Влияние дыма на распространение радиоактивных загрязнений

 

В ходе крупномасштабного ядерного конфликта в атмосферу на большие высоты может быть выброшено значительное количество дыма и сажи. Соответствующее уменьшение интенсивности солнечного излучения может привести к изменению-режима циркуляции тропосферы и стратосферы. Присутствие облаков дыма и сажи над сушей в Северном полушарии, возможно, приведет к снижению уровня осадков и уменьшению высоты тропопаузы. При этом количество радиоактивных осадков, выпавших в промежуточном временном масштабе (т. е. тропосферных) может уменьшиться. Кроме того, в зависимости от величины изменений в циркуляции стратосферы в Северном полушарии может измениться и скорость удаления радиоактивных веществ из стратосферы. Однако еще: до того, как радиоактивные вещества попадут из стратосферы в тропосферу, значительная их доля за счет усилившегося переноса воздуха попадет в Южное полушарие, где, вероятно, дозы облучения увеличатся по сравнению с рассчитанными для невозмущенной атмосферы.
В расчетах глобального выпадения радиоактивных осадков по моделям GLODEP2 и Турко и др. (Turco et ai, 1983а) предполагалось, что режим циркуляции атмосферы не изменится. С помощью трехмерной модели GRANTOUR (MacCracken, Walton, 1984) было проведено предварительное исследование распространения радионуклидов в возмущенной атмосфере. Перенос загрязнений в атмосфере рассчитывается в модели GRANTOUR по метеорологическим полям, получаемым из расчетов по модели общей циркуляции атмосферы Орегонского университета (Schlesinger, Gates, 1980). Распределение примеси (частиц дыма, пыли и т. п.) задается в качестве начального условия или вычисляется по заданным источникам. Учитываются следующие процессы, влияющие на распределение примеси: адвективный перенос ветром, локальная диффузия по горизонтали и вертикали, перенос по вертикали за счет конвекции и вместе с водой в цикле конденсация — испарение, удаление из атмосферы вместе с осадками и за счет оседания. Распределение радиоактивных веществ, выраженное в кюри на 1 кг воздуха, изменяется в зависимости от времени при переносе лагранжевыми частицами (трассерами) в соответствии с заданными полями направления и скорости ветра. Предполагается, что радиоактивные частицы можно разделить на две группы: с размерами больше и меньше 1 мкм. Такое разделение объясняется тем, что крупные частицы более эффективно захватываются каплями воды и кристаллами льда и поэтому быстрее выводятся из атмосферы.
Таким образом, доза облучения на поверхности будет зависеть от распределения радиоактивных веществ по размерам. В обсуждаемом варианте модели не рассматриваются процессы коагуляции, приводящие к образованию более крупных частиц. Метеополя заданы на фиксированной пространственной сетке, поэтому величины, необходимые для расчета движения трассеров, были получены интерполяцией. В свою очередь, когда на фиксированной сетке необходимо было получить значения отношения смеси, они вычислялись как взвешенное среднее по значениям, приписанным трассерам. Радиоактивные вещества выпадают на поверхность, соответствующая информация записывается в файл истории процесса и может быть использована для дальнейшей обработки-. Снижение уровня радиоактивности изотопов при их распаде рассчитывается в программах обработки результатов, а не в самой модели GRANTOUR. Зная, когда произошел выброс, и время, прошедшее до попадания радиоактивной частицы в заданную ячейку сетки, можно рассчитать дозу облучения для любого интервала времени.
Основная задача исследования состояла в сравнении доз облучения при распространении загрязнений в невозмущенной атмосфере (без дыма) и в задымленной атмосфере с учетом влияния дыма на энергетические и динамические процессы. Исследовались и другие параметры, включая распределение частиц по размерам, расположение источников, различные метеорологические условия в начальный момент времени и осреднение доз облучения только по территории суши. Все описанные ниже расчеты по модели GRANTOUR относятся к летнему сезону в Северном полушарии. Предполагалось, что имеется пять одинаковых по мощности источников дыма и радиоактивных веществ, расположенных следующим образом: два в США, два в СССР и один в Западной Европе. Такое распределение аналогично принятому ранее при обсуждении локальных осадков. В начальный момент источники характеризуются гауссовым распределением интенсивности, спадающей в 10 раз при смещении от центра источника вдоль дуги большого круга на 15°. Суммарный выброс дыма составлял 150 Тг (как и в работах Turco et ai, 1983а и NRC, 1985, где рассматривались городские пожары). Вызванные выбросами дыма климатические сдвиги описаны Мак-Кракеном и Уолтоном (MacCracken, Walton, 1984). По вертикали распределение радиоактивных веществ и дыма было одинаковым. В большинстве расчетов предполагалось, что радиоактивные нуклиды переносятся частицами двух размеров: больше и меньше 1 мкм. В начальный момент 43% радиоактивности приходилось на крупные частицы и 57% на мелкие. Эволюция системы в большинстве случаев рассчитывалась для 30 дней. Единственный расчет для 60 дней показал, что за 30 дней выпадает около 90% всех радиоактивных веществ. Сравниваются значения рассчитанной внешней дозы у-облучения, накопленной за 50 лет, в отсутствие мер по защите и без учета выветривания.
