 % Pu pochodz ˛acego z tej katastrofy opadło na powierzchni˛e Ziemi.

Całkowita masa rozproszonego238Pu w wypadku wynosiła ok. 1 kg [53].

Palomares, Thule 17 stycznia 1966r. nad terytorium Hiszpanii (Palomares) podczas operacji tankowania doszło do zderzenia dwóch samolotów, z których jeden na swym pokładzie trans-portował bro´n termoj ˛adrow ˛a. W wyniku wypadku dwie bomby uległy rozbiciu (nie doszło do wybuchu j ˛adrowego). Aerozole tlenku plutonu, które wówczas powstały, zostały rozproszone przez wiatr wokół punktów zrzutu. Stwierdzono, ˙ze na powierzchni 2 ha wokół miejsca kata-strofy koncentracja zdeponowanego Pu wynosiła 1,2·106 _Bq/m2_{, na 16 ha 1,2·10}5 _Bq/m2_{, na}

gleby z obszaru 2,26 km2) nadal charakteryzuje si˛e on podwy˙zszon ˛a aktywno´sci ˛a Pu [66]. Ba-dania wykazały, ˙ze na terenie wy˙zynnym 99 % rozproszonego pierwiastka znajduje si˛e w 5 cm warstwie gleby, za´s na obszarze rolniczym w gł˛ebszych jej warstwach [57].

Dwa lata pó´zniej w styczniu 1968r. miał miejsce wypadek, którego skutkiem było równie˙z rozbicie i eksplozja konwencjonalnych zapalników ładunków wybuchowych 4 bomb j ˛adrowych. Do zdarzenia doszło 11 km od bazy wojskowej USA Thule na lodzie pokrywaj ˛ a-cym Bylot Sound (Grenlandia). Do ´srodowiska arktycznego dostało si˛e wówczas ok. 1,4 TBq

239+240_{Pu. Pomimo akcji dekontaminacji (usuni˛eto ska˙zony lód), ´slady wypadku (Pu) s ˛a nadal}

widoczne na obszarze 1000 km2 _[54].

Konsekwencj ˛a wy˙zej opisanych zdarze´n było wprowadzenie do ´srodowiska ok. 1 kg239+240Pu [53].

Tablica 1.3:Uzupełniaj ˛acy rejestr katastrof j ˛adrowych (z uwzgl˛ednieniem Czarnobyla) w trakcie, których doszło do uwolnienia Pu [11].

Miejsce katastrofy Data katastrofy Aktywno´s´c wszystkich radionuklidów uwolnionych do ´srodowiska

A [TBq]

Majak (Rosja) wrzesie´n 1957 7,4 ×104

Windscale (Wielka Brytania) pa´zdziernik 1957 0,0016∗

Rocky Flats (USA) maj 1969 0,22∗

Czarnobyl (Ukraina) kwiecie´n 1986 1,2×107

Tomsk-7 (Rosja) kwiecie´n 1993 1,5

∗ Katastrofy w trakcie, których został uwolniony głównie Pu.

´Swiatowe zasoby Pu W 2000 r. oszacowano ´swiatowe zasoby Pu na 1,9·106 _{kg. Najwi˛eksza}

ich cze´s´c została wykorzystana do celów militarnych (tab. 1.4), pozostało´s´c znalazła zastosowa-nie jako: paliwo j ˛adrowe, ´zródła promieniowania jonizuj ˛acego czy materiał badawczy. Tempo produkcji Pu jest ´sci´sle zwi ˛azane z ogólno´swiatow ˛a sytuacj ˛a polityczn ˛a i energetyczn ˛a. Około 75 t Pu rocznie (na ´swiecie) powstaje w reaktorach dedykowanych wytwarzaniu energii elek-trycznej. Produkcja Pu do celów militarnych si˛ega: 0,5 t/rok w Rosji, 6 kg/rok w Korea´nskiej Republice Ludowo-Demokratycznej, za´s w krajach takich jak: Chiny, Indie, Pakistan, Izrael wielko´s´c ta jest nieznana [10].

Tablica 1.4:Wykaz krajów posiadaj ˛acych plutonowe głowice nuklearne (stan na rok 1999) [10].

Kraj Masa plutonu [t] USA 99,5 Rosja 130 Wielka Brytania 7,6 Francja 5 Chiny 4 Izrael 0,5 Indie 0,35

Pakistan niewielkie ilo´sci Korea´nska Republika

Produkcja naturalnego239Pu w ´srodowisku (reakcja neutronów naturalnego tła promieniowania i j ˛ader238U) wynosi od 4 kg do 30 kg w skali rocznej [53].

1.2

Ameryk

Ameryk (transuranowiec o liczbie atomowej Z = 95), został odkryty w czasie bada´n, które roz-pocz˛eto po opracowaniu procesów produkcji Pu. Grupa naukowców w skład, której weszli m.in. R.A. James, L.O. Morgan, A. Ghiorso, G.L. Seaborg w laboratorium uniwersytetu w Chicago (USA) wykonała pod koniec roku 1944 i na pocz ˛atku 1945 seri˛e eksperymentów bombardo-wania239Pu neutronami reaktorowymi. Wynikiem reakcji był proces wielokrotnego wychwytu neutronów przez j ˛adra Pu, w konsekwencji czego zidentyfikowano powstanie izotopów Am (rów.1.3) [19]: 239_{P u + n →}240_{P u + γ} 240_{P u + n →}241_{P u + γ} 241 P u β − −→241Am 241 Am + n →242 Am + γ 242_{Am + n →}243 _{Am + γ} (1.3)

Ze wzgl˛edu na du˙ze problemy z separacj ˛a „nowych” izotopów ogłoszenie ich odkrycia nast ˛apiło dopiero 11 listopada 1945 r. [72].

Spo´sród kilkunastu izotopów Am, dwa o najwi˛ekszym znaczeniu dla wykonanych ba-da´n w zakresie niniejszego projektu, a jednocze´snie dwa o najdłu˙zszym czasie połowicznego zaniku to:243Am oraz241Am (tab.1.5), z których pierwszy u˙zywany był jako znacznik w trakcie analiz radiochemicznych.

Tablica 1.5:Charakterystyka wybranych izotopów ameryku [79].

Liczba masowa Czas połowicznego rozpadu Typ rozpadu Energia emitowanego Prawdopodobie´nstwo

rozpadu promieniowania emisji

A T1/2 [MeV] % 241 432,2 lata α 5,39 1,6 α 5,44 13,0 α 5,49 84,5 γ 0,06 35,9 243 7370 lat α 5,18 1,1 α 5,23 11 α 5,28 87,4 γ 0,04 5,9

Am jest metalem o ubo˙zszej gamie struktur krystalicznych ni˙z Pu (rys.1.2). Tworz ˛ac zwi ˛azki chemiczne wyst˛epuje na II, III, IV, V lub VI stopniu utlenienia. Jego obecno´s´c w ´sro-dowisku zwi ˛azana jest z:

• depozycj ˛a Am,

• depozycj ˛a241_{Pu (który z czasem połowicznego rozpadu 14,4 lat i prawdopodobie´nstwem}

99,9 % rozpada si˛e na241Am - rys.1.9).

Rysunek 1.9:Schemat rozpadu241Pu [7].

Oba izotopy (241Am, 241Pu) maj ˛a swe ´zródło w: testach broni j ˛adrowej, wypadkach j ˛adrowych oraz fabrykach przerobu paliwa j ˛adrowego. Szacuje si˛e, ˙ze do ´srodowiska dostało si˛e na skutek:

• testów broni j ˛adrowej ok. 12 PBq241Am z rozpadu241Pu [1],

• katastrofy w Czarnobylu ok. 4,8 TBq 241_{Am [38], ok. 6 PBq} 241_{Pu [84], z którego do}

ko´nca 2009 r. powstało 0,13 PBq241Am [70].

