Дистанционное обнаружение следов искусственной ионизации в атмосфере тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

/

I / и

/

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУ'

(решение от "

(

{ присуди ученую степош^

И Т-.Т

начальник управления В/.

БОЯРЧУК Кирилл Александрович

Щ/ъ

ДИСТАНЦИОННОЕ ОБНАРУЖЕНИЕ СЛЕДОВ ИСКУССТВЕННОЙ

ИОНИЗАЦИИ В АТМОСФЕРЕ

(01.04.03 — радиофизика)

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Тэси?-^

МОСКВА 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Глава 1. Введение. 6

1. Цель работы 14

1.1. Научная новизна 15

1.2. Практическая ценность работы 16

1.3. Основные положения выносимые на защиту 16

1.4. Апробация результатов 17

Глава 2. Кинетика ионизации атмосферы радиоактивным 19

излучением. Исследование компонентного состава воздушной смеси атмосферного давления, находящейся под воздействием жесткого ионизатора.

2.1. Воздействие ионизирующего излучения на атмосферу. 19

2.1.1. Источники ионизирования атмосферы. 21

2.1.2. Основные первичные процессы ионизации атмосферного 23 воздуха.

2.1.3. Модели ионизированной атмосферы. Постановка задачи. 29

2.2. Особенности ионизации атмосферного воздуха при 32 радиоактивном загрязнении — учет трековой структуры.

2.2.1. Модель трека высокоэнергетичной заряженной частицы в 36 нижней атмосфере Земли.

2.2.2. Численное моделирование ион-молекулярных процессов в 38 треке.

2.2.3. Критерий применимости модели. 43 2.3. Малая степень ионизации — модель формирования 51 стабильных отрицательных ионов в нижних слоях атмосферы Земли

2.3.1. Анализ наиболее вероятных ион-молекулярных реакций 52 нижней тропосферы.

2.3.2. Анализ процесса формирования основных положительных 58 ионов нижней атмосферы.

2.3.3. Численное решение кинетических уравнений. 63

2.3.4. Влияние космического излучения на концентрацию ионов 69 окислов азота в атмосфере

2.4. Высокая степень ионизации — объемная ионизация. 75

2.4.1. Нестационарная кинетическая модель влажной 7 5 атмосферы, находящейся под воздействием жесткого интенсивного ионизатора.

2.4.2. Численное моделирование. 85

2.5. Особенности гидратации элементарных ионов, 109 формирование ионных комплексов и кластеров. Их влияние на кинетические процессы

2.6. Выводы. 113

Глава 3. Радиолокационные методы мониторинга. 114

3.1. Первые радиолокационные наблюдения облаков 114 радиоактивных выбросов.

3.2. Экспериментальные наблюдения радиолокационного 119 отражения от ионизированных жестким излучением областей атмосферы

3.3. Особенности рассеяния электромагнитных волн при 121 неоднородной ионизации воздуха радиоактивным излучением.

3.3.1. Обратное рассеяние СВЧ-излучения ионизированным 129 воздухом с учетом корреляции элементарных рассеивателей в треках.

3.3.2. Оценка возможности радиолокационного обнаружения 135 ионизированных областей воздуха.

3.4. СВЧ-управляемое Мандельштам-Бриллзоэновское рассеяние 142 света в ионизированной атмосфере.

3.5. Выводы 153

Глава 4. Атмосферное электрическое поле как индикатор 155

загрязнений.

4.1. Основные тропосферные процессы, приводящие к 156

изменчивости атмосферного электрического поля.

4.1.1. Пылевая и песчаная бури. 157

4.1.2. Вулканическая деятельность. 157

4.1.3. Радиоактивное загрязнение. 158

4.1.4. Процессы, происходящие в районе разломов земной коры. 159

4.2. Теоретическая модель формирования аномального 160 электрического поля у поверхности Земли.

4.3. Теоретическая модель формирования аномального 170 электрического поля в облаке радиоактивного выброса.

4.4. Атмосферное электрическое поле как источник 185 изменчивости ионосферы.

4.4.1. Механизмы проникновение электрического поля в 186 ионосферу.

4.4.2. Численное моделирование и экспериментальные 191 наблюдения.

