Радиационное и тепловое поля

Реферат

Краткая теория радиационного поля и его изучение в радиометрии и ядерной геофизике

Краткая теория и общие сведения о радиоактивности

Различают естественную и наведенную (искусственно созданную) радиоактивность.

Естественная радиоактивность – это физико-химический процесс самопроизвольного распада неустойчивых ядер атомов, подчиняющийся определенному статистическому закону. Процесс сопровождается:

изменением строения, состава, энергией ядер;
испусканием квантов;
выделением радиогенного тепла;
ионизацией (превращением атомов и молекул в ионы) газов, жидкостей и твердых тел.

Радиоактивному распаду подвергается достаточно большое количество химических элементов, в основном с порядковым номером в таблице Менделеева большим 82. Известно более 230 радиоактивных изотопов (ядра атомов с различным числом нейтронов). Однако основной вклад в естественную радиоактивность вносят три радиоактивных элемента U, U (уран), Th (торий) и К (калий). Они находятся в горных породах и других природных объектах в виде изоморфных примесей и самостоятельных минералов. Их вклад следующий: К 60%, U 30%, Th 10%. Интенсивность естественного -излучения J у этих элементов наибольшая у К и наименьшая у Th. Излучение происходит у них при различных энергиях. Следует отметить, что -излучение имеет наибольшее значение при формировании естественной радиоактивности, поскольку -, -частицы при взаимодействии с веществом испытывают сильное кулоновское взаимодействие и обладают очень малой проникающей способностью. -частицы, например, задерживаются обычным листом бумаги, -частицы - тонкой свинцовой пленкой.

ЕК = 1,46 МэВ

ЕU = 1,76 МэВ

ЕTh = 2,42 МэВ

Закон радиоактивного распада выражается формулой:

, где

dN – число распадающихся ядер из общего количества N за время dt, - постоянная распада. связана с другой единицей Т1/2 – периодом полураспада соотношением:

Т1/2 = .

Закон радиоактивного распада описывает последовательное превращение одних элементов в другие и заканчивается образованием устойчивых нерадиоактивных изотопов. Основными являются ряды U и Th. Они включают до 15 – 18 изотопов. Конечный продукт – радиогенный свинец.

Родоначальники радиоактивных семейств (U, Th) относятся к долгоживущим элементом. У них Т1/2 > 108лет. В состав семейств урана входят радий (Ra) с Т1/2 = 1620 лет и радиоактивный газ радон (Rn) с Т1/2 = 3,82 суток.

При распаде радиоактивных элементов в радиоактивных рядах возникает состояние радиоактивного равновесия:

Калий (К) относится к одиночным радионуклидам, у которых радиоактивный распад ограничивается одним актом превращений.

Наведенная (искусственная) радиоактивность преимущественно связана с гамма- и нейтронным излучением.

-кванты – электронейтральные частицы, имеющие более высокую проникающую способность, нежели заряженные -, -частицы. Они представляют собой поток электромагнитного излучения очень высокой частоты (f > 1018 Гц). Проникающая способность -квантов в воздухе достигает нескольких сотен метров. В природных объектах, в том числе в горных породах, -излучение резко ослабляется вследствие процессов фотоэффекта, комптон-эффекта, образования электрон-позитронных пар. Перечисленные процессы происходят при различных энергиях.

Главное значение имеет комптон-эффект. В этом диапазоне энергий интенсивность рассеянного гамма-излучения (J) зависит от плотности среды. Чем больше плотность, тем меньше J.

Нейтронное излучение – возникает при ядерных реакциях. Нейтроны являются электронейтральными частицами и обладают, наибольшей проникающей способностью из всех видов излучений. Нейтроны возникают при взаимодействии -частиц с ядрами легких элементов (бериллий, бор и др.)

Нейтроны по энергетическому спектру (Е = 107–10-3 эВ) разделяются на группы: быстрые промежуточные медленные резонансные надтепловые тепловые холодные.

При взаимодействии нейтронов с природными объектами выделяются по времени два основных процесса:

замедление быстрых нейтронов (t < 10-2c);
диффузия тепловых нейтронов (t > 1 c).

Оба процесса сопровождаются ядерными реакциями n-n, n- и др. типов. Происходит испускание и вновь образованных нейтронов и -квантов (вторичное -излучение).

Характеристика радиационного поля Земли

Поле ионизирующих излучений (поле естественной радиоактивности) присуще Земле, как космическому объекту. Его проявление на поверхности Земли играет в экологии большую роль.

Суммарное радиационное поле Земли складывается из:

космического излучения;
радиоактивного распада элементов земной коры;
дегазации вследствие выхода на поверхность радиоактивных газов (радон Rn, торон Tn).

В результате на дневной поверхности формируется радиационный фон. В этом фоне доля космического излучения около 50% и составляет 3-6 мкР. С увеличением высоты космический радиационный фон возрастает в среднем на 1,5 мкР на каждый километр отметки рельефа местности. Остальная доля радиационного фона приходится на естественную радиоактивность горных пород. При этом радиоактивность этих пород неодинакова. Средними (нормальными) по радиоактивности считаются природные объекты, в которых кларковые содержание не превышает 2,5 (2,5 г/т). Повышенная радиоактивность обусловливается наличием урана с соответствующим образованием радиоактивных газов (радона и торона). Тысячная доля содержания урана в общей массе создает радиоактивность в 5 мкР/час. Радиоактивный фон повышается и в участках земной коры, содержащих кроме урана и тория калий, концентрация которого в земной коре превышает более чем в 2000 раз концентрацию тория и более чем в 10000 раз концентрацию урана.

Наиболее радиоактивными породами являются граниты, гнейсы, вулканические туфы, фосфориты. Содержание урана и тория здесь достигает до 100 кларков и более. Повышенная радиоактивность проявляется и в зонах тектонических нарушений, особенно в крупных разломах. Это связано с эманированием радона.

Радиоактивность непосредственно в недрах литосферы (в ее верхних слоях), а также на более глубоких горизонтах зависит от содержания в горных породах радиоактивных элементов. Радиационный фон в шахтах небольшой и преимущественно составляет 4-6 мкР/час. Это же относится к радиоактивности природных вод и газов. В большинстве случаев они не радиоактивны. Исключение составляют подземные воды радиоактивных месторождений, а также воды сульфатно-бариевого и хлористо-кальциевого составов.

Техногенное ионизирующее излучение поступает в окружающую среду от всевозможных искусственных источников. К ним относится новообразованные радионуклиды вследствие реализации промышленных технологий переработки радиоактивных веществ, складируемые отходы атомного производства, внезапные аварии на атомных объектах, прежде всего на атомных электростанциях (АЭС).

Аварии на АЭС – самый опасный источник техногенно-радиационного загрязнения, т.к. всегда присутствует сильно действующий фактор внезапности. К примеру, после аварии на Чернобыльской АЭС в апреле 1986 г., мощность дозы ионизирующего излучения в пределах 10 – километровой зоны превысила нормальный фон (24 мкР) в 2000 раз.

Воздействие радиационного поля на живые организмы

Радиоактивность (ионизирующее излучение) является как «раздражающим», так и «поражающим» фактором.

«Раздражающее действие» связано с малыми дозами облучения. К ним относится естественный радиационный фон. Его годовая эффективная эквивалентная доза, фиксируемая на поверхности планеты, варьирует от 2 до 20 мГр, т.е. 2000-20000 мкР. Грей (Гр)- единица дозы радиоактивного излучения в системе СИ. 1Гр = 1Р. В этом диапазоне существовало и развивалось все живое на планете. Естественный фон в разных частях поверхности Земли может различаться в 3-4 раза и более. Его наименьшие значения над поверхностностью моря, а наибольшие на больших высотах в горах, сложенных гранитоидными породами.

«Поражающее действие» связано с дозами облучения, превышающими нормальный фон. При этом облучении начинают действовать мутагенные факторы. Человек и другие млекопитающие весьма чувствительны к радиационному воздействию, а микроорганизмы достаточно устойчивы. Семенные растения и позвоночные занимают промежуточное положение. При мощности дозы более 4-16 мГр (4000 – 16000 мкР) происходит угнетение растительности. Она становится восприимчивой к поражению вредителями и болезнями.

В суммарном радиационном воздействии доля искусственных источников составляет 22%. Из них более 20% приходится на медицину.

Проектное задание раздела
Тесты рубежного контроля раздела
Литература к разделу

Тепловое поле Земли и его циклические изменения. Термодинамика океана

Тепловое поле, равно как и другие физические поля, связывают с материальной средой, в которой возникают и взаимодействуют тепловые потоки. Последние, воздействуя на материальные, в частности природные объекты, определяют их тепловой режим, обусловливая деформацию теплового поля.

Есть физический смысл характеризовать тепловое поле посредством параметров потенциала U и напряженности Е. Однако, в результате сложившихся многолетних представлений оперируют понятиями теплового потока, геотермической ступени и др.

К тепловым свойством природных объектов относятся теплопроводность (единица измерения Вт/м*К) и теплоемкость С (единица измереня Дж/кг*К) .

Земля, как природный объект, представляет собой тепловой космический модуль, характеризующийся тепловым полем. Это поле складывается из постоянного внутреннего поля Земли (основное поле) и переменного теплового поля, присущего земным оболочкам (литосфере, гидросфере и атмосфере).

Тепловое поле Земли формируется под действием следующих энергетических процессов:

Солнечная энергия (получаемая и переизлучаемая обратно);
Геотермическая потеря теплоты;
Энергия, теряющаяся при замедлении вращения Земли;
Упругая энергия, высвобождающаяся при землетрясениях.

Одним из главных источников современной тепловой энергии в земной коре является радиоактивный распад долгоживущих изотопов. Источником тепла является также процесс дифференциалами вещества мантии.

Основной характеристикой теплового поля Земли является поток теплоты через земную поверхность, т.е. тепловой поток Q (единица измерения Вт/м2). Параметр Q описывается уравнением теплопроводности:

, где

- коэффициент теплопроводности (Вт/м*К);

- вертикальный градиент изменения температуры (К/м).

Знак «-» указывает на убывание температуры.

Зональность земных недр по распределению теплового потока, изучена недостаточно в силу отсутствия инструментов проникновения вглубь геосфер.

По геотермическим и косвенным данным (термальные воды, излияния раскалённых лав) выделяют в земной толще три характерных термических зоны:

Приповерхностная (гелиометрическая). Толщина h = 0,03 км. Температура t зависит от солнечной радиации. Имеет место ярко выраженный суточный, сезонный, годовой и многовековой ход.
Нейтральная (слой постоянной температуры). Это тонкий слой постоянной среднегодовой температуры, который в зависимости от температурных поясов находится на глубинах от 10 до 30-50 м.
Геотермическая. Это вся нижележащая толща земной коры, мантия и земное ядро. Температура определяется тепловыми источниками Земли.

Исходя из представлений, что ядро состоит из железа, проведены расчеты температуры плавления с учетом давления. Согласно расчетам t на границе мантии и ядра должна быть 37000, а t внутреннего ядра – 50000. Температура внутри Земли интенсивно возрастает до глубины 200 км, после чего ее рост с глубиной замедляется.

Тепловое состояние Земли и закономерности его изменения определяются:

энергией космического и солнечного излучения;
внутренним теплом земных оболочек.

В связи с этим разделяют тепловые источники внешние (космические) и внутренние (планетарные).

Внешние источники: - солнечная радиация;

- излучение звезд;

- энергия метеоритов, падающих на Землю;

- гравитационное воздействие Луны и Солнца;

Внутренние источники:

- дифференциация вещества мантии;

- выделение радиационного тепла, вследствие

ядерных реакций;

- химические реакции;

- гидротермальные процессы.

Натурные измерения теплового потока на поверхности Земли выполнены не равномерно. Мало измерений получено в Южной Америке, Африке, Антарктиде. На основании имеющихся измерений построена карта распределения теплового потока на поверхности Земли. Сделан вывод, что закономерностей изменения теплового потока от континентов к океанам не обнаруживается, притом, что внутри континентальных и океанических областей существует тесная корреляционная зависимость Q и основных геологических структур. На континентах Q характеризуется минимумами на щитах, а максимумами в орогенных областях. В океанах, в противоположность к материкам Q min имеет место на крыльях хребтов и в глубоководных желобах.

Для решения ряда теоретических и практических проблем, связанных с механизмом преобразования солнечной энергии в географической оболочке Земли, определяется так называемый тепловой баланс Земли. Тепловой баланс (Т.Б.) обычно представляется в виде уравнений, учитывающих все источники поступления и расходования тепла. Первые имеют знак плюс, а вторые – минус.

Наиболее полно к настоящему времени исследован Т.Б. системы земля – атмосфера. Расчеты Т.Б. обычно производят в условных единицах. Например, если количество солнечной радиации, поступающей на верхнюю границу всей атмосферы принять за 100 усл. ед., то в результате получают, что из этих 100 усл. ед. Земля, как планета, рассеивает и отражает в мировое пространство 35 усл. ед., а остальные 65 усл. ед. поглощает.

Расчеты и наблюдения за температурой планеты Земля в целом, земной поверхности и атмосферы в отдельности, свидетельствуют о том, что температура в них не претерпевает каких-либо изменений от года к году, т.к. эти структуры находятся в тепловом равновесии.

Источники получения тепла:- поглощение солнечной радиации атмосферой и земной поверхностью.

Потеря тепла:- инфракрасное излучение земной поверхности в мировое пространство;

- инфракрасная радиация, излучаемая атмосферой в мировое пространство.

Уравнение Т.Б.: Приход = Расход.

При необходимости, составляющие Т.Б. выражают не в условных, а в энергетических единицах.

Если рассматривать Т.Б. отдельных широтных зон, то исследования показывают, что поток поглощаемой атмосферой и земной поверхностью солнечной радиации быстро уменьшается от экватора к полюсу. Это связано с уменьшением полуденной высоты Солнца от экватора к полюсам.

Наряду с солнечной радиацией некоторую роль в Т.Б. играет длинноволновая радиация атмосферы и земной поверхности. Она убывает от экватора к полюсам с меньшей интенсивность. Это приводит к тому, что в тропических широтах создается избыток тепла, а в полярных широтах его потеря. Вследствие этого следует предполагать об избыточном притоке тепла и его возрастании от года к году в приэкваториальных зонах и постепенном понижении тепла в умеренных и приполярных зонах. Но этого не происходит, поскольку атмосфера является своего рода тепловой машиной.

КПД (коэффициент полезного действия) «Атмосферы» прямо пропорционален разности температур между «нагревателем» (экватором) и «холодильником» (полюсами). По ориентировочным оценкам он (КПД атмосферы) равен 2%. Это значит, что эти 2% поглощаемых Землей солнечной радиации превращюется в кинетическую энергию ветра. Перенос тепла от экватора к полюсам осуществляют в основном циклоны и антициклоны, притом, что из количества избыточного тепла переносится 90%. Остальные 10% переносятся водой.

Морские течения – это своего рода водяное отопление планеты Земля. Теплые течения обогревают высокоширотные области, а холодные – охлаждают жаркие тропические области.

Таким образом, атмосферная циркуляция и морские течения стремятся выровнять температуру между экватором и полюсами, а солнечная радиация, наоборот, увеличить её (температуру). Оба процесса очень изменчивы, поэтому равновесие между ними пульсирующее. Изменение их длительности вызывает изменение климата планеты Земля.

Следует дополнительно отметить, что в атмосфере «работают» и «тепловые машины» второго рода, которые возникают (обусловливаются) контрастом температур между океанами и сушей. (В отличие от суши океаны обладают огромной теплоемкостью и их нагрев, и охлаждение более медленные). Тепловые машины второго рода работают по циклам зима–лето. Т.е. зимой океаны «нагреватели», а континенты «холодильники», летом наоборот. Движение воздуха, вызываемое тепловыми машинами 2-го рода, осуществляется в форме муссонов. Последние представляют собой преобладающие ветры, дующие у поверхности Земли зимой с материка на океан, а летом – с океана на материк. Тепловые машины 2-го рода по мере приближения к океану смягчают земную стужу и уменьшают летнюю жару, а по мере приближения к материкам климат становится более континентальным.

Общая характеристика температурного (теплового) поля Земли складывается из температурного режима её недр и поверхности вследствие превращения в тепловую энергию других видов энергии (солнечной, радиоактивного распада, вулканической деятельности, гравитационного сжатия, приливного трения и др.). Природа и мощность источников тепла, механизм его переноса через горные породы определяется тепловым потоком Q.

На больших глубинах передача тепла осуществляется за счет излучения нагретого вещества недр и конвекции. Ближе к поверхности наряду с конвекцией при переносе тепла влияет молекулярная теплопроводность.

Наряду с региональным тепловым потоком из недр существуют локальные тепловые потоки (циркуляция подземных вод, влияние многолетнемерзлых пород и др.). К локальным тепловым потокам следует отнести и тепловые потоки от температурных техногенных полей. К ним относятся источники теплового загрязнения (горячие цеха, подземные газоходы и теплотрассы, сбросы горячих технологических вод и др.). Концентрация техногенных тепловых источников, в частности под городами и поселками, приводит к формированию тепловых куполов.

В целом, техногенные температурные поля охватывают своим влиянием примерно 5-10 % всей территории суши. В соответствии с этим определенным образом «изменяют свой ритм» тепловые машины 2-го рода.

Литература

Михайлов В.Н.: Гидрология. - М.: Высшая школа, 2005

Петин А.Н.: Малые водные объекты и их экологическое состояние. - Белгород: Изд-во БелГУ, 2005

РАН, СПб научный центр, Центр междисциплинарных исследований по проблемам окружающей среды; Отв. ред. Г.В. Менжулин: Современные проблемы экологической метеорологии и климатологии. - СПб.: Наука, 2005

Цветкова Т.В.: Экологический мониторинг и прогноз катастроф. - Краснодар: КУбГУ, 2005

Эдельштейн К.К.: Гидрология материков. - М.: Академия, 2005

Эдельштейн К.К.: Структурная гидрология суши. - М.: ГЕОС, 2005

Захаровская Н.Н.: Метеорология и климатология. - М.: КолосС, 2004

Зуев В.В.: Лидарный контроль стратосферы. - Новосибирск: Наука, 2004

Кондратьев К.Я.: Моделирование глобального круговорота углеродов. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004

Немировская И.А.: Углеводороды в океане (снег-лед-вода-взвесь-донные осадки). - М.: Научный Мир, 2004

редкол.: Ю.Г. Леонов, М.А. Ахметьев, Ю.О. Гаврилов и др.; рец.: Б.С. Соколов, М.А. Федонкин: Климат в эпохи крупных биосферных перестроек. - М.: Наука, 2004

Радиационное и тепловое поля