Nale˙zy jednak pami˛eta´c, ˙ze w wyniku katastrofy w Czarnobylu został uwolniony nie tylko241_{Am (izotop badany), ale równie˙z}243_{Am, stosowany jako znacznik. Jednak ze wzgl˛edu}

na ilo´s´c,243Am jaka została zdeponowana w ´srodowisku (A 243Am/A241Am wynosił ok. 0,17 ± 0,03 [48]) jest on pomijany w trakcie analiz.

Am podobnie jak Pu jest metalem silnie radiotoksycznym. Przyjmuje si˛e, ˙ze jego meta-bolizm w organizmie człowieka nie ró˙zni si˛e od metameta-bolizmu Pu i w zwi ˛azku z tym okre´slono, ˙ze ok. 90 % Am wchłoni˛etego do krwiobiegu gromadzi si˛e w ko´sciach i 10 % w w ˛atrobie z czasem połowicznego biologicznego zaniku równym odpowiednio 50 i 20 lat [53].

1.3

Identyfikacja ´zródeł Pu

Mnogo´s´c ´zródeł Pu w ´srodowisku mo˙ze sprzyja´c powstaniu wra˙zenia, ˙ze pozostaj ˛a one „ano-nimowe” - nierozró˙znialne. Tak jednak nie jest. Kompozycja materiału, z którego zbudowany jest dany rodzaj ´zródła (bomba j ˛adrowa, paliwo j ˛adrowe, generator energii, czujka dymu, etc.) jak i historia napromieniowania materiału sprawiaj ˛a, ˙ze ka˙zdy z rodzajów ´zródeł ma charakte-rystyczne dla siebie stosunki izotopów Pu (jakby - „odcisk palca”) i to dzi˛eki nim mo˙zliwa jest ich identyfikacja. W tab.1.6 zostały zebrane dane literaturowe charakteryzuj ˛ace wybrane ´zródła

Pu w ´srodowisku. W zale˙zno´sci od metody jaka została zastosowana podczas bada´n identyfiku-j ˛acych ´zródło (spektrometria promieniowania alfa lub masowa) przyj˛eło si˛e podawa´c stosunki mas izotopów lub stosunki ich aktywno´sci. Przeliczenie stosunków masowych na stosunki ak-tywno´sci izotopów mo˙zliwe jest przy zastosowaniu nast˛epuj ˛acej zale˙zno´sci wynikaj ˛acej z defi-nicji aktywno´sci: Ax Ay = T1/2y T1/2x My Mx my mx (1.4) gdzie:

Ax,Ay - aktywno´sci wybranych izotopów,

T1/2x,T1/2y - czasy połowicznego rozpadu izotopów,

Mx,My - masy atomowe izotopów,

mx,my - masy danych izotopów w próbie.

Tablica 1.6:Warto´sci stosunków: aktywno´sci238_Pu/239+240_{Pu i}238_Pu/239_{Pu oraz mas}240_Pu/239_Pu

charakte-rystyczne dla wybranych rodzajów ´zródeł Pu w ´srodowisku.

Rodzaj ´zródła Pu A238_{Pu/ A}239+240_{Pu m}240_{Pu/ m}239_{Pu A}238_{Pu/ A}239_Pu

Materiał konstrukcyjny bomb j ˛adrowych +

Fabryki produkcji broni j ˛adrowej + 0,01 - 0,07 [59] Fabryki przerobu głowic nuklearnych

Palomares 0,056[54] 0,0275[54]

Thule 0,014 [13] 0,033[54] - 0,045[13] 0,0150[54] Opad globalny + SNAP 9A 0,03 [83] 0,18 [59]

(półkula północna)

Wypalone paliwo j ˛adrowe 0,18 [55] - > 1,8 [75] 0,23[59] - 1 [75] Czarnobyl 0,55[65] - 0,6[53] 0,4 [59] Sellafield (´srednia) 0,18 - 0,21[55] 0.25[39] La Hague 0,26 - 0,34 [75] 0.36 [75]

Z punktu widzenia niniejszej pracy najbardziej interesuj ˛ace s ˛a stosunki aktywno´sci

238_Pu/239+240_{Pu oraz mas} 240_Pu/239_{Pu za pomoc ˛a, których mo˙zna równie˙z wyznaczy´c iloraz}

A238_{Pu/ A}239_{Pu wykorzystuj ˛ac zale˙zno´s´c:}

Ax Ay = Ax Ay+z  A_z Ay + 1  (1.5) gdzie:

Ax,Ay,Az - aktywno´sci wybranych izotopów,

Niektóre ´zródła Pu cechuje szeroki zakres warto´sci stosunków izotopowych (tab.1.6). Przyczyn ˛a tego jest m.in.: wielo´s´c wariantów tego samego rodzaju ´zródła (np.: reaktory j ˛ a-drowe), procesów technologicznych wykorzystanych podczas produkcji (bro´n j ˛adrowa), zmien-no´s´c w czasie ´zródła (np.: Sellafield) czy czas jego eksploatacji (np.: paliwo j ˛adrowe rys.1.10). Tab.1.7 stanowi doskonał ˛a ilustracj˛e przedstawionego powy˙zej zagadnienia, kiedy to wielo´s´c wariantów determinuje zakres stosunków izotopowych ´zródła.

Tablica 1.7:Koncentracja izotopów plutonu w wypalonym paliwie j ˛adrowym 5 typów reaktorów [62].

Procentowy udział mas izotopów Pu

Typ reaktora Wypalenie w wypalonym paliwie j ˛adrowym Procentowy udział

238_Pu 239_Pu 240_Pu 241_Pu 241_{Pu materiału rozszczepialnego} [MWd/t] [%] [%] [%] [%] [%] [%] Magnox 3000 0,1 80 16,9 2,7 0,3 82,7 5000 - 68,5 25 5,3 1,2 73,8 CANDU 7500 - 66,6 26,6 5,3 1,5 71,9 AGR 18000 0,6 53,7 30,8 9,9 5,0 63,6 BWR 27500 2,6 59,8 23,7 10,6 3,3 70,4 30400 - 56,8 23,8 14,3 5,1 71,1 PWR 33000 1,3 56,6 23,2 13,9 4,7 70,5 43000 2,0 52,5 24,1 14,7 6,2 67,2 53000 2,7 50,4 24,1 15,2 7,1 65,6

Magnox (GCR) Gas Cooled Reactor, CANDU (PHWR) P ressurized Heavy W ater Reactor, AGR -Advanced Gas Cooled Reactor, BWR - Boiling W ater Reactor, PWR - P ressurized W ater Reactor.

Paliwem j ˛adrowym (wykorzystywanym głównie w reaktorach typu PWR), którego jednym z celów produkcji jest zagospodarowanie Pu pochodz ˛acego z broni j ˛adrowej jest MOX. Jest to paliwo o do´s´c specyficznym składzie izotopowym (zubo˙zony U z Pu) i przez to atrak-cyjnym dla badaczy prób ´srodowiskowych. Procentowy udział mas izotopów Pu i Am w ae-rozolach powstałych i uwolnionych do ´srodowiska w trakcie procesu jego produkcji, powinien przedstawia´c si˛e nast˛epuj ˛aco: 3,6 % 238Pu, 50,8 % 239Pu, 24,9 % 240Pu, 11,2 %241Pu, 1,1 %

241_{Am, 8,4 %}242_{Pu [21].}

Innym przykładem demonstruj ˛acym mechanizm wpływaj ˛acy na mnogo´s´c stosunków izotopowych (Pu) charakteryzuj ˛acych dane ´zródło, jest bro´n j ˛adrowa. Po jej detonacji stosunek mas240Pu/239Pu w materiale konstrukcyjnym ro´snie (mie´sci si˛e w granicach 0,03 do 0,35 [59]) na wskutek reakcji wychwytu neutronów, a efektywno´s´c tego procesu zale˙zy od parametrów konstrukcji oraz typu broni j ˛adrowej.