В модели GRANTOUR рассматривалась только тропосфера, которая делилась на 3 слоя, соответствующих давлениям 800—1000, 400—800 и 200—400 мбар. В нормальной атмосфере эти слои лежат на высотах 2,0; 7,1 и 11,8 км. В ходе расчетов для вычисления притоков радиоактивных веществ из стратосферы использовалась модель GLODEP 2. Вычисленные по модели GLODEP 2 дозы облучения суммировались с дозами, рассчитанными по GRANTOUR в предположении, что климатические условия изменились. Сетка в модели GRANTOUR имеет размеры 10°Х10° (по широте и долготе). Полученные на этой сетке результаты осреднялись по 9 широтным поясам по 20° каждый с тем, чтобы облегчить сравнение с расчетами по модели GLODEP 2. Кроме того, вычислялись дозы, осредненные только по площади суши.
 Результаты для невозмущенной атмосферы довольно хорошо согласуются (обычно в пределах 50%); это дает основание полагать, что модели GRANTOUR и GLODEP 2 могут быть совместно использованы при расчетах возмущенной атмосферы, хотя в них не учитывается усиление межполусферного обмена радионуклидами. Последнее может привести к небольшому занижению дозы, полученной Южным полушарием за несколько лет. нения радиоактивных веществ в атмосфере при наличии и в отсутствие дыма для нормального режима циркуляции, отвечающего июлю.  Видно, что при возмущенной атмосфере средняя доза в Северном полушарии снижается примерно на 15%. Очищение тропосферы происходит главным образом за счет осадков, поэтому результаты расчетов по модели GRANTOUR приближенно согласуются с утверждением, что при выбросе больших количеств дыма образование осадков подавляется. Изменение циркуляционного режима приводит к некоторому усилению переноса радиоизотопов в Южное полушарие. Поэтому в данном случае дозы в Южном полушарии выше, чем при невозмущенной атмосфере. Увеличение, однако, невелико, и дозы в Южном полушарии по-прежнему примерно в 20 раз меньше, чем в Северном. Это обусловлено тем, что усиление переноса изотопов компенсируется снижением их радиоактивности за время, в течение которого они находятся в воздухе.
Приведем предварительные заключения, которые можно сделать на основании других параметрических исследований. Средние по поверхности суши. Для всех расчетов по модели GRANTOUR, описанных выше, производилось повторное вычисление доз облучения с осреднением только по площади суши. Так как центры источников расположены на суше, следует ожидать, что соответствующие средние значения будут выше, чем рассчитанные по суммарной площади океанов и континентов. Осреднение только по континентальным территориям Северного полушария привело во всех случаях к увеличению (тропосферной) дозы на 30% по сравнению со средними по всему широтному поясу, включая и поверхность океанов. Суммарные дозы, найденные с учетом загрязнений в стратосфере, увеличились менее значительно — от 10 до 20%.
«Горячие пятна». 
Размер частиц. Был проведен расчет с другим распределением радиоактивных веществ по группам частиц. Предполагалось, что на «крупные» частицы приходится 70%) радиоактивности веществ, а на мелкие-—30% по сравнению с 43 и 57% в предыдущем варианте. Средняя доза в Северном полушарии возрастает примерно на 25%). Это происходит из-за более быстрого выпадения крупных частиц.
Размещение источников. При смещении источника примерно на 5° по дуге большого круга отмечаются зональные изменения дозы порядка 10—20%, однако средние по полушарию изменяются незначительно. Зональные изменения обусловлены главным образом сдвигом максимума начального распределения, хотя имеющие место в первый день локальные вариации метеоусловий, получаемых из модели общей циркуляции атмосферы, также играют роль.
Погодные условия в начальный момент времени. Если для средних июльских метеоусловий, найденных по модели Орегонского университета, расчеты начинаются с десятого дня (а не с первого), оценки доз облучения для среднеширотного пояса значительно изменяются (примерно на 30%), но среднее по Северному полушарию не меняется. Видимо, метеоусловия в начальный момент времени могут сильно повлиять на локальные характеристики заражения, но в среднем по полушарию эти изменения будут незначительны.
Поскольку в модели GRANTOUR рассчитывается только тропосфера, а для учета вклада стратосферы используется модель GLODEP 2, не отражающая потенциальные изменения циркуляционного режима стратосферы, необходимо провести дополнительные исследования при помощи более совершенной вычислительной модели.