Регистрация / Вход
Прислать материал

Создание технологии радиационного мониторинга с оптимальным набором синхронно контролируемых маркеров-индикаторов экстремальных климатических явлений

Номер контракта: 14.575.21.0105

Руководитель: Яковлева Валентина Станиславовна

Должность руководителя: Доцент каф. ПФ ФТФ ТПУ

Докладчик: Черепнев Максим Святославович, Аспирант каф. ПФ ФТИ ТПУ, инженер

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
поле ионизирующего излучения, природный радиоактивный газ и аэрозоль, радионуклид, активность, доза, поток, опасное природное явление, динамика, приземная атмосфера, литосфера, методология мониторинга, измерительный комплекс, база данных, закономерность, метод, индикатор, экстремальное климатическое явление, технология, радиационный мониторинг

Цель проекта:
Индикаторные свойства радионуклидов и ионизирующих излучений известны и активно используются достаточно давно для получения новых знаний о динамических процессах, происходящих в атмосфере и литосфере, совершенствования моделей переноса газов и аэрозолей, а также в целях прогноза опасных явлений природного и техногенного характера. Высока роль ионизирующей радиации и естественной радиоактивности, особенно радиоактивного газа радон, в радиоэкологии, сейсмологии, физике приземного слоя атмосферы, строительстве. В связи с этим научными коллективами и государственными структурами производят радиационный мониторинг приземной атмосферы и исследование динамики активности некоторых радионуклидов в приземной атмосфере и грунте. К сожалению, основным направлением контроля радиационной обстановки до сих пор являлась искусственная радиоактивность, вызванная испытаниями ядерного оружия, техногенными авариями и технологическими процессами. Поэтому, особое внимание уделялось только мониторингу гамма-фона. Контролем вариаций характеристик полей других видов ионизирующих излучений (α-, β-излучения) практически не занимались, что объяснялось их низкой проникающей способностью. Мониторингом почвенного радона и плотности потока радона с поверхности земли занимаются, в основном, с целью прогноза землетрясений, либо, эпизодически в радиоэкологических и геоэкологических изысканиях перед началом строительства. Комплексный подход к радиационному мониторингу был предложен нашим научным коллективом, и начиная с 2000 г. производятся синхронные измерения динамики характеристик полей α-, β- и γ-излучений в системе "грунт-приземная атмосфера" в вертикальном разрезе. Такой подход позволил получить ряд новых важных научных находок (зависимостей, закономерностей и т.п.), например, была выявлена иная, отличающаяся от традиционных представлений зависимость альфа-активности от высоты над земной поверхностью, т.е. с ростом высоты поток альфа-излучения возрастает, это же справедливо и для радона. Мы объясняем этот факт влиянием городской инфраструктуры. Таким образом, в случае городской атмосферы требуется усовершенствование моделей переноса радионуклидов. В отличие от α-излучения, потоки β- и γ-излучений почти экспоненциально снижаются с ростом высоты, однако наличие снежного покрова искажает эту зависимость, вплоть до обратной. Интенсивные осадки приводят к скачкообразному повышению атмосферного β- и γ-фона в несколько раз, что связано с влиянием атмосферного и почвенного радонового поля. Однако, такое повышение может быть расценено службами радиационного контроля как сигнал об опасном техногенном явлении. Также применение комплексного подхода к радиационному мониторингу позволило нам экспериментально доказать, что экстремальные климатические явления, такие, как прохождение циклонов, грозы, ливни приводят к аномальным изменениям в атмосферном радиационном фоне и динамике радона в поверхностном грунте. Причем, величина и длительность аномалий различны для разных радиационных характеристик, и зависят от многих факторов (вид излучения, характеристики среды и пр.), в т.ч. от глубины или высоты расположения детекторов излучений. По результатам многолетних исследований нами был предложен новый радиационный β/γ-индикатор опасных природных и техногенных явлений – отношение измеренных значений плотности потоков бета и гамма-излучений в приземной атмосфере. Согласно численным экспериментам отношение выходов бета и гамма-излучений (β/γ-индекс) в единице объема воздуха в единицу времени на определенной высоте от земной поверхности является постоянной величиной для данной точки контроля в условиях «хорошей погоды». Опираясь на результаты исследований нашего коллектива, проводимых на стыке ядерной и теоретической физики, гео- и гелеофизики, и учитывая опыт зарубежных научных групп по данной тематике предлагаемый проект "Создание технологии радиационного мониторинга с оптимальным набором синхронно контролируемых маркеров-индикаторов экстремальных климатических явлений" является актуальным, соответствует современным мировым научным тенденциям и указанным приоритетному в РФ направлению и критической технологии. Основная цель исследования – это обеспечение создания инновационной технологии радиационного мониторинга с оптимальным набором синхронно контролируемых маркеров-индикаторов экстремальных климатических явлений, которая предназначена для внедрения с целью усовершенствования в уже существующие и планируемые системы радиационного контроля окружающей среды, в т.ч. в единую государственную автоматизированную систему контроля радиационной обстановки (ЕГАСТРО).

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения исследования должны быть получены следующие научно-технические результаты:
а) анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов, относящихся к разрабатываемой теме;
б) обоснование выбора направления исследований;
в) патентные исследования;
г) теоретическое исследование способов создания технологии радиационного мониторинга с оптимальным набором синхронно контролируемых маркеров-индикаторов экстремальных климатических явлений;
д) методологический подход и результаты определения оптимального набора радиационных величин, которые при их синхронном мониторинге будут служить надежными и достоверными маркерами-индикаторами экстремальных климатических явлений;
е) апробация технологии радиационного мониторинга с оптимальным набором синхронно контролируемых маркеров-индикаторов экстремальных климатических явлений в асейсмичном регионе;
ж) технико-экономическая оценка результатов исследования;
з) обобщение и выводы по результатам исследования;
и) рекомендации по использованию результатов ПНИ в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках.
Созданный универсальный комплекс непрерывного автоматизированного контроля состояния и динамики полей α-, β-, γ-, нейтронных полей излучений в приземной атмосфере, работающий в широком диапазоне температур от - 45 до + 50°С, и относительной влажности – вплоть до 99%.
Простой, экономичный, надежный метод и основанный на этом методе прибор непрерывного автоматизированного контроля плотности потока радиоактивного газа радона из грунта в атмосферу, работающий в полевых условиях в широком диапазоне температур от - 45 до + 50°С, и относительной влажности – вплоть до 99%.
Технология радиационного мониторинга, включающая способы синхронного контроля определенного оптимального набора радиационных маркеров-индикаторов экстремальных климатических явлений и алгоритмы обработки полученных временных рядов данных о характеристиках естественной радиоактивности, полей ионизирующих излучений приземной атмосферы и поверхностного слоя грунта.
Новые данные о структуре и динамике полей ионизирующих излучений и естественной радиоактивности в приземной атмосфере и поверхностном слое грунта, закономерности в их поведении, а также взаимосвязи с метеорологическими процессами внутрисуточного, суточного и синоптического масштабов.
Библиотека данных, включающая базы данных о характеристиках полей ионизирующей радиации и активности радионуклидов в деятельном слое почвы и приземной атмосфере, атмосферно-электрических и метеорологических величинах, о повторяемости и интенсивности экстремальных событий, связанных с метеорологическими явлениями в асейсмичном регионе с резко-континентальным типом климата в условиях его современных изменений.
Методология и результаты тематической обработки архивных данных мониторинга метеорологических величин и полей ионизирующей радиации, предназначенные для формирования библиотеки данных о повторяемости и интенсивности экстремальных климатических явлений.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Конечной целью создаваемой научно-технической продукции является: создание технологии радиационного мониторинга с оптимальным набором синхронно контролируемых маркеров-индикаторов экстремальных климатических явлений, отработка научно-технических решений на экспериментальном образце комплекса обеспечивающим мониторинг состояния и динамики полей α-, β-, γ- и нейтронных полей излучений в приземной атмосфере, а также пространственно-временной динамики полей радона в системе «грунт-атмосфера».
Одним из основных применяемых подходов к анализу данных поступающих от датчиков системы в разрабатываемой технологии является применение трассеров различных измеряемых радиоактивных характеристик полей ионизирующих излучений.
Для решения фундаментальной проблемы, связанной с опасными явлениями, существующих мировых сетей мониторинга (радиологического, метеорологического, аэрозольно-радиационного, азопарникового и др.) недостаточно. Общепризнанным подходом к решению этой проблемы являются «интегрированные региональные исследования». Практическая реализация этого подхода в рамках ряда международных (например проект EPOS: http://www.epos-eu.org/) и российских программ (например проект ЕГАСКРО (ГИАЦ ЕГАСМРО) http://egasmro.ru/) находится на начальной стадии и пока не увязывается с перспективами социально-экономического развития тех или иных регионов. Вне фокуса этих программ пока остается и обширная территория Сибири, отличающаяся высокой концентрацией предприятий ядерно-энергетического комплекса, повышенными темпами развития природо- и недропользования и одновременно повышенной динамикой наблюдаемых природно-климатических изменений. Поэтому при выполнении проекта широко использовался междисциплинарный подход к исследованию опасных природных явлений, который полностью соответствует «Стратегии деятельности в области гидрометеорологии и смежных с ней областях на период до 2030 года» (Распоряжение Правительства РФ от 3.09.2010 г.).

Для достижения поставленных задач, необходимо:
На теоретическом уровне, - применение модельных расчетов (численных методов, статистического моделирования и других), использование современных методов анализа данных и выявления зависимостей, это достигается с использованием высокопроизводительных вычислительных мощностей.
Уровень прототипизации, - применение современного парка измерительного оборудования, программно-аппаратных средств и технических решений, и высокопроизводительных рабочих станций для сбора хранения, предоставления и обработки информации (материально-техническая база представляется ведущими отечественными и мировыми производителями)
Также важным аспектом построения технологии является участие в научных мероприятиях с целью освещения и популяризации промежуточных и итоговых результатов исследования (конференции, семинары, симпозиумы, форумы Российского и международного уровней).
Демонстрация результатов работы и макетов на выставках. Публикация результатов проведенных исследований в научной периодике и тематических бизнес журналах. Создание и продвижение интернет сайта проекта. Выполнение совместных пилотных проектов с заказчиками.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Технология полученная в результате исследования может быть востребована научными Российскими и зарубежными коллективами, занимающиеся исследованиями в таких областях, как: физика атмосферы, радиационная экология, радиационная биология, сейсмология. Сформированная библиотека данных, включающая базы данных о характеристиках полей ионизирующей радиации и активности радионуклидов в деятельном слое почвы и приземной атмосфере, атмосферно-электрических и метеорологических величинах, о повторяемости и интенсивности экстремальных событий может быть востребована в Роспотребнадзоре, Росгидромете, службах МЧС и здравоохранения.
Одной из основных задач практического применения создаваемой технологии радиационного мониторинга с оптимальным набором синхронно контролируемых маркеров-индикаторов экстремальных климатических явлений является уточнение данных о состоянии приземной атмосферы с точки зрения прогностических карт предупреждений (например, такой как карта гидрометцентра РФ: http://www.meteoinfo.ru/hdmapsmeteoalarmsyb).
Применение разрабатываемой технологии позволит прогнозировать опасные природные явления на более раннем этапе их развития с применением новых технических решений таких как использование разнесенных многокомпонентных детектирующих систем.
Результаты исследования будут полезны при разработке нового алгоритма вычета радоновой компоненты из данных радиационного контроля атмосферного γ-фона. Учитывая, что продукты распада, которые присоединяются к нерадиоактивным атмосферным аэрозолям, являются необходимым компонентом при изучении процессов осаждения за счет дождевых и снежных осадков. На международном уровне технология может быть интересна научным коллективам и организациям работающим в междисциплинарных исследованиях с природной и техногенной радиоактивностью, геотрассерами построенными на физике переноса соответствующих радионуклидов в той или иной среде и других областях науки, техники и технологий, так или иначе соприкасающимися с исследованиями фоновых измерений радиоактивности.

Текущие результаты проекта:
Текущие результаты проекта:
а) Разработаны технические принципы пространственно-временной динамики характеристик полей α-, β-, γ- и нейтронных полей излучений в приземной атмосфере, а также радиоактивных газов радона, торона и дочерних продуктов их распада в грунте и приземной атмосфере, которые использованы при разработке алгоритма мониторинга оптимального набора синхронно контролируемых радиационных маркеров-индикаторов экстремальных метеорологических явлений.
б) Разработан метод определения оптимального набора радиационных величин, которые при их синхронном мониторинге должны служить надежными и достоверными маркерами-индикаторами экстремальных климатических явлений. Метод разработан с учетом результатов анализа экспериментальных данных, полученных с использованием технических средств Томской обсерватории радиоактивности и ионизирующих излучений (ТОРИИ) по исследованию структуры и динамики полей ионизирующих излучений и естественной радиоактивности в приземной атмосфере и поверхностном слое грунта.
в) Экспериментально выявлено, в отсутствие снежного покрова (весна – осень) уровень β- и γ-радиоактивности приземной атмосферы падает с высотой. Появление снежного покрова приводит к тому, что, вначале уровень β- и γ-радиоактивности перестает зависеть от высоты, а затем, при увеличении толщины снежного покрова, начинает нарастать с высотой. Уровень ɑ-радиоактивности возрастает с высотой до высот ~ 25 м, и далее остается приблизительно постоянным. Во время весеннего снеготаяния определяющую роль в величине максимума плотности потока радона (ППР) и α-, β-, γ-радиоактивностей подземной атмосферы играет высота снежного покрова (запас снега).
г) Выявлено, при исследовании реакции трассеров-индикаторов на опасное явление (ОЯ), что отношения ПП альфа-излучений на разных высотах практически не реагируют на прохождение циклонов, а вариации трассеров гамма-излучений являются синфазными с вариациями температуры и противофазны вариациям давления.
д) Выявлено, при исследовании реакции радиационных трассеров на сильное задымление (при лесных пожарах), что падение дальности видимости Sm приводит к согласованному уменьшению уровня α- фона, а для β- и γ- фона зарегистрировано плавное нарастание уровня фона на интервале интенсивного задымления. В целом полученные результаты свидетельствуют об очень сильном влиянии лесных пожаров на радиационные, электрические и оптические характеристики нижней тропосферы.
е) Получено, что ряд исследованных радиационных величин или их отношений одинаково реагируют на определенное ОЯ, вследствие чего были определены основные индикаторы, а также дублирующие, среди которых оказалась радиационная величина – ПП нейтронного излучения, которые можно не включать в оптимальный набор. С учетом того, что γ/β-трассер оказался чувствительным индикатором нестационарных процессов, связанных не только с опасными метеорологическими явлениями, но и с опасными техногенными явлениями, к нему в пару требуется дополнительный индикатор не реагирующий на техногенные ОЯ. Таким индикатором может служить ОА торона в почвенном или атмосферном воздухе.
ж) Разработана математическая модель структуры и динамики полей ионизирующих излучений и естественной радиоактивности в приземной атмосфере и поверхностном слое грунта, включающая: а) модель переноса изотопов радона и дочерних продуктов его распада в приземной атмосфере; б) диффузионно-адвективную модель переноса радона в грунте; в) алгоритм расчета пространственно-временных распределений плотности потоков ионизирующих излучений и поглощенных доз. Математическая модель переноса изотопов радона и дочерних продуктов их распада в приземной атмосфере, в отличие от традиционных моделей, учитывает ветровой перенос в вертикальном направлении, вымывание радионуклидов из атмосферы осадками различных типов, а также процесс присоединения свободных ДПР к нерадиоактивным аэрозольным частицам и процесс десорбции вследствие радиоактивного альфа-распада за счет энергии отдачи. Введение параметра скорости вертикальной составляющей ветра позволило описать экспериментально полученную зависимость плотности потока альфа-излучения от высоты, т.е. ее рост с увеличением высоты, которая противоречила традиционным представлениям. Учет процессов присоединения свободных ДПР к нерадиоактивным аэрозольным частицам и десорбции вследствие радиоактивного альфа-распада позволяет изучать структуру и динамику радионуклидов с учетом реальных распределений аэрозолей по размерам, которые существенно различаются для городской и загородной атмосферы. Введение параметра коэффициента вымывания аэрозолей осадками и моделирование случаев разных типов осадков способствовало лучшему пониманию при анализе всплесков, регистрируемых во время дождевых и снежных осадков в экспериментальных рядах альфа,- бета- и гамма-излучений на разных высотах.
з) Получены эмпирические выражения для экспресс-оценок вертикальных распределений мощности поглощенных доз и плотности потоков бета- и гамма-излучений.
и) Анализ результатов численного моделирования выявил пропорциональность между дозой в мкГр/ч и плотностью потока выраженной в 1/(м2с) для β-излучения, что позволяет делать простой переход от одной характеристики излучения к другой. Коэффициент пропорциональности равен ~10000, и не зависит от высоты, радионуклидного состава грунта и соотношения удельных активностей радионуклидов. Для γ-излучения – подобной пропорциональности не обнаружено, что вскрывает потенциальные проблемы с калибровкой детекторов гамма-излучений, работающих в счетном режиме, в дозовую величину. Для обеспечения сопоставимости данных радиационного контроля из разных регионов необходимо, чтобы детекторы (дозиметры) гамма-излучения были установлены на одной высоте и в схожих условиях.
к) Диффузионно-адвективная модель переноса радона в грунте модернизирована посредством представления скорости адвекции функцией от глубины грунта и времени, учитывающей влияние температуры и теплопроводности грунта на объемную активность (ОА) радона в суточном и годовом ходе. Такое усовершенствование модели позволило описать экспериментально полученные суточные вариации ОА радона, которые затухают с глубиной и время наступления максимумов (минимумов) испытывает временную задержку.
л) Разработаны алгоритм контроля структуры и динамики полей ионизирующих излучений и естественной радиоактивности в приземной атмосфере и поверхностном слое грунта и метод мониторинга плотности потока радона с поверхности грунта.
м) Разработан алгоритм и математическая модель мониторинга оптимального набора синхронно контролируемых радиационных маркеров-индикаторов экстремальных климатических явлений в асейсмичном регионе.
н) Разработан сайт проекта, направленный на освещение и популяризацию ПНИ.