Podczas prac wykonywanych w zakresie niniejszego projektu postanowiono przepro-wadzi´c równie˙z badania 241_{Am, który mógłby dostarczy´c dodatkowych cennych informacji}

umo˙zliwiaj ˛acych bardziej dogł˛ebn ˛a analiz˛e ´zródeł Pu w powietrzu. Znajomo´s´c stosunków ak-tywno´sci 241Am/239+240Pu, pozwala na dookre´slenie jako ´zródła m.in.: testów broni j ˛adrowej (warto´s´c A241_Am/A239+240_{Pu ok. 0,3 [23]), Czarnobyla (ok.2,4 na rok 2010 [48]) czy}

Sella-field (od 1 do 1,7 [41]).

Identyfikacja ´zródeł Pu poprzez stosunki izotopowe (aktywno´sci i mas) jest wykorzy-stywana nie tylko w celach poznawczych, ale stanowi te˙z bardzo wa˙zny element w procesie wykrywania nielegalnych materiałów j ˛adrowych (stosowana m.in. przez IAEA (International Atomic Energy Agency)).

1.4

Aerozole

Aerozole to układy dwu- lub trójfazowe składaj ˛ace si˛e ze stałej lub ciekłej fazy rozproszonej oraz gazowego o´srodka dyspersyjnego tzw. no´snika. Powstaj ˛a one w wyniku procesów fizyko-chemicznych, z których najwa˙zniejsze to:

• kondensacja - proces polegaj ˛acy na przej´sciu fazy rozproszonej ze stanu gazowego w cie-kły (skraplanie) lub stały (sublimacja). Kondensacja powoduje formowanie si˛e nowych cz ˛astek najcz˛e´sciej w ´srodowisku wolnym od aerozoli - (tzw. nukleacja, zarodkowanie) lub powi˛ekszanie rozmiarów istniej ˛acych cz ˛astek poprzez depozycj˛e na ich powierzchni fazy rozproszonej (tzw. kondensacja heterogeniczna). ´Srednica cz ˛astek powstałych w wy-niku kondensacji zale˙zy wprost proporcjonalnie od czasu, w którym ten proces nast˛epo-wał i zmienia si˛e według zale˙zno´sci (1.6) [73]

d(t) = d0+ 2κt (1.6)

gdzie:

d(t) - ´srednica cz ˛astki po czasie t,

d0 - ´srednica cz ˛astki inicjuj ˛acej proces kondensacji,

κ - stała zale˙zna od efektywno´sci kondensacji.

Konsekwencj ˛a powy˙zszego prawa jest fakt, ˙ze mniejsze cz ˛astki zwi˛ekszaj ˛a swoj ˛a ´sred-nic˛e szybciej ni˙z cz ˛astki du˙ze. Zauwa˙zy´c równie˙z nale˙zy, ˙ze dla t→ ∞ cz ˛astki staj ˛a si˛e monodyspersyjne pod wzgl˛edem rozmiarów.

• koagulacja - proces ł ˛aczenia si˛e cz ˛astek fazy rozproszonej (koloidu) w wi˛eksze agregaty. Efektywno´s´c tego procesu uwarunkowana jest st˛e˙zeniem fazy rozproszonej i szybko´sci ˛a dyfuzji powstałych cz ˛astek (zale˙znej od temperatury) w fazie rozpraszaj ˛acej .

Trzecim procesem, który jest odpowiedzialny za powstawanie aerozoli a stanowi swo-iste poł ˛aczenie dwóch wy˙zej wymienionych, jest trzystopniowa konwersja gaz - cz ˛astka (1.sto-pie´n - zarodkowanie, 2.sto(1.sto-pie´n - koagulacja, 3.sto(1.sto-pie´n - kondensacja heterogeniczna) [64].

1.4.1

Aerozole atmosferyczne

Aerozole atmosferyczne to rozproszone w powietrzu (faza rozpraszaj ˛aca) cz ˛astki stałe lub cie-kłe (faza rozproszona) stanowi ˛ace zanieczyszczenia atmosfery ziemskiej [47]. Cechuje je ró˙z-norodno´s´c kształtów - od kulistych, przez sze´scienne (kryształy NaCl) po nieregularne (po-pioły). W celu porównywania ich wielko´sci wprowadza si˛e ´srednic˛e aerodynamiczn ˛a (´srednica kuli o jednostkowej g˛esto´sci, której aerodynamiczne własno´sci s ˛a identyczne jak rozwa˙zanej cz ˛asteczki o nieregularnym kształcie), jednak w bardzo wielu opracowaniach funkcjonuj ˛a jedy-nie okre´slenia takiej jak: ´srednica lub wielko´s´c cz ˛astki (bez bardziej szczegółowej definicji tej wielko´sci fizycznej). W dalszej cz˛e´sci pracy w celu ujednolicenia nazewnictwa rozmiar aero-zolu b˛edzie si˛e okre´sla´c poprzez podanie jego ´srednicy - d.

Aerozole atmosferyczne cz˛esto s ˛a identyfikowane z: j ˛adrami Aitkena, dymem, oparami (cz ˛astki małe), pyłem, mgłami oraz popiołem (cz ˛astki du˙ze).

Klasyfikacja aerozoli atmosferycznych

Ze wzgl˛edu na ´srednice cz ˛astek (d) dzielimy je na 2 grupy: • aerozole drobnoziarniste (klasa drobnoziarnista)

– klasa j ˛ader Aitkena - dla d <0,1 µm

– klasa akumulacyjna - dla d  (0,1 µm, 2 µm) • aerozole gruboziarniste (klasa gruboziarnista) - d >2 µm

Aerozole nale˙z ˛ace do klasy j ˛ader Aitkena powstaj ˛a głównie w wyniku kondensacji lub koagulacji w ´srodowisku pary przesyconej. Koncentracja tego typu aerozoli w powietrzu wynosi ok. 25 µg/m3 _{[64]. Za powstanie cz ˛astek przynale˙znych do klasy akumulacyjnej}

(naj-powszechniejszy typ aerozoli w atmosferze) odpowiedzialne s ˛a 2 procesy: koagulacja i konden-sacja heterogeniczna - prowadz ˛ace do powi˛ekszenia rozmiarów cz ˛astek z klasy j ˛ader Aitkena. Cz ˛astki gruboziarniste - to cz ˛astki powstałe głównie w wyniku kondensacji lub procesów me-chanicznych (naturalnych i antropogenicznych) przy wilgotno´sci powietrza poni˙zej 100 %.

Badania nad aerozolami atmosferycznymi pozwoliły znale´z´c zale˙zno´sci: liczby, po-wierzchni i obj˛eto´sci (równoznacznej z mas ˛a) cz ˛astek od ich wielko´sci. Zaobserwowano, ˙ze relacje te s ˛a uwarunkowane rodzajem badanego o´srodka rozpraszaj ˛acego. Przykład takich za-le˙zno´sci został przedstawiony na rys.1.11.

Rysunek 1.11:Rozkład liczby, powierzchni i obj˛eto´sci aerozoli atmosferycznych w funkcji ich wielko-´sci wykonany na podstawie danych zebranych w 1969 r. w Pasadenie (USA) [64].

Badania te pozwoliły m.in. ustali´c ˙ze rozkład obj˛eto´sci posiada 2 maksima - pierw-sze (tutaj wi˛ekpierw-sze) dla cz ˛astek o rozmiarach poni˙zej 1 µm (w tym konkretnym przypadku ok. 0,3µm) oraz drugie dla cz ˛astek o wielko´sci rz˛edu kilku µm (w tym przypadku 10 µm).