4.4. Выводы. 204

Глава 5. Заключение. 206

Список литературы.

Список литературы по теме диссертации.

211 227

Глава 1. Ведение

В современных условиях растущего энергопотребления общества в России, по-видимому, трудно найти альтернативу ядерной энергетике. Ядерная энергетика должна стать главным энергоисточником двадцать первого века, не став таковым по ряду причин в конце двадцатого и, прежде всего, из-за наличия достаточного количества нефти и природного газа на мировом рынке по умеренным ценам, аварий на атомных станциях, вызвавших недоверие к ним общества, отсутствие убедительных концепций по ядерной и радиационной безопасности [1]. Современная ядерная энергетика оставляет после себя радиоактивное наследство. Однако ядерная энергетика не потребляет кислород из атмосферы и не усиливает парниковый эффект. Сжигание углеводородного топлива в паровых котлах, автомобилях, самолетах влияет на увеличение содержания парниковых газов в атмосфере и, прежде всего углекислого газа. Удержание в пределах безопасного для людей и природы уровня выбросов в воздушный бассейн пыли, БОг, Ж)х, не сгоревших углеводородов сильно повышает стоимость

энергетических установок на углеводородном топливе. Удержание углекислого газа из-за его масштабности не реально.

Увеличение стоимости углеводородных энергоисточников, их добычи, затрат на защиту окружающей среды могут в экологическом плане сделать ядерную энергетику более выгодной, чем углеводородная. Уже в настоящее время есть районы в мире, где экономически выгоднее использовать атомную энергетику. С ростом же удельной доли атомных электростанций в общем производстве электроэнергии все более актуальной становится разработка новых эффективных методов обнаружения и контроля радиоактивного загрязнения окружающей среды.

Основная концепция дистанционного зондирования Земли из космоса была заложена в 70-е - 80-е годы, когда были запущены первые спутники типа Ъапё8а1 и Алмаз, и была создана соответствующая аппаратура, работающая в микроволновом диапазоне спектра, как в активном, так и в пассивном режимах, а также в оптическом диапазоне спектра — от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного [2,3]. Экономически целесообразно основывать методы дистанционного

определения радиоактивных загрязнений на уже хорошо развитых методиках и существующем специальном оборудовании.

Атомные электростанции при нормальной работе практически не выбрасывают в атмосферу продуктов, ведущих к существенным радиоактивным загрязнениям. Возможен выход в атмосферу инертных газов (Аг41, Хеш, Кг85), с незначительной примесью изотопов водорода (Н3) и йода (I131), а также Хе135, С14, I129. При нормальной работе выбросы реакторов могут достигать (2-4)-105 Ки/год [4]. Однако серьезной проблемой являются аварии на ядерных реакторах, а также аварии различного характера на других атомных предприятиях. Среди них следует выделить тепловой взрыв емкости-хранилища высокоактивных отходов предприятия «Маяк» на Южном Урале вблизи города Кыпггым в конце сентября 1957 г., аварии в Уиндскейле (Великобритания) в октябре 1957 г. [131], на атомной электростанции в Три-Майл-Айленде (США) в 1979 г. и крупнейшую аварию на Чернобыльской атомной станции в 1986 г. [4].

Существующие методы дистанционного зондирования следов радиоактивной ионизации естественно разделить на прямые и косвенные. Первые основаны на регистрации интенсивности и спектра

ионизирующего излучения объекта, вторые регистрируют изменение окружающей среды под действием этого излучения.

Прямые методы мониторинга получили наибольшее распространение, и в настоящее время контроль над радиационной обстановкой основан на методах детектирования ионизирующих излучений. .В первую очередь, это чисто электронные детекторы (полупроводниковые, сцинтилляционные счетчики, пропорциональные и дрейфовые камеры), и трековые приборы (искровые, стримерные и пузырьковые камеры, ядерные фотоэмульсии, диэлектрические детекторы), обладающие высокой эффективностью регистрацией излучений высоких энергий с хорошим энергетическим и пространственным разрешением, но низкоуправляемые и медленнодействующие. Также используют современные импульсные ионизационные детекторы с конденсированными диэлектриками в качестве рабочей среды, обладающими большим быстродействием [6,7]. Однако для реальных дистанционных методов (позволяющих обеспечивать мониторинг с космического аппарата) их пространственная разрешающая способность и чувствительность недостаточны, реально они позволяют производить измерения с расстояний не более сотен

метров. К тому же некоторые типы ионизирующих излучений (а, (3) обладают весьма слабой проникающей способностью и не могут быть зарегистрированы дистанционно. Так, например, при Чернобыльской аварии измерение с самолетов и вертолетов велось в основном у-спектрометрической аппаратурой (с помощью полупроводниковых гамма-спектрометров), а уже в лабораториях для анализа проб, взятых на местности, использовался полный комплекс современных спектрометрических и радиохимических методов, которые позволяют с высокой точность измерить интенсивности у-, а- и Р~ излучателей [4]. Поэтому назвать прямые методы измерения радиоактивных загрязнений дистанционными можно только с большой натяжкой.

Выход состоит в использовании косвенных методов, позволяющих оценить уровень радиоактивного загрязнения по отклику окружающей среды на ионизирующее излучение. Такой подход позволяет использовать традиционные методы дистанционного мониторинга окружающей среды: приземных слоев атмосферы, поверхности океана и Земли. В последнее время появились отдельные работы, указывающие на возможность подобного подхода в методах дистанционного зондирования радиоактивных загрязнений [11, 17, 20, 23].

Основное воздействие, которое оказывают продукты радиоактивного деления на окружающую среду — это ее ионизация и, как следствие, проявление различных биологических и физических эффектов. Так, например, интенсивность ионообразования в атмосфере прямо связана с уровнем ее радиоактивного загрязнения. Например, в период массовых испытаний ядерного оружия в атмосфере к 1963 г. , по сравнению с 1959 г., электропроводимость последней увеличилась за счет ионообразования на 90%, что привело к уменьшению градиента потенциала электрического поля на 36% [20]. Так же среднегодовая концентрация в приземной атмосфере 137Сз и 90Бг над территорией России, коррелирующаяся с интенсивностью ядерных взрывов, резко возросла с 1945 по 1960 г. После прекращения в 1962 ядерных испытаний в атмосфере уровень загрязнения атмосферы резко снизился,

А 1 *7

почти в 10 раз, от 10" до (2-5)-10" Ки/м [38]. Но в то же время широкое развитие атомной энергетики постепенно продолжает загрязнять атмосферу неизбежно образующимися продуктами выбросов АЭС и заводов по переработке ядерного топлива [5, 8, 9], например, радон и криптон-85. Так за период с 1954 по 1958 гг. концентрация в

ОС

атмосфере Кг возросла в 3,6 раза, а в целом за период 1954 до 1971 г.

12 11 3

объемная активность криптона увеличилась от 10"" до 1,5-10"11 Ки/м° [38]. Таким образом, если темпы загрязнения не понизятся, то могут произойти, например, глобальные изменения проводимости воздуха с непредсказуемыми для среды обитания человека последствиями.

Наиболее естественно для зондирования ионизированных областей атмосферы использовать методы радиолокации, и такие попытки были осуществлены при исследовании атмосферы над трубами атомных электростанций [10-14], а также над вентиляционными трубами электростанций, работающих на газовом и угольном топливе [11]. Все эти радиолокационные измерения, однако, не были достаточно последовательными и детальными. Сделать поэтому достоверный вывод об эффективности их применения не представлялось возможным.

При ионизации атмосферы жестким излучением в воздухе создается некоторая концентрация быстрых электронов, величина которой пропорциональна числу распадов нуклида в секунду и длине свободного пробега высокоэнергетичных электронов. Естественно, что возможное рассеяние световой волны на этих электронах может обеспечить сигнал на длине волны, отличной от зондирующей, за счет эффекта вынужденного комптоновского рассеяния лазерного света,

состоящего из "легких" фотонов, на пучке релятивистских электронов [133]. Еще такой процесс называют "обратным" комптон-эффектом, в отличие от обычного эффекта Комптона, соответсвующего столкновению "жестких" фотонов с электронами малой энергии [22]. Амплитуда его будет пропорциональна степени ионизации, т.е. уровню радиоактивного загрязнения атмосферы [15].

Воздействие ионизирующего излучения на атмосферу может приводить также к длительному послесвечению последней в оптическом и СВЧ диапазонах, например, за счет релаксации возбужденных молекул воды и кислорода [16, 17].

Общая ионизация атмосферы приводит также к изменению электрических характеристик воздуха. Поэтому представляется интересной задача обнаружения и идентификации источника какого-либо загрязнения воздуха по искажению электрических характеристик последнего - увеличению электропроводимости воздуха и, как следствие, уменьшению градиента электрического потенциала [18-21].

Особое место в явлениях реакции окружающей среды на радиоактивное загрязнение занимают биологические маркеры [23-27]. Биоиндикация - традиционное направление экологических

исследований, которое применительно к животному миру ставит своей задачей изучение факторов адаптации живых организмов ко внешнему загрязнению [23]. В некоторых случаях резкую реакцию живых организмов на радиоактивное загрязнение можно зарегистрировать обычными методами дистанционного зондирования, например, оптическими, по изменениям длины волны флуоресценции фитопланктона в районах загрязнения океана [24] или изменений цветности растительного покрова над участками захоронения радиоактивных отходов [25, 26] и в районе поверхностного загрязнения [27]. К недостаткам биоиндикации можно отнести замедленную реакцию живых организмов на ионизирующее излучение.

Перечисленные выше вопросы и примеры рассматривались в современной научной литературе весьма фрагментарно. И исследование косвенных методов дистанционного зондирования остается актуальной задачей.

1.1. Цель работы составили

Проведение фундаментальных исследований возможности обнаружения и идентификации радиационных облаков выбросов

АЭС за счет использования традиционных радиолокационных и лазерных средств зондирования.

Разработка и исследование новых методов дистанционного зондирования радиоактивных загрязнений в атмосфере и на поверхности Земли, основанных на реакции окружающей среды на ионизирующее излучение. 1.2. Научная новизна состоит в том, что

Подробно исследованы наиболее перспективные неконтактные методы дистанционного контроля над распространением радиоактивных загрязнений: радиолокационный метод и метод зондирования ионосферы из космоса.

Разработана модель ионизированной атмосферы, учитывающая трековую структуру ионизации, позволяющая рассчитывать реакцию атмосферы на радиоактивное загрязнение.

Предложены методы дистанционного зондирования, основанные на комплексном использовании источников СВЧ, создана теоретическая модель рассеяния микроволнового излучения ионизированной а-источником атмосфере.

Развита модель процессов формирования аномального электрического поля в нижних слоях тропосферы и у поверхности Земли в результате искусственной ионизации.

Сформулирована модель связи изменчивости характеристик ионосферы с радиоактивным загрязнением на поверхности и в нижних

слоях атмосферы Земли.

Предложен новый метод мониторинга радиоактивных загрязнений из космоса, основанный на радиозондировании ионосферы со спутника, позволяющий дистанционно определять уровень и направление распространения радиоактивных загрязнений при авариях.

1.3. Практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты могут быть использованы

для создания районированных и глобальных систем контроля над распространением и предупреждением радиоактивных загрязнений в техногенно-опасных районах,

для анализа ионизированных областей атмосферы с целью использования результатов в космофизических и геофизических исследованиях.

при определения влияния процессов природного и антропогенного характера на состояние ионосферы.

1.4. Основные положения, выносимые на защиту:

Модель ионизированной атмосферы, учитывающей трековый характер ионизации, для расчета влияния уровня радиоактивного загрязнения на рассеяние СВЧ излучения и электрические

характеристики атмосферы.

Радиолокационный метод обнаружения и идентификации радиоактивных выбросов АЭС и других ядерных предприятий в атмосферу.

Модель облака радиоактивного выброса, при аварии на ядерном предприятии, учитывающая двухмасштабную структуру аэрозоля, и позволяющая оценивать локальные изменения напряженности электрического поля.

Метод спутникового мониторинга радиоактивных загрязнений у поверхности Земли, основанный на реакции состояния ионосферы на процессы, происходящие в тропосфере.

1.4. Апробация результато