Rola procesów jądrowych w kształtowaniu środowiska naturalnego

Andrzej Pawuła

Słowa kluczowe: procesy jądrowe, promieniowanie kosmiczne, detektory neutrin, ekspansja Ziemi, nowa materia, radon

Key words: nuclear processes, cosmic radiation, neutrino detectors, Earth expansion, new matter, radon

Uwagi wstępne

Pojecie "procesy jądrowe" obejmuje zarówno reakcje jądrowe i termojądrowe jak też przemiany promieniotwórcze radionuklidów sztucznych i naturalnych. Dla środowiska naturalnego istotne są skutki procesów jądrowych wyrażające się poziomem radioaktywności. W świadomości społecznej zagrożenie radiologiczne wiąże się ze skażeniami środowiska przez doświadczalne eksplozje nuklearne w atmosferze ziemskiej i z potencjalnymi katastrofami elektrowni nuklearnych. Celem niniejszego referatu jest zwrócenie uwagi na wpływ radionuklidów pochodzenia geologicznego na środowisko naturalne i ich prawdopodobny związek z promieniowaniem kosmicznym. Wpływ promieniowania kosmicznego widoczny jest w atmosferze ziemskiej w postaci zjonizowanego powietrza i zórz polarnych, rejestrowany jest w podziemnych detektorach cząstek elementarnych i sięga jądra Ziemi gdzie powoduje prawdopodobnie powstawanie nowej materii i zjawisko ekspansji globu. Według teorii ekspansji Ziemi przyrost masy i promienia globu jest przyczyną aktywności geologicznej, a więc m.in. zaburzeń tektonicznych, erupcji wulkanicznych i ruchu kontynentów. Zasadność tej teorii znajduje potwierdzenie w modelowej interpretacji geoizochron strefy przyrostu litosfery a także w pomiarach współrzędnych globalnej sieci reperów stacji astrogeodynamicznych GPS (Global Positioning System) oraz w korelacji między zaburzeniami sejsmicznymi i zmianami położenia terenu (Catching earthquakes with GPS), aktywnością wulkaniczną i wzrostem radioaktywności środowiska. Pozostaje niewyjaśnione dotąd pytanie o przyczynę ekspansji Ziemi. Ważnym wątkiem w poszukiwaniu odpowiedzi na to pytanie jest ocena skutków promieniowania kosmicznego i geneza radionuklidów pochodzenia geologicznego. Przyczynkiem do takiej analizy jest "paradoks helowy", wyrażający się w skali globalnej dysproporcją między ilością radionuklidów emitujących promieniowanie alfa a ilością wytworzonego na Ziemi radiogenicznego helu He-4. Olbrzymi niedobór helu, jako produktu przemian alfa, może potwierdzać hipotezę o syntezie uranu w procesach jądrowych w głębi Ziemi i przyroście radionuklidów w litosferze w trakcie erupcji magmowych. Hipotetyczne procesy w jądrze Ziemi mają więc prawdopodobnie istotny wpływ na ogólny poziom radioaktywności środowiska, jak również na występowanie anomalnych koncentracji radionuklidów pochodzenia geologicznego w środowisku naturalnym.

Promieniowanie kosmiczne jako przyczyna reakcji jądrowych

Promieniowanie kosmiczne odznacza się bardzo dużą przenikliwością oraz dużą energią. Wiadomo, że pierwotne promieniowanie kosmiczne dociera do Ziemi z przestrzeni międzygwiezdnej i w pewnej części pochodzi z reakcji termojądrowych zachodzących na Słońcu. Wcześniejsze badania pozwalały twierdzić, że pierwotne promieniowanie kosmiczne składa się głównie z protonów i promieniowania gamma, znacznie rzadziej występują w nim jądra helu, azotu, tlenu i węgla. Późniejsze badania wykazały także istnienie w promieniowaniu pierwotnym neutrin o wysokiej przenikliwości. Natężenie strumienia neutrin ocenia się na powierzchni Ziemi, na ponad 60 miliardów neutrin/(cm2 x sek).

Reakcje termojądrowe w Słońcu powodują transformację wodoru w hel, równocześnie w tym procesie emitowane są neutrina słoneczne. Magnetosfera Ziemi stanowi barierę ochronną przed składnikami promieniowania kosmicznego posiadającymi ładunek elektryczny, natomiast nie stanowi przeszkody dla neutrin i fotonów gamma. Sonda kosmiczna Ulysse wysłana w 1990 r. w kierunku Słońca wykazała istnienie heliosfery, czyli magnetosfery całego układu słonecznego, który stanowi barierę ochronną przed promieniowaniem kosmicznym z przestrzeni międzygwiezdnej. Analiza danych wykazała, że korona słoneczna o temperaturze bliskiej miliona stopni emituje gaz zjonizowany (plazmę), składający się w 90% z wodoru i w 10% z helu. W strefie biegunowej Słońca gęstość cząstek wiatru słonecznego jest trzykrotnie mniejsza niż w strefie równikowej. Wiatr słoneczny dociera do Ziemi z prędkością 400 km/s, przy gęstości 5 atomów/cm3. Przypływy wiatru słonecznego o prędkości 700 km/s powodują zaburzenia jonosfery Ziemi.

W ramach badań natury i źródeł promieniowania kosmicznego, w przestrzeni kosmicznej umieszczony został detektor twardego promieniowania gamma GRO i detektor miękkiego promieniowania gamma Granat a na powierzchni Ziemi został zainstalowany detektor promieniowania ultraenergetycznego gamma Themistocle. W 1993 r. satelita Rosat (Roentgen Satelite) ujawnił w paśmie promieni X, w rejonie trzech galaktyk NGC 2300, w odległosci 1,3 mln.lat świetlnych, występowanie skupienia materii nieświecącej w postaci chmury gazu gorącego o temperaturze 10 000 K. Ocenia się, że masa tej chmury gazowej jest ok. 500 mld. razy większa od masy Słońca. Jako stałe źródło promieniowania gamma uważa się pulsary. Detektory satelitarne GRO i Ulysse, w dniu 17 lutego 1994 r. zarejestrowały także zjawisko dodatkowego, silnego promieniowania gamma, trwajace przez okres 1,5 godziny. Promieniowanie to dotarło do Ziemi z różnych stron sfery niebieskiej. Jeden z modeli tłumaczy zjawisko krótkotrwałego lecz intensywnego promieniowania gamma skutkami fuzji gwiazd neutronowych. W 1995 r. obserwacje satelity ASCA wyjaśniły źródło impulsów promieniowania gamma. Stwierdzono bowiem, że jest to fala uderzeniowa po wybuchu supernowej. Za pomoca teleskopu HUBBLE'a zarejestrowano w dniu 29 lutego 1997 kolejną, silną i krótkotrwałą emisję promieniowania gamma, która była śladem jakiejś katastrofy kosmicznej. W ciągu około 80 sekund uwolniona została energia, odpowiadająca energii Słońca w okresie wielu milionów lat. Dotychczas skatalogowano około 2000 takich eksplozji kosmicznych.

Promieniowanie kosmiczne docierające do Ziemi ulega przemianie w trakcie kolizji z jądrami gazów atmosferycznych, powstaje wówczas lawinowa "produkcja" lżejszych cząstek o mniejszej energii, krótko żyjących mezonów i powstających z nich mionów i neutrin. W wyniku spowolnienia fotonów gamma o energii wyższej niż 1,02 MeV tworzą się pary jonów - elektrony i pozytony. Promieniowanie gamma o długości fali krótszej od 1E-10 m penetruje atmosferę do wysokości ok. 20 km, natomiast promieniowanie X o większej długości fali dociera tylko do wysokości od 60 do 130 km nad powierzchnią Ziemi.

Procesy jądrowe w meteorytach i w atmosferze ziemskiej

Badania petrograficzne meteorytów żelaznych wykazały obecność produktów reakcji jądrowych wywołanych działaniem promieniowania kosmicznego. Według badań Gentnera i Zähringera [7], w wyniku bombardowania protonami, neutronami i mezonami promieniowania kosmicznego izotopu żelaza Fe-56, powstają niestabilne nuklidy: tryt H-3, radiochlor Cl-36 oraz radiopotas K-40, które podlegają rozpadowi typu beta lub typu K. Ostatecznie, na powierzchni meteorytu wytwarzają się izotopy stabilne helu He-3, argonu A-36 oraz wapnia Ca-40 i argonu A-40:

przemiana promieniotwórcza trytu:

przemiana promieniotwórcza chloru Cl-36:

rozpady radiopotasu K-40

a) ; wapń Ca-40 stanowi 99,88 - 99,89% produktu przemiany typu beta

    1. b)
    2. ; argon A-40 stanowi 0,11 - 0,12% produktu przemiany typu K (beta +)

Przemiana beta występuje w przypadku niestabilnego neutronu i skutkuje emisją elektronu i neutrina elektronowego:

natomiast przemiana typu K (lub b +) polega na wychwytywaniu elektronu i przemianie dodatnio naładowanego protonu w neutron:

W atmosferze ziemskiej, w wyniku oddziaływania pierwotnego promieniowania kosmicznego na nuklidy powietrza atmosferycznego powstaje promieniowanie wtórne, którego składnikami są cząstki elementarne o różnym czasie trwania i różnej masie spoczynkowej - bariony (hiperony), nukleony, mezony, leptony - miony, elektrony i neutrina. Natężenie powstawania neutronów we wtórnym promieniowaniu kosmicznym ocenia sie na 2,6 neutr./cm2 powierzchni Ziemi/sek (Libby, 1955, cyt. Polański, 1961)

Efekty bombardowania azotu atmosferycznego neutronami wtórnego promieniowania kosmicznego:

Pierwsza reakcja jest endotermiczna, powstaje w niej węgiel C-12 oraz radioaktywny tryt H-3, druga reakcja jest jeszcze silniej endotermiczna, powstaje w niej hel He-4 i radioaktywny tryt. Trzecia reakcja ma charakter egzotermiczny, jest najwydajniejsza a powstaje w niej radioaktywny węgiel C-14 i wodór H-1. Tryt i radiowęgiel ulegają natychmiast rozpadowi promieniotwórczemu, odpowiednio na hel albo azot i procesowi temu towarzyszy emisja elektronu i neutrina elektronowego. Okres półrozpadu trytu wynosi T=12,46 lat, natomiast okres połowicznego zaniku radiowęgla T = 5570 lat:

W wyniku oddziaływania promieniowania kosmicznego występują jeszcze inne reakcje jądrowe, w wyniku których powstają następujące radioizotopy (Polański, 1961):

Beryl Be-7 (T = 53,6 dni)

Beryl Be-10 (T = 2,5E+6 lat

Fosfor P-32 (T = 14,3 dni)

Fosfor P-33 (T = 24,5 dni)

Sód Na-22 (T = 2,6 lat)

Siarka S-35 (T = 87,1 dni)

Chlor Cl-39 (T = 24,5 dni).

Na powierzchni Ziemi, w minerałach zawierających chlor wytwarza się pod wpływem neutronów promieniowania kosmicznego, radioizotop Cl-36:

Izotop chloru Cl-36 jest nietrwały a okres jego połowicznego zaniku T= 3,08 - 4,4 E+5 lat. W wyniku przemiany promieniotwórczej powstaje argon A-36:

Reakcje jądrowe w podziemnych detektorach neutrin

Istnieje pogląd, że neutrina kosmiczne przenikają bez większych przeszkód przez atmosferę i skorupę ziemską. Z wielkimi trudnościami rejestrowane są efekty oddziaływania neutrin kosmicznych, w postaci produktów przemian jądrowych pierwiastków lub wtórnego promieniowania elektronowego.

Doświadczenia nad rejestracją neutrin kosmicznych rozpoczął Frederick Reines. Detektorem o nazwie IMB był zbiornik czystej chemicznie wody, o pojemnooci 8 tys. ton, umieszczony w kopalni soli w Cleveland (USA), na głębokości 600 m. Przedmiotem badań były hipotetyczne rozbłyski wywołane ewentualnym rozpadem protonu, tworzącego cząsteczkę wody. Umieszczenie detektora na dużej głębokości pod powierzchnią terenu miało na celu oddzielenie promieniowania kosmicznego od tła. Eksperyment nie stwierdził jednak żadnego przypadku rozpadu protonu. Jedynie pośrednio zaobserwowano neutrina kosmiczne pochodzące z wybuchu supernowej w Wielkim Obłoku Magellana (1987 r.).

Kolejny detektor neutrin utworzono w kopalni złota Homestake w USA (Raymon Davis,1968 - Brookhaven National Laboratory). W wyrobiskach kopalni, na głębokości 1500 m ppt, umieszczono zbiornik zawierajacy 400 tys. litrów perchloretylenu (C2Cl4). Użyta ciecz zawierała chlor Cl-37, który w wyniku bombardowania neutrinami kosmicznymi o wysokiej energii przekształcał się w argon Ar-37. Schemat reakcji jadrowej jest następujacy:

Następny detektor neutrin Gallex był projektem niemiecko-włosko-francuskim, zrealizowanym pod masywem Gran Sasso w Apeninach na głębokooci 1000 m. W zbiorniku o wysokości 8 m i średnicy 4 m umieszczono 30 ton chlorku galu GaCl3. Efektem bombardowania neutrinami elektronowymi niskich energii jąder galu Ga-71 jest powstający pierwiastek radioaktywny german Ge-71. Każdy rozpad jądra germanu rejestrowany jest w postaci impulsu elektrycznego:

Detektor neutrin SAGE, projekt rosyjsko - amerykański, został zrealizowany w obserwatorium w Baksan na północ od Kaukazu, w galerii pod górą Andyrszi. W detektorze tym wykorzystuje się 60 ton metalicznego galu a pomiar efektu zaabsorbowania neutrin polega na ekstrakcji powstającego, jak w powyższej reakcji, germanu.

Detektor neutrin SNO zbudowano w Kanadzie, w kopalni niklu na głebokości 2073 m. Obiektem badawczym jest zbiornik ciężkiej wody o pojemnooci 1 000 ton, zawierający około 1 tony krystalicznego indu. Gdy neutrino uderza w jądro indu następuje emisja elektronu i fotonu gamma.W tymże detektorze rejestruje się ponadto inne reakcje jądrowe:

a) neutrino może być absorbowane przez jądra deuteru, które przekształcają się w 2 neutrony, emitując promieniowanie beta

b) neutrino może współdziałać z elektronem ciężkiej wody, bez przekształcenia czasteczki, jedynie przekazuje energię (efekt kuli bilardowej), a kierunek emisji elektronu pozwala na określenie kierunku, z którego pojawiło sie neutrino

c) neutrino może powodować dysocjację nukleonów w deuterze, co w konsekwencji powoduje, że uwolniony neutron koliduje z następna cząsteczką deuteru tworząc tryt

Radioaktywny tryt transformuje się w jądro helu He-3, emitując elektron i neutrino elektronowe. Według przeprowadzonych pomiarów neutrino elektronowe w rozpadzie trytu ma masę poniżej 15 eV.

Najnowszej daty eksperymentem jest detektor Super-Kamiokande koło miejscowości Kamioka w zachodniej Japonii, zainstalowany w 1996 r. przez fizyków japońskich i amerykańskich. Detektorem jest, podobnie jak w przypadku detektora IMB Reinesa, zbiornik czystej chemicznie wody o pojemności 50 tys. ton. Fotopowielacze rejestrujące impulsy spowodowane rozbłyskami elektronów powstałymi w trakcie kolizji jądrowych, pozwalaja na określenie kierunku neutrin i ich energii. Wyniki badań potwierdzają wniosek, że neutrina mają masę. Według aktualnego stanu wiedzy, cząstkami elementarnymi tworzącymi materię są trzy pokolenia kwarków oraz trzy pokolenia leptonów, do których zaliczają się: elektron i neutrino elektronowe, mion i neutrino mionowe oraz taon i neutrino taonowe. Badania pozwoliły stwierdzić, że ilość neutrin przechodzących przez środek Ziemi jest mniejsza, w stosunku do neutrin docierających z powierzchni Ziemi. W trakcie przejścia przez jądro Ziemi zatrzymaniu lub przeobrażeniu ulegają neutrina drugiej generacji, czyli neutrina mionowe. Neutrina poszczególnych generacji różnią się masą.

Hipoteza ekspansji Ziemi i postulat procesu tworzenia sie nowej materii

Efekty badań w podziemnych detektorach neutrin stanowią interesujący materiał do wyjaśnienia przyczyn aktywności geologicznej i ewolucji naszej planety. Cechą większości teorii geotektonicznych było założenie niezmiennych rozmiarów i masy Ziemi. W poglądach dominowało XVI-to wieczne twierdzenie Giordano Bruno, że rozżarzona Ziemia ulegała stygnięciu, co powodowało kurczenie się globu i powstawanie gór. Edward Suess (1888 r.) podniósł to twierdzenie do rangi popularnej teorii kontrakcji, która tłumaczyła pionowe i poziome ruchy skorupy ziemskiej utratą ciepła. Uzupełnienie stanowiła teoria permanencji twierdząca, że kontynenty i oceany istniały od początku dziejów Ziemi, a położenie ich i rozmiary nie ulegały zasadniczym zmianom. Inne poglady, takie jak hipoteza ekspansji Ziemi, przedstawiona przez Jarkowskiego w 1888 r.[8] i przez Hilgenberga w 1933 r.[3] a także twierdzenie Wegenera z 1912 r. o wędrówce kontynentów były uważane za teorie "fantastyczne" i nieprawdopodobne.

Odkrycie w latach 60-tych zjawiska ryftu i przyrostu litosfery w obrębie płyt oceanicznych, zakwestionowało większość dotychczasowych poglądów na temat rozwoju tektonicznego globu. Potwierdziło także twierdzenie Wegenera o wędrówce kontynentów a także przywołało na forum dyskusji naukowych hipotezę ekspansji Ziemi. Jednakże brak możliwości wyjaśnienia przyczyn ekspansji Ziemi powoduje, że teoria ekspansji Ziemi (Global Expansion Tectonics) przyjmowana jest z oporami, wymaga bowiem radykalnej zmiany głoszonych dotychczas poglądów. Dla pogodzenia  faktu przyrostu litosfery z założeniem niezmienności  promienia Ziemi, pojawiła się teoria tektoniki płyt (Plate Tectonics). Ta nowa popularna teoria, modyfikując tylko teorię permanencji, tłumaczy zaburzenia sejsmiczne kolizją płyt kontynentalnych a rozrost płyt oceanicznych - subdukcją hipotetycznej pra-płyty i konwekcyjnym krążeniem materii między strefą subdukcji a strefą ryftu dna oceanicznego. Teoria kolizji płyt nie tłumaczy jednak genezy rowów oceanicznych, grzbietów i uskoków deformacyjnych w obrębie płyt oceanicznych a także powstawania pasm górskich i wulkanów pośrodku kontynentów. Wszystkie te zjawiska tłumaczy natomiast teoria ekspansji. 

Nowe badania geofizyczne nad budową wnętrza Ziemi wykazały wcześniej nie znane jego własności. Odkryto mianowicie zróżnicowanie jądra Ziemi na część wewnętrzną i zewnętrzną oraz otaczajacą je, tajemniczą warstwę D". Jądro wewnętrzne wykazuje zdolność przepuszczania poprzecznych fal sejsmicznych, tak jak ciało stałe i równocześnie wykazuje zjawisko anizotropii, polegajacej na uprzywilejowanym kierunku rozchodzenia się fal sejsmicznych (Science, 1997, 5341). Gęstość materii w jądrze Ziemi szacuje się na 16 t/m3 a ciśnienie na 400 GP (gigapascale). Temperatura w jądrze Ziemi jest podobnie tak wysoka jak na powierzchni Słońca (ok. 6 000 K). Czas przejścia fal sejsmicznych przez glob ziemski, na kierunku N-S, czyli na osi podłużnej magnetosfery, jest o 4 sekundy krótszy niż na kierunku transwersalnym E-W (Science & Vie,1995, 933, 6). Natomiast jądro zewnętrzne o gęstości od 11,8 do 9,7 t/m3 nie przepuszcza fal poprzecznych, co wskazuje na ciekły charakter materii. Warstwa D" o zmiennej miaższości od 100 do 300 km,  jest silnie zróżnicowana pod względem cieplnym, chemicznym i przewodnictwa elektrycznego. Przypuszcza się, że warstwa D" jest miejscem tworzenia sie materii magmowej. Charakterystyczne dla warstwy D" jest wypychanie ku górze gorącej magmy, co zaznacza się na powierzchni Ziemi jako punkty cieplne lub wulkany. Diapiry magmowe mające korzenie w warstwie D", które przebijają warstwę płaszcza o miaższości około 2600 km i gęstości od 5,66 do 3,3 t/m3, mogą być interpretowane jako formy inicjalne ryftu kontynentalnego, Skorupa płyt kontynentalnych ma miąższość od 10 do 70 km i jest zbudowana ze skał sialicznych o średniej gęstości 2,7 - 2,9 t/m3. Natomiast skorupa bazaltowa płyt oceanicznych ma tylko 5 km miąższości i jest strefą przyrostu litosfery formowaną w okresie ostatnich 200 mln. lat. Sumaryczna ilość law bazaltowych wylewanych w ryftach oceanicznych jest oceniana na 56 mld t rocznie. Przypuszcza się, że w ciągu ostatnich 200 mln lat przybyło w ten sposób około 200 mln km2 nowej skorupy oceanicznej. Dna oceanów a zwłaszcza strefa ryftowa jest obszarem największej aktywności wulkanicznej, na przykład na obszarze południowego Pacyfiku stwierdzono 1133 wulkanów, w tym około 200 wulkanów czynnych.

W badaniach dna oceanów stwierdzono symetryczny układ stref przemiennego namagnesowania magnetytu w skałach bazaltowych po obu stronach ryftu i pojawianie sie coraz starszych bazaltów w miarę oddalania sie od linii ryftu. Stwierdzono około 200 przebiegunowań w ciągu 200 mln. lat, przy czym ostatnia zmiana biegunów magnetycznych Ziemi wystąpiła 780 tys. lat BP. Symetria przyrostu skał magmowych została udokumentowana w postaci geoizochron. Rekonstrukcja modelowa rozwoju tektonicznego globu (Maxlow J.,1997: http://tmgnow.com/repository/global/expanding_earth.html ) potwierdziła hipotezę o wzroście promienia Ziemi i pozwoliła na stwierdzenie, że przyrost promienia następuje w tempie wykładniczym.

Ryc.1 Model ekspansji Ziemi na podstawie geoizochron według Maxlowa

Badania wykazały, że obecne płyty kontynentalne, jeszcze 200 mln. lat temu, przylegały do siebie i tworzyły glob o promieniu dwukrotnie mniejszym od obecnego i tym samym o znacznie większej krzywiźnie powierzchni sferycznej. Skutkiem parcia magmy powstają naprężenia w skorupie ziemskiej, które generalnie w dolnej części sferycznej skorupy mają charakter naprężeń rozciągających, natomiast w strefie przypowierzchniowej - naprężeń ściskających. W związku z narastajacym parciem magmy proces rozciągania (spreadingu) płyty oceanicznej nasila się i powstają szczeliny (rift), które wypełniają się intruzjami magmowymi. Prędkość spreadingu jest zmienna i osiąga obecnie od kilku do kilkunastu cm/rok.

Najnowsze badania wykazały ponadto współzależność zaburzeń sejsmicznych, wulkanizmu i ruchów skorupy ziemskiej. W okresie dwóch dni od wystąpienia wstrząsów sejsmicznych obserwuje się przejawy aktywności wulkanicznej w odległości do 750 km od epicentrum trzęsienia Ziemi (Nature, 1998, 6705). Istnieją również dowody na współzależność zmian położenia punktów reperowych na powierzchni Ziemi ze wstrząsami sejsmicznymi (Webb F.H. i in.). Od 1991 roku prowadzone są pomiary położenia punktów reperowych w globalnym systemie satelitarnym (GPS). Analiza wektorów przesunięć nie tylko potwierdza proces rozrostu płyt oceanicznych ale wykazuje zróżnicowanie wektorów przesunięć w obrębie płyt kontynentalnych, zarówno co do wartości jak i ich kierunku. Zjawisko zróżnicowania wektorów przesunięć na kontynencie może tłumaczyć proces powstawania napreżeń w skorupie kontynentalnej i jego konsekwencje w postaci zaburzeń sejsmicznych i uskoków tektonicznych.

Tabela: Prędkości wektorów przesunięć horyzontalnych oraz zmian wysokości powierzchni terenu dla wybranych stacji astrogeodynamicznych w Europie; według danych Międzynarodowej Służby Pomiarów Geodynamicznych (IGS) z okresu 1991 - 1998, zbieranych w ramach Globalnego Systemu Określania Położenia (GPS), Web Page: http://sideshow.jpl.nasa.gov/mbh/series.html

Stacja IGS miejscowość, kraj współrzędne geograficzne

Prędkość zmian szerokości geograficznej (1)

mm/rok

Prędkość zmian długości geograficznej (1)

mm/rok

Prędkość przesunięcia horyzontalnego mm/rok i kierunek wektora

Prędkość zmian wysokości terenu (2)

mm/rok

BRUS

Bruksela, Belgia

50,79 N : 4,35 E

 

+ 15,36

 

+ 19,54

 

24,85 NE

 

+ 6,56

KOSG

Holandia

52,17 N : 5,80 E

 

+ 15,41

 

+ 18,26

 

23,89 NE

 

+ 1,62

ONSA

Szwecja

57,39 N :11,91 E

 

+ 13,47

 

+ 16,41

 

21,23 NE

 

+ 2,73

POTS

Potsdam, Niemcy

52,37 N :13,06 E

 

+ 14,49

 

+ 20,35

 

24,98 NE

 

+ 10,81

GRAZ

Graz, Austria

47,06 N :15,49 E

 

+ 14,57

 

+ 22,92

 

27,16 ENE

 

- 4,36

BOR1

Borówiec, Polska

52,27 N :17,07 E

 

+ 13,03

 

+ 21,29

 

24,96 ENE

 

+ 4,36

TROM

Norwegia

69,66 N :18,93 E

 

+ 15,04

 

+ 14,95

 

21,20 NE

 

+ 1,25

LAMA

Olsztyn, Polska

53,89 N :20,66 E

+ 14,78

 

+ 21,90

 

26,42 NE

 

+ 2,56

JOZE

Józefosław, Polska

52,09 N :21,03 E

 

+ 14,74

 

+ 22,45

 

26,85 ENE

 

+ 0,46

METS

Kirkkonummi, Finlandia

60,21 N :24,39 E

 

+ 11,87

 

+ 20,04

 

23,29 ENE

 

+ 5,93

(1) znak (+) oznacza przesunięcie w kierunku N; znak (-) oznacza przesunięcie w kierunku S

(2) znak (+) oznacza wyniesienie terenu; znak (-) oznacza obniżenie terenu

NE sektor północno - wschodni (azymuty w przedziale 49,83 - 56,24)

ENE sektor wschodnio - północno - wschodni (azymuty w przedziale 56,25 - 59,36)

We wszystkich wymienionych stacjach, z wyjątkiem stacji Graz w Austrii, notuje się stałe podnoszenie powierzchni terenu (10,81 mm/rok, Potsdam, Niemcy). Na obszarze Europy dominują przesunięcia horyzontalne w kierunku NE i ENE z prędkościami od 21,2 do 27,16 mm/rok.

Analiza odkształceń powierzchni i form aktywności geologicznej pozwala stwierdzić, że od pewnego etapu rozwoju tektonicznego Ziemi nastąpił przyrost promienia globu. Przyrost promienia ma charakter wykładniczy a momentem początkowym tego procesu było ukształtowanie się jądra o szczególnych własnościach fizycznych. Przyjmując dowody jakie przedstawia teoria ekspansji Ziemi należy poszukiwać przyczyny przyrostu promienia globu. Problem sprowadza się do zasadniczej kwestii: "ekspansja Ziemi z lub bez tworzenia nowej materii" (Hilgenberg, 1974). Hipotetycznym uzasadnieniem postulatu, że przyczyną ekspansji Ziemi jest tworzenie sie nowej materii w jądrze planety, są procesy jądrowe wywołane oddziaływaniem promieniowania kosmicznego. Dodatkowym czynnikiem, zwiększającym efekt ekspansji, mogą być także zmiany gęstości materii w jądrze globu.

Przyczynkiem do dyskusji nad genezą materii w jądrze Ziemi jest analiza składu chemicznego magmy i zawartych w niej radionuklidów. Magma bazaltowa, której pochodzenie wiąże się z warstwą D", charakteryzuje się wyjątkowa jednorodnością. Składnikami magmy są - dwutlenek krzemu, tlenki żelaza, magnezu, wapnia, sodu i potasu oraz w mniejszych ilościach inne pierwiastki i związki chemiczne, m.in. uran, tor i metale szlachetne. Magma zawiera również duże ilości składników gazowych, przede wszystkim parę wodną (H20), dwutlenek i tlenek węgla, dwutlenek siarki (SO2), siarkowodór (H2S), amoniak (NH3), chlorowodór (HCl), fluorowodór (HF), metan (CH4) a także gazy szlachetne neon, argon, ksenon, radon. Bazalty, krystalizujące szybko na powierzchni Ziemi, zawierają uran w ilości około 1 ppm, natomiast granity krystalizujące wolno w głębi Ziemi zawierają uranu więcej bo około 4 ppm. W granitach alkalicznych zawartość uranu dochodzi nawet do kilkudziesięciu ppm. Występujacy w skałach magmowych węgiel wykazuje podobny stosunek izotopowy C-12/C-13 jak węgiel w meteorytach. Według tradycyjnych poglądów nuklidy promieniotwórcze, występujące na Ziemi, dzielą się na dwie grupy (Polański, 1961):

  1. nuklidy pierwotne, odziedziczone przez Ziemie z materii praziemskiej (nuklidy o okresie połowicznego zaniku większym od 1E+8 lat)
  2. nuklidy wtórne, wytwarzane ustawicznie na Ziemi z innych nuklidów (nuklidy o okresie połowicznego zaniku mniejszym niż 1E+8 lat)

Stosownie do przyjętego kryterium, do grupy radionuklidów pierwotnych zalicza się m.in.:

U-238 (T = 4,51E+9 lat)

U-235 (T = 7,13E+8 lat)

Th-232 (T = 1,39E+10 lat).

K-40 (T = 1,31E+9 lat)

Sb-132 (T = 2 ,9E+9 lat)

Do grupy radionuklidów wtórnych należą głównie izotopy powstałe z przemiany izotopów pierwotnych, pochodne naturalnych szeregów promieniotwórczych, transuranowce U-238, U-235 i Th-232 oraz radionuklidy powstające w wyniku reakcji jądrowych. Reakcje takie mogą powstawać w skałach pod wpływem kwantów promieniowania gamma oraz cząstek alfa i neutronów, pochodzących z przemian promieniotwórczych i samorzutnych procesów rozszczepiania. Cząstki alfa mogą wchodzić w reakcje jądrowe typu: alfa - neutron i gamma - neutron z lekkimi pierwiastkami: Li, Be, B, N, F, Na, Mg, Al., dostarczając w ten sposób neutronów do dalszych reakcji jądrowych. Źródłem neutronów jest proces samorzutnego i wzbudzonego rozszczepienia ciężkich radioizotopów, U-234, U-235, U-238, Th-230, Th-232, Pa-231. Okresy połowicznego zaniku w procesie samorzutnego rozszczepienia są znacznie wyższe od okresów połowicznego zaniku tych nuklidów w normalnych przemianach promieniotwórczych.

Większość radionuklidów naturalnych emituje czastki alfa i stanowi źródło radiogenicznego helu. W warunkach ziemskich izotop He-4 powstaje w następujących przemianach promieniotwórczych:

Jeśli przyjmiemy za prawdziwe twierdzenie, że wszelkie radionuklidy pierwotne na kuli ziemskiej sa odziedziczone z materii praziemskiej (nuklidy pierwotne), to ilość tych radionuklidów w momencie początkowym istnienia Ziemi powinna być znacznie większa. Uwzględniając czas połowicznego zaniku, początkowa ilość uranu U - 238 powinna być wówczas o około 50% większa a uranu U - 235 dwukrotnie większa. Tymczasem ilość radiogenicznego helu na Ziemi, jako produktu przemian promieniotwórczych jest nieproporcjonalnie mała w stosunku do oczekiwań. Polański (1961) przedstawia obliczenia które wykazuja, że "do wytworzenia w litosferze ilości radiogenicznego helu równoważnej ilości helu w atmosferze wystarczyłoby około 3 mln lat". Ponieważ wiek bezwzględny Ziemi jest ponad tysiąckrotnie dłuższy (około 4,6 mld lat), więc twierdzenie o pochodzeniu radionuklidów naturalnych z materii praziemskiej może być zakwestionowane. Prawdopodobne jest natomiast twierdzenie, że radionuklidy naturalne powstają w trakcie tworzenia się nowej materii w jądrze Ziemi i ilość radionuklidów w litosferze i atmosferze ziemskiej wzrasta w czasie, mimo ich naturalnego rozpadu. Potwierdzeniem takiej tezy może być charakter anomalii radonowych oraz jednorodność bazaltów tworzących sukcesywnie strefę przyrostu litosfery, również co do zawartości radionuklidów naturalnych.

Skutki środowiskowe procesów jądrowych

Oczywistym skutkiem procesów jądrowych wywołanych promieniowaniem kosmicznym jest jonizacja atmosfery ziemskiej i modyfikacje pierwiastków w meteorytach i w skałach podłoża. Z analizy zjawisk geologicznych wynika także postulat, istnienia złożonych procesów jądrowych wewnątrz Ziemi i tworzenia się nowej materii, co w konsekwencji powoduje ekspansje globu i towarzyszące mu formy aktywności geologicznej.

W warunkach erupcji wulkanicznych, oddzielenie gazów od stałych składników magmy następuje gwałtownie i prowadzi do eksplozji piroklastycznych. W podziemnych intruzjach następuje powolny proces dyferencjacji i krystalizacji magmy. W temperaturze poniżej 1000 °C następuje wydzielenie się składników gazowych i gwałtowny wzrost ciśnienia. Gazy magmowe i wody termalne penetrują otaczające skały i tworzą złoża różnych pierwiastków w obrębie intruzji magmowej, w otaczających skałach lub w szczelinach tektonicznych. Krystalizacja tlenków uranu występuje dopiero w fazie hydrotermalnej, poniżej temperatury 400 °C. Przykładem oddziaływania gazów i gorących wód magmowych jest impregnacja skał pierwiastkami pochodzenia magmowego, między innymi organogenicznych węgli.

Ryc.2 Pierwiastki śladowe w popiołach węgli kamiennych (Kabata-Pendias A., Pendias H., 1979)

Pośród pierwiastków śladowych impregnujących węgiel kamienny, w największych ilościach występuja: glin, żelazo, tytan, bar, wanad, nikiel, cynk, ołów, bizmut i german