Innym kryterium klasyfikacji aerozoli jest ich pochodzenie. Na podstawie tego kryte-rium cz ˛astki atmosferyczne dzielimy na:

• naturalne

W´sród cz ˛astek pochodzenia naturalnego mo˙zemy wyró˙zni´c m.in:

• aerozole marygeniczne - które powstaj ˛a w wyniku współoddziaływania ze sob ˛a atmosfery i morza. Stanowi ˛a one główn ˛a składow ˛a tła aerozolowego (tab.1.8) ok. 35,8 % . W ich skład wchodz ˛a głównie cz ˛astki soli morskiej (NaCl) o rozmiarach z zakresu od 1 µm do 500 µm [18]. Schemat powstawania jednego z typów aerozoli morskich (bryzgów) został przedstawiony na rys.1.12,

• aerozole pustynne - ´zródłem których jest eoliczna działalno´s´c wiatrów nad pustyniami, s ˛a to głównie cz ˛astki mineralne,

• aerozole wulkaniczne - powstaj ˛ace w procesie erupcji wulkanów,

• bioaerozole - których ´zródłem s ˛a przede wszystkim organizmy ˙zywe. To cz ˛astki o rozmia-rach z przedziału od 0,02 µm, 200 µm takie jak: bakterie, grzyby, wirusy, pyłki kwiatowe, etc.,

• mikrometeoryty - cz ˛astki materii kosmicznej, które przechodz ˛ac przez atmosfer˛e docie-raj ˛a do powierzchni Ziemi.

Rysunek 1.12:Schemat powstawania jednego z typów aerozoli marygenicznych - bryzgów [18]. Aerozole antropogeniczne - to wszelkiego rodzaju pyły, dymy, włókna, sadza, zwi ˛azki organiczne i nieorganiczne etc. powstałe w wyniku działalno´sci człowieka.

Wydajno´s´c ´zródeł aerozoli atmosferycznych

Procentowa wydajno´s´c naturalnych i antropogenicznych ´zródeł aerozoli została przedstawiona w tab.1.8. Na podstawie zebranych danych mo˙zna wnioskowa´c, ˙ze cz ˛astki o ´srednicy 5 µm (nale˙z ˛ace do klasy aerozoli gruboziarnistych) stanowi ˛a dominuj ˛ac ˛a frakcj˛e tła aerozolowego (ponad 50 %) a ich głównym ´zródłem jest proces transformacji cz ˛astka - gaz oraz działalno´s´c wiatru nad oceanami.

Dzi˛eki rozwojowi bada´n nad aerozolami obecnie wiadomo, ˙ze to oceany stanowi ˛a jedno z ich głównych naturalnych ´zródeł. Dane pochodz ˛ace z lat 80 i 90-tych XX w. poka-zuj ˛a, ˙ze wydajno´s´c globalna naturalnych ´zródeł aerozoli to ok. 1250 Mt/rok z czego 500 Mt/rok pochodzi z oceanów za´s pozostałe ´zródła to: pył eoliczny (250 Mt/rok), pył wulkaniczny (25 Mt/rok), dymy z po˙zarów le´snych (5 Mt/rok), cz ˛astki formuj ˛ace si˛e z gazów przemiany SOxw

atmosferze (335 Mt/rok) i inne (135 Mt/rok). Zaledwie 22,4 % wydajno´sci ´zródeł naturalnych stanowi produkcja aerozoli antropogenicznych (280 Mt/rok) [67]. Nale˙zy jednak nadmieni´c, ˙ze przytoczone dane dotycz ˛a sytuacji globalnej i mog ˛a si˛e ró˙zni´c dla konkretnych rejonów kuli ziemskiej.

Tablica 1.8:Procentowa wydajno´s´c naturalnych i sztucznych ´zródeł aerozoli [18].

´

Zródło Wszystkie rozmiary cz ˛astek Cz ˛astki o ´srednicy 5 µm naturalne antropogeniczne razem naturalne antropogeniczne razem działalno´s´c wiatru: nad oceanami 35,8 - 35,8 17,5 - 17,5 nad l ˛adami 7 10,4 17,4 3,5 5,2 8,7 działalno´s´c wulkaniczna 8,7 - 8,7 0,9 - 0,9 pyły kosmiczne 0,3 - 0,3 <0,1 - <0,1 po˙zary lasów i rolnictwo 1,1 3,5 4,6 0,2 2,1 2,3 przemysł i transport - 3,8 3,8 - 1,1 1,1 formowanie si˛e cz ˛astek z gazów 19,8 9,6 29,4 15,5 8,8 24,3 Razem 72,7 27,3 100 <37,7 17,2 <54,9

Czas zawieszenia aerozoli w atmosferze

Aerozole atmosferyczne to cz ˛astki, które wywieraj ˛a wpływ na klimat, pogod˛e i jako´s´c powie-trza. Z wielu powodów (m.in. ekologicznych), wa˙zne jest okre´slenie ich czasu przebywania w atmosferze, który zale˙zy od ´srednic cz ˛astek i od wysoko´sci ich rozpraszania - własno´sci war-stwy atmosfery, w której doszło do tego procesu.

Uchwał ˛a Komisji Aerologicznej ´Swiatowej Organizacji Meteorologicznej z 1961 r. przyj˛eto obowi ˛azuj ˛acy do dzi´s podział atmosfery. Głównym kryterium klasyfikacji były zmiany temperatury wraz wysoko´sci ˛a [37]. W zaproponowanym podziale uwzgl˛edniono 6 warstw głów-nych i 3 przej´sciowe (pauzy) tj.:

• troposfera - 0 - 11 km (na naszej szeroko´sci geograficznej); 6 km nad biegunami i 17 km nad równikiem, • tropopauza • stratosfera - 11 - 55 km • stratopauza • mezosfera - 55 - 85 km • mezopauza • termosfera - > 85 km

– jonosfera - 85 - 800 km (nad biegunami) lub 1000 km (nad równikiem), – egzosfera - > 800 km (nad biegunami) lub 1000 km (nad równikiem).

Rysunek 1.13:Schemat budowy atmosfery [37].

Tablica 1.9:Zestawienie ´sredniego czasu zawieszenia aerozoli w atmosferze w zale˙zno´sci od rozmiarów cz ˛astek i od wysoko´sci ich rozpraszania [18].

Warstwa ´Srednica cz ˛astek µm

atmosferyczna 2-5 10-24 2-24

warstwa przywodna

nad morzem (<50m) 1 - 3,5 d 0,2 - 0,6 d 0,3 - 0,4 d graniczna warstwa

atmosfery (<1,5 km) 0,5 - 2 d

dolna troposfera 2 d - 1 tydz

górna troposfera 3 tyg - 1 mc dolna stratosfera 1 - 2 mc górna stratosfera 1 - 2 lata dolna mezosfera 4 - 20 lat

W przedstawionym na rys.1.13 schemacie pionowego przekroju atmosfery wyst˛epuj ˛a 3 wyra´zne maksima temperatury: 1. przy powierzchni Ziemi, 2. na wysoko´sci ok. 50 km, 3. przy górnej „granicy” atmosfery. Warto równie˙z zauwa˙zy´c, ˙ze do wysoko´sci ok. 85 km (do mezopauzy), składniki atmosfery s ˛a bardzo dobrze wymieszane i tworz ˛a specyficzn ˛a warstw˛e zwan ˛a ho-mosfer ˛a. Powy˙zej 85 km rozci ˛aga si˛e heterosfera, w której obserwujemy: zmieniaj ˛acy si˛e skład chemiczny, malej ˛ac ˛a wraz z wysoko´sci ˛a mas˛e cz ˛asteczkow ˛a gazów atmosferycznych oraz poja-wienie si˛e m.in. jonów, co determinuje (z fizycznego punktu widzenia) oddziaływanie aerozoli z cz ˛astkami atmosfery a tym samym czas ich zawieszenia w atmosferze.

Dane zebrane w tab.1.9 pozwalaj ˛a potwierdzi´c przypuszczenie, ˙ze cz ˛astki o niewiel-kich rozmiarach rozproszone w górnych warstwach atmosfery (w tym przypadku dane dla dol-nej warstwie mezosfery) przebywaj ˛a w atmosferze najdłu˙zej. Cz ˛astki du˙ze (rozmiary 10-24µm) ze wzgl˛edu na swoj ˛a mas˛e s ˛a eliminowane najszybciej.

Transport aerozoli w atmosferze

Wynikiem pojawienia si˛e aerozoli w atmosferze (która nie tworzy systemu statycznego) w na-st˛epstwie takich aktywno´sci jak: działalno´s´c wiatru, działalno´s´c wulkaniczna, iniekcja pyłów kosmicznych, działalno´s´c człowieka (przemysł, transport, rolnictwo), etc. jest ich ruch a˙z do momentu depozycji na powierzchni Ziemi. Transport aerozoli w atmosferze warunkuj ˛a 2 pro-cesy:

• dyspersja • depozycja

Dyspersja to proces, który uto˙zsamia si˛e z transportem aerozoli odbywaj ˛acym si˛e w atmos-ferze pod wpływem ruchów powietrza. Ruchy te ze wzgl˛edu na skal˛e przestrzenn ˛a (rozmiary) dzielimy na:

• drobne wiry turbulencyjne - mikroskala (<0,5 km) • wiatry lokalne - mezoskala (1-200 km)

• kr ˛a˙zenie powietrza wokół rozbudowanych układów wy˙zowych i ni˙zowych - skala synop-tyczna (ok. 1000 km)

• pr ˛ady strumieniowe - skala planetarna (ok. 10000 km)

Rozmiary przestrzenne wy˙zej wymienionych zjawisk zale˙z ˛a od procesów dzi˛eki, któ-rym powstaj ˛a oraz od grubo´sci warstwy atmosfery, w której zachodz ˛a. Mniejsze zjawiska prze-strzenne takiej jak: wiry turbulencyjne maj ˛a porównywalne składowe poziome i pionowe (roz-miary przestrzenne), natomiast ruchy powietrza o wi˛ekszej skali przestrzennej maj ˛a składow ˛a poziom ˛a wi˛eksz ˛a od pionowej, co wywołane jest ograniczeniem wynikaj ˛acym z niewielkiej grubo´sci troposfery, w której ruchy te maj ˛a miejsce (rys.1.13). Czasowa skala zjawisk atmosfe-rycznych jest wprost proporcjonalna do skali przestrzennej [47] i ł ˛aczy je zale˙zno´s´c:

t = al (1.7)

gdzie:

t - czas trwania zjawiska,

l - rozmiar przestrzenny zjawiska,

Na podstawie tej relacji mo˙zna oszacowa´c, ˙ze ruchy turbulencyjne o rozmiarach rz˛edu 1 m trwaj ˛a ok. 1 s, ni˙ze umiarkowanych szeroko´sci geograficznych o rozmiarach rz˛edu 1000km ok. 1 tygodnia.

Ruchy powietrza a precyzyjniej mechanizmy przenoszenia aerozoli maj ˛a swoj ˛a ge-nez˛e w procesach fizyko-chemicznych i tak: drobne wiry turbulencyjne - zwi ˛azane s ˛a z dyfuzj ˛a (samorzutny proces wyrównywania si˛e koncentracji w mieszaninie kilku ró˙znych substancji wywołany ruchami cieplnymi cz ˛astek [71]), wiatry lokalne - powstaj ˛a w wyniku nierówno-miernego nagrzewania si˛e podło˙za, czego konsekwencj ˛a jest pojawienie si˛e poziomego gra-dientu ci´snienia powoduj ˛acego ruch powietrza (bryza morska, wiatr górski - halny, wiatr lo-dowcowy, etc.) i w ko´ncu przenoszenia aerozoli w skali synoptycznej i planetarnej (najbardziej interesuj ˛ace z perspektywy niniejszej pracy), które zwi ˛azane s ˛a z ogóln ˛a cyrkulacj ˛a atmos-fery uwarunkowan ˛a gradientami: temperatury i ci´snienia atmosferycznego w poziomie i pionie. Jednym z najwa˙zniejszych czynników - bo uniwersalnym (niezale˙znym od rodzaju ruchu po-wietrza) - maj ˛acym wpływ na odchylenie kierunków ruchu powietrza jest siła Coriolisa (siła bezwładno´sci)(rów.1.8) zwi ˛azana z obrotem kuli ziemskiej wokół własnej osi.

~

Fc= −2m(~ω × ~v) (1.8)

gdzie: ~

ω - pr˛edko´s´c k ˛atowa Ziemi ~v - pr˛edko´s´c ruchu mas powietrza m - masa poruszaj ˛acego si˛e powietrza

Konsekwencj ˛a jej działania jest odchylenie toru ruchu powietrza:

• na wschód - je´sli powietrze przemieszcza si˛e na północ na półkuli północnej lub na połu-dnie na półkuli południowej,

• na zachód - je´sli powietrze przemieszcza si˛e na południe na półkuli północnej lub na północ na półkuli południowej,

• ku Ziemi - je´sli mamy do czynienia ze wschodnim (tzn. z zachodu) kierunkiem ruchu powietrza,

• ku górze - je´sli ruch powietrza jest zachodni (tzn. ze wschodu).

Najwa˙zniejsz ˛a przyczyn ˛a cyrkulacji w skali planetarnej jest ró˙znica dopływu energii słonecznej do podło˙za. W niskich szeroko´sciach geograficznych, ilo´s´c promieniowania absor-bowanego przez układ Ziemia-atmosfera znacznie przekracza straty zwi ˛azane z efektywnym wypromieniowaniem. Bilans radiacyjny jest zatem dodatni. W wysokich szeroko´sciach geo-graficznych sytuacja jest odwrotna co owocuje ujemnym bilansem radiacyjnym. Powoduje to nierównomierny rozkład temperatury. W strefie mi˛edzyzwrotnikowej panuje wy˙zsza tempera-tura ni˙z w strefie wysokich szeroko´sci geograficznych.

Temperatura całej strefy mi˛edzyzwrotnikowej, jak i podbiegunowej jest mniej wi˛ecej stała, natomiast du˙ze zró˙znicowanie obserwuje si˛e w szeroko´sciach umiarkowanych gdzie tem-peratura gwałtownie maleje wraz z odległo´sci ˛a od równika (najwi˛ekszy spadek temperatury notuje si˛e ok. 50 równole˙znika na obu półkulach) [47]. Ten efekt wzmocniony działaniem siły Coriolisa determinuje wydzielenie na kuli ziemskiej 3 nawzajem wzmacniaj ˛acych si˛e komórek cyrkulacyjnych (rys.1.14).

W pierwszej strefie zwanej komórk ˛a Hardleya, le˙z ˛acej mi˛edzy równikiem a zwrotni-kiem, nagrzane powietrze (w strefie równikowej) wznosi si˛e ku górze. Barier˛e dla tego powie-trza stanowi tropopauza powoduj ˛aca jego ruch w kierunku wy˙zszych szeroko´sci geograficz-nych. Siła Coriolisa sprawia, ˙ze masy powietrza doznaj ˛a odchylenia w kierunku wschodnim

Rysunek 1.14:Pionowy przekrój przez trzy komórki cyrkulacyjne z usytuowaniem polarnego (PPS) i podzwrotnikowego (ZPS) pr ˛adu strumieniowego i frontu polarnego [47].

(tzn. powstaje wiatr zachodni). W trakcie tego ruchu powietrze ochładza si˛e radiacyjnie co prowadzi do powstania pasa podwy˙zszonego ci´snienia oraz podzwrotnikowego pr ˛adu strumie-niowego ok. 30 równole˙znika. Konwergencja wymusza w tej strefie osiadanie mas powietrza, które ogrzewaj ˛a si˛e (obszar najwi˛ekszych pusty´n) i w znacznej cz˛e´sci odpływaj ˛a ku równikowi. Siła Coriolisa powoduje powstanie wiatrów wschodnich (pasatów).

Frakcja powietrza, która nie odpłyn˛eła ku równikowi zasila drug ˛a komórk˛e cyrkula-cyjn ˛a - komórk˛e Ferrela. Powietrze płyn ˛ac ku wy˙zszym szeroko´sciom geograficznym ok. 60 równole˙znika spotyka si˛e z powietrzem płyn ˛acym z biegunów. Ze wzgl˛edu na du˙zy gradient temperatury masy powietrza nie mieszaj ˛a si˛e a na ich granicy powstaje front polarny. Ciepłe powietrze z południa wznosi si˛e ku troposferze i zawraca w kierunku zwrotników. W tym re-jonie w górnych warstwach troposfery powstaje wiatr (polarny pr ˛ad strumieniowy) o szybko´sci rz˛edu 100 km/h [18]- opływaj ˛acy cał ˛a kul˛e ziemsk ˛a. Nie biegnie on równole˙znikowo lecz zakre-´sla fale (fale długie lub fale Rossby’ego). Zwykle jest ich od 3 do 6 a ka˙zda ma długo´s´c kilku tysi˛ecy kilometrów i w istotny sposób modyfikuje powstanie przyziemnych ni˙zów i wy˙zów. Zdarza si˛e, ˙ze bardzo drobne cz ˛astki bior ˛ace udział w tym ruchu na poziomie górnej troposfery niejednokrotnie okr ˛a˙zaj ˛a ziemski glob, nieznacznie trac ˛ac wysoko´s´c [47].

W wysokich szeroko´sciach geograficznych wyst˛epuje trzecia komórka - zwana po-larn ˛a. Powietrze polarne, które zostało zatrzymane przez ciepłe masy powietrza znad zwrotni-ków - unosi si˛e i osiada nad biegunami.

Układ ci´snienia i ruch obrotowy Ziemi sprawiaj ˛a, ˙ze w w dolnej troposferze w stre-fach polarnych dominuj ˛a składowe wschodnie natomiast w strefach umiarkowanych składowe zachodnie wiatrów.

Rzeczywisty układ pr ˛adów powietrznych jest przyczyn ˛a przewagi strefowych składo-wych ruchów powietrza (równole˙znikoskłado-wych) nad południkowymi. W górnej cz˛e´sci troposfery dominuj ˛a wiatry zachodnie za´s w dolnej mamy na przemian uło˙zone strefy wiatrów wschodnich i zachodnich [47].

Czynnikiem równie˙z odpowiedzialnym za kierunki transportu mas powietrza jest nie-jednorodno´s´c powierzchni Ziemi (wyst˛epowanie l ˛adów i oceanów). W zimnej porze roku aero-zole s ˛a przenoszone znad l ˛adu nad oceany w ciepłej odwrotnie. Przenoszeniem cz ˛astek na da-lekie dystanse w skali synoptycznej steruj ˛a układy baryczne - wy˙ze, ni˙ze i ich kliny lub zatoki - rzadko wiatry lokalne. Przewaga strefowo´sci w ruchach powietrza determinowana istnieniem siły Coriolisa hamuje wymian˛e powietrza mi˛edzy półkul ˛a północn ˛a i południow ˛a z wyj ˛atkiem okresów wyst˛epowania oscylacji południowej (El Niño) [18].

Depozycja to proces odpowiedzialny za usuwanie aerozoli z atmosfery (proces „samooczysz-czania” atmosfery). Ze wzgl˛edu na stan skupienia opadu atmosferycznego, wraz z którym na-st˛epuje transport aerozoli wyró˙zniamy:

• depozycj˛e such ˛a • depozycj˛e mokr ˛a

Depozycja sucha to zjawisko, które jest efektem 3 procesów: sedymentacji (ruchu aerozoli pod wpływem siły grawitacji), inercyjnego zderzania si˛e cz ˛astek z powierzchni ˛a Ziemi lub oceanów oraz dyfuzji turbulentnej cz ˛astek (uwarunkowanej ruchami Browna) w kierunku po-wierzchni Ziemi lub oceanów. Efektywnej sedymentacji podlegaj ˛a przede wszystkim cz ˛astki o du˙zych rozmiarach (aerozol gruboziarnisty) w o´srodku sprzyjaj ˛acym wzrostowi ich obj˛eto´sci (o´srodki o relatywnie du˙zej wilgotno´sci wzgl˛ednej). Szybko´s´c tego procesu zale˙zy od własno-´sci fizycznych aerozolu tj.: kształtu, g˛estowłasno-´sci i wielkowłasno-´sci oraz o´srodka, w którym nast˛epuje sedymentacja. Najwa˙zniejszym czynnikiem wpływaj ˛acym na ten ruch jest siła oporu. Stokes wykazał, ˙ze przy zało˙zeniach: kulistego kształtu oraz małej szybko´sci cz ˛astki, siła ta jest pro-porcjonalna do pr˛edko´sci:

~

F = −6πηr~v (1.9)

gdzie:

η - współczynnik lepko´sci dynamicznej w powietrzu, ~v - pr˛edko´s´c cz ˛astki w powietrzu.

Pozostałe 2 procesy depozycji suchej (inercyjne zderzanie cz ˛astek z powierzchni ˛a de-pozycji oraz dyfuzja turbulentna) s ˛a typowe dla aerozoli drobnoziarnistych.

Depozycja mokra zjawisko ogrywaj ˛ace główn ˛a rol˛e w transporcie cz ˛astek klasy akumula-cyjnej. Jest to proces, który rozpoczyna si˛e dyfuzyjnym wychwytem aerozoli przez zawiesiny kropel wchodz ˛acych w skład np. mgły lub chmury a tak˙ze hydrometeorów (kropel deszczu, płatków ´sniegu, etc.), z którymi nast˛epnie przenoszone s ˛a na powierzchni˛e Ziemi lub oceanów [18]. Proces ten mo˙zna opisa´c prawem eksponencjalnym [64]:

C(t) = C0e−Λt (1.10)

gdzie:

C(t) - koncentracja aerozoli po czasie t, C0- koncentracja aerozoli w chwili t=0,

Λ - współczynnik wymywania aerozoli - frakcja masy cz ˛astek, które uległy transportowi w ci ˛agu 1s.

1.4.2

Modele transportu aerozoli w atmosferze

Konstrukcja modelu transportu aerozoli w atmosferze jest bardzo skomplikowana, a przyczyn ˛a tego jest ró˙znorako´s´c i wielo´s´c zjawisk oraz procesów (opisanych w rozdz.1.4.1), z którymi zwi ˛azany jest ruch cz ˛astek. Zale˙zno´sci pomi˛edzy nimi zostały przedstawione w sposób sche-matyczny na rys.1.15.

Rysunek 1.15:Schemat przedstawiaj ˛acy modelow ˛a zale˙zno´s´c koncentracji aerozoli atmosferycznych od ich ´srednicy z uwzgl˛ednieniem procesów powstawania i usuwania cz ˛astek z atmosfery [73]

Schemat ten doskonale ukazuje ró˙znice w: ´zródłach, mechanizmach transformacji oraz procesach depozycji aerozoli drobno- i gruboziarnistych. Warto zwróci´c uwag˛e na fakt istnienia 3 maksimów w przedstawionej na rys.1.15 zale˙zno´sci. Oznacza to, ˙ze w´sród wszystkich frakcji aerozoli dominuj ˛a te, których ´srednice wynosz ˛a (w tym konkretnym przypadku) ok. 0,02 µm, ok. 0,3 µm oraz 10 µm. Pami˛eta´c jednak nale˙zy, ˙ze jest to jedynie model, przedstawiaj ˛acy sytuacj˛e idealn ˛a.

Modele transportu aerozoli w atmosferze klasyfikowane ze wzgl˛edu na sposób symu-lacji dzielimy na:

• fizyczne - gdzie procesy zachodz ˛ace w rzeczywistej atmosferze s ˛a symulowane w mniej-szej skali w laboratorium przy wykorzystaniu tuneli wiatrowych,

• matematyczne,

– modele empiryczne - w których dane pomiarowe słu˙z ˛a do ustalenie empirycznych zale˙zno´sci opisuj ˛acych procesy zachodz ˛ace w atmosferze,

– modele deterministyczne - wykorzystuj ˛ace matematyczny opis procesów fizycz-nych i chemiczfizycz-nych zachodz ˛acych w atmosferze.

Ze wzgl˛edu na łatwo´s´c dost˛epu jak i relatywnie niewielkie wymagania (komputer) podczas pracy z systemem wykorzystuj ˛acym dany model, najwi˛eksz ˛a popularno´sci ˛a ciesz ˛a si˛e te matematyczno-deterministyczne (teoretyczne), a bardziej szczegółowo modele Lagrange’a lub Euler’a. W´sród modeli Lagrange’a wyró˙zniamy 3 główne typy modeli gaussowskich: 1. typ - smugi , 2. typ - obłoku, 3.typ - mieszany, wszystkie przystosowane do opisu rozprzestrzenia-nia si˛e zanieczyszcze´n w warunkach niestacjonarnych i niejednorodnych. Wykorzystywane s ˛a głównie do prognozowania transportu aerozoli w skali lokalnej [51].

Ró˙znica mi˛edzy wymienionymi modelami polega na zało˙zeniach i tak:

• model smugi - opisuje emisj˛e cz ˛astek ze ´zródła punktowego w postaci smugi, koncen-tracje aerozoli wyznaczane s ˛a z równania Gaussa dla smugi (formuła Pasquila), opis wa-runków meteorologicznych nast˛epuje przy zało˙zeniu dyskretnych stanów równowagi at-mosfery. Przykłady modeli smug: RIMPUFF, CALPUFF, SPM, ATSTEP, etc. [60] wyko-rzystywane m.in. w systemach wspomagania decyzji po wypadkach j ˛adrowych RODOS, ARGOS.

• model obłoku - opisuje emisj˛e cz ˛astek ze ´zródła punktowego, zbioru ´zródeł punktowych lub ´zródła przestrzennego. Smuga emitowanych cz ˛astek ze ´zródła przybli˙zana jest przez seri˛e obłoków, które przemieszczaj ˛a si˛e zgodnie z lokalnym, zmiennym w czasie polem wiatrów. Przykłady modeli obłoków; AERMOD, R91, ADMS, etc. [60],

• model mieszany - zbiór cz ˛astek emitowanych z dowolnego ´zródła przybli˙zany jest seri ˛a smug (segmentów) lub obłoków. Przykłady modeli hybrydowych: DREAM, AVACTA II [60].

Modele Eulera - to modele uwzgl˛edniaj ˛ace dowoln ˛a kombinacj˛e ´zródeł emisji aerozoli, zakładaj ˛ace natychmiastowe rozcie´nczenie fazy rozproszonej w fazie rozpraszaj ˛acej. Słu˙z ˛a one do prognozowania m.in. dyspersji „długozasi˛egowej” (MATCH, HIRLAM wykorzystywane w systemie RODOS) [60].

Wszystkie wymienione wy˙zej modele do poprawnego funkcjonowania wymagaj ˛a m.in. pakietu nast˛epuj ˛acych danych (parametryzacja zło˙zona):

• warunków meteorologicznych,

• warunków topograficznych,

• typu ´zródła emisji (lub kombinacji ´zródeł),

1.4.3

Radioaktywne aerozole Pu

Aerozole Pu to cz ˛astki zawieraj ˛ace w swym składzie izotopy Pu i stanowi ˛ace frakcj˛e aerozoli atmosferycznych. Powstaj ˛a one w wyniku nast˛epuj ˛acych mechanizmów:

• utleniania i parowania metalicznego Pu ze ´zródeł otwartych, • utleniania i parowania napromieniowanych: U i UO2,

• rozpraszania wodnych roztworów Pu w postaci kropli, • resuspensji zakontaminowanej plutonem eroduj ˛acej gleby, • iniekcji materiału zawieraj ˛acego Pu do atmosfery.

Mechanizmem odpowiedzialnym za „tło plutonowe” w dolnej warstwie atmosfery (najbardziej interesuj ˛acej z punktu widzenia człowieka) wydaje si˛e by´c resuspensja, która jest wynikiem działalno´sci wiatru nad kontynentami. Powoduje ona wtórn ˛a migracj˛e aerozoli Pu (które ju˙z uległy depozycji) z powierzchni Ziemi do atmosfery.

Resuspensj˛e charakteryzuje si˛e zwykle przez podanie szybko´sci tego procesu - vr:

vr = φr Cp (1.11) gdzie: vr- szybko´s´c resuspensji [1/s],

φr- strumie´n aktywno´sci cz ˛astek ulegaj ˛acych resuspensji [Bqm−2s−1],

Cp - depozycja powierzchniowa - aktywno´s´c Pu przypadaj ˛aca na 1 m2 powierzchni [Bqm−2],

lub łatwiejszego do wyznaczenia współczynnika resuspensji - K [60]:

K = C Cp (1.12) gdzie: K - współczynnik resuspesji [1/m] C - koncentracja Pu w powietrzu [Bqm−3]

Cp - depozycja powierzchniowa - aktywno´s´c Pu przypadaj ˛aca na 1 m2 powierzchni [Bqm−2].

Dalszy los aerozoli Pu, które trafiły nie tylko w wyniku resuspensji, ale tak˙ze innych (wy˙zej wymienionych) procesów do atmosfery zale˙zy głównie od ich wielko´sci. Zarówno eks-perymenty prowadzone w warunkach laboratoryjnych jak i badania wykonywane w sytuacjach powypadkowych w o´srodkach produkcji i przerobu paliwa j ˛adrowego, pokazały ˙ze rozmiar cz ˛ a-stek Pu jest ´sci´sle zwi ˛azany z warunkami, w których te aerozole powstaj ˛a i tak np.: zaobserwo-wano, ˙ze ´srednice aerozoli rosn ˛a wraz ze wzrostem temperatury oraz ˙ze najmniejsze aerozole o ´srednicy poni˙zej 0,1 µm ł ˛acz ˛a si˛e ze sob ˛a tworz ˛ac ła´ncuchy cz ˛astek. Wyniki do´swiadcze´n zostały przedstawione na rys.1.16.

Rysunek 1.16: Rozkład aerodynamicznych ´srednic aerozoli Pu w funkcji procentowej koncentracji cz ˛astek [6]. Znaczenie krzywych A,B ,C ,D , E opisane w tek´scie.

Poszczególne krzywe z diagramu 1.16 odnosz ˛a si˛e do nast˛epuj ˛acych warunków lub sytuacji:

• krzywa A, B, C - utlenianie Pu w powietrzu odpowiednio w temp. 20◦_{C, 123}◦_{C, 450}◦_C,

• krzywa D - rozkład ´srednicy cz ˛astek w ´srodowisku jakim były opary, powstałych w wy-niku eksplozji drutu Pu, przez który przepływał pr ˛ad elektryczny,

• krzywa E - rozkład cz ˛astek Pu, opracowany na podstawie danych z dozymetrów osobi-stych pracowników Rocky Flats (fabryki produkcji Pu) po po˙zarze. AMAD (Activity M edian Aerodynamic Diameter - ´srednica cz ˛astek odpowiadaj ˛aca medianie rozkładu aktywno´sci cz ˛astek) powstałych tam cz ˛astek Pu wynosił 0,3 µm.

Najwi˛ecej bada´n nad radioaktywnymi aerozolami Pu przeprowadzono w fabrykach produkcji lub przerobu paliwa j ˛adrowego. Pomimo wysokiego re˙zimu pracy w takich miej-scach, od czasu do czasu dochodzi tam do niekontrolowanych uwolnie´n Pu, który w postaci aerozoli ulega rozproszeniu i tak: w Los Alamos (w fabryce produkcji Pu) ´srednice badanych cz ˛astek Pu w powietrzu zawierały si˛e w przedziale (0,15 µm, 0,65µm) [6] natomiast w Harwell w przedziale (0,2 µm,90 µm) (dane z dozymetrów osobistych pracowników)[64]. Dla porów-nania zakres zmienno´sci ´srednic cz ˛astek238_{Pu identyfikowanych z katastrof ˛a satelity SNAP 9A}

Innym wa˙znym wnioskiem wynikaj ˛acym z powy˙zszych bada´n były ró˙znice w wielko-´sci znajdywanych cz ˛astek Pu w zale˙zno´sci od przeznaczenia danej fabryki. Na podstawie da-nych zebrada-nych podczas bada´n filtrów z duktów wentylacyjda-nych oszacowano, ˙ze wi˛ecej mniej-szych cz ˛astek (´srednica poni˙zej 1 µm) powstaje w fabrykach przerobu paliwa j ˛adrowego (na przykładzie USAEC w USA). Oceniono wówczas, ˙ze ich aktywno´s´c stanowi 70 % aktywno´sci wszystkich cz ˛astek Pu, jakie ulegaj ˛a rozproszeniu w takich miejscach, podczas gdy w fabry-kach produkcji Pu 50 % aktywno´sci pochodzi od cz ˛astek o ´srednicach z przedziału (1 µm, 5 µm)[6].

W kontek´scie ochrony radiologicznej niebanalnym wydaje si˛e by´c zagadnienie zrozu-mienia procesów usuwania aerozoli Pu z atmosfery zarówno tych, które powstaj ˛a w stratosferze podczas testów broni j ˛adrowej, w wyniku kondensacji pary materiału rozszczepionego, czy te˙z w wyniku iniekcji Pu z górnych partii atmosfery (SNAP9A), jak i aerozoli, które powstaj ˛a w fabrykach produkcji Pu, przerobu paliwa j ˛adrowego, etc. i dostaj ˛a si˛e do troposfery poprzez dyspersj˛e lub resuspensj˛e. Eliminacja tych cz ˛astek z atmosfery niczym nie odbiega od proce-sów charakterystycznych dla pozostałych aerozoli i odbywa si˛e głównie poprzez such ˛a i mokr ˛a depozycj˛e (rodz. 1.4.1).

Szybko´s´c procesu suchej depozycji to z definicji iloraz drogi depozycji (zwykle wy-soko´sci, z której nast˛epuje depozycja) do czasu, w którym ta depozycja przebiegała. Bior ˛ac jednak pod uwag˛e, wielko´sci fizyczne, które jeste´smy w stanie wyznaczy´c w drodze pomiarów, zale˙zno´s´c ta sprowadza si˛e do równania [64]:

vd=

φd

C (1.13)

gdzie:

vd- szybko´s´c suchej depozycji [m/s]

φd- strumie´n aktywno´sci cz ˛astek podlegaj ˛acych depozycji [Bqm−2s−1]

C- koncentracja Pu w powietrzu na referencyjnej wysoko´sci (poziomie odniesienia) [Bqm−3]. Koncentracj˛e radionuklidów w powietrzu mo˙zna okre´sli´c w wyniku modelowania lub pomiarów, za´s całkowity strumie´n depozycji (strumie´n aktywno´sci cz ˛astek deponowanych) ob-liczamy posługuj ˛ac si˛e zale˙zno´sci ˛a:

φd = −D

dC

dx + vsC (1.14)

gdzie:

D - współczynnik dyfuzji - zale˙zny od ´sredniej szybko´sci cz ˛asteczek oraz od ich ´sredniej drogi swobodnej [10−4m2_/s], dC dx - gradient koncentracji [Bqm −4_], vs- szybko´s´c sedymentacji [m/s], C - koncentracja Pu w powietrzu [Bqm−3].

Szybko´s´c sedymentacji mo˙zna w przybli˙zeniu uto˙zsami´c z szybko´sci ˛a opadania cz ˛ a-stek kulistych: w polu grawitacyjnym, w o´srodku o g˛esto´sci ρ, która zgodnie z prawem Stokes’a (rów.1.9) prowadzi do nast˛epuj ˛acej zale˙zno´sci:

vs= sd2 ρp− ρ ρ (1.15) gdzie: s = g 10ν (1.16)

s - współczynnik oporu Stokesa, ν - lepko´s´c kinematyczna powietrza, ρ - g˛esto´s´c fazy rozpraszaj ˛acej,

g - warto´s´c przyspieszenia ziemskiego, d - ´srednica cz ˛astki,

ρp - g˛esto´s´c fazy rozproszonej.

Pierwszy czynnik równania 1.14 odnosi si˛e do procesu dyfuzji turbulentnej (zale˙znej od ruchów Browna cz ˛astek). Ujemny znak oznacza, ˙ze wraz ze zmian ˛a poło˙zenia, koncentracja aerozoli w atmosferze maleje (zmiany koncentracji s ˛a ujemne). Drugi czynnik okre´sla wkład sedymentacji do procesu suchej depozycji - jest on ´sci´sle zale˙zny od wielko´sci cz ˛astek i istotny tylko w przypadku aerozoli gruboziarnistych (d > 2 µm - dla aerozoli klasy akumulacyjnej

lub Aitkena zwykle pomijany)[60]. Zale˙zno´s´c szybko´sci depozycji od rozmiaru cz ˛astek (rodzaj powierzchni depozycji - trawa) została przedstawiona na rys.1.17.

Punkty - dane eksperymentalne (badanie przeprowadzone w ´srodowisku), linia przerywana - dane eksperymentalne (badanie przeprowadzone w laboratorium), linia ci ˛agła - teoretyczna zale˙zno´s´c szybko´sci

sedymentacji od ´srednicy cz ˛astek [60].

Z przeprowadzonych bada´n, zarówno w warunkach laboratoryjnych (linia przerywana) jak i w ´srodowisku (punkty), zostały wyci ˛agni˛ete nast˛epuj ˛ace wnioski:

• szybko´s´c depozycji cz ˛astek du˙zych (d > 10 µm) jest ´sci´sle zale˙zna od szybko´sci wiatru, • minimum szybko´sci depozycji przypada na zakres ´srednic cz ˛astek 0,1 - 1 µm,

• upraszczanie algorytmów liczenia szybko´sci (zmniejszanie liczby współczynników) wpływa na otrzyman ˛a warto´s´c - zmieniaj ˛ac j ˛a nawet o 2 rz˛edy wielko´sci.

Depozycja mokra podlega prawu eksponencjalnemu (rów.1.10) i charakteryzuje si˛e j ˛a przez podanie współczynnika wymywania Γ (parametryzacja prosta), który jest okre´slany poprzez zale˙zno´s´c koncentracji radionuklidów w deszczu i powietrzu :[60]:

Γ = Crain

C (1.17)

gdzie:

Crain- koncentracja Pu w deszczu [Bqm−3],

C - koncentracja Pu w powietrzu [Bqm−3].

Koncentracja Pu w powietrzu, której okre´slenie jest tak wa˙zne dla obu procesów de-pozycji, jest wynikiem:

• dyspersji,

• dyfuzji pionowej,

• przemian chemicznych jakim podlega Pu w danym o´srodku, • własno´sci ´zródła emisji,

• efektywno´sci depozycji mokrej i suchej.

1.5

Charakterystyka wybranych spektrometrycznych metod

pomiarowych Pu i Am

Odkrycie Pu pod koniec I poł. XX w. jak i pojawienie si˛e tego pierwiastka w ´srodowisku w skali globalnej, zdeterminowało udoskonalenie technik analitycznych i spektrometrycznych zwi ˛ aza-nych z pomiarem jego aktywno´sci. Uwzgl˛edniaj ˛ac fizyczne wła´sciwo´sci izotopów Pu najcz˛e-´sciej do okre´slania ich koncentracji wykorzystywane s ˛a: spektrometria promieniowania α [53]), a tak˙ze uzupełniaj ˛aca j ˛a spektrometria masowa. Obydwie metody pomiarowe zostały u˙zyte pod-czas bada´n wykonanych w zakresie niniejszej pracy (bada´n prób ´srodowiskowych - niskoak-tywnych). W badaniach ´srodowiskowych, ˙zadna z wy˙zej wymienionych metod nie wyklucza drugiej, nale˙zy je traktowa´c jako komplementarne, które w poł ˛aczeniu dostarczaj ˛a interesuj ˛acy zbiór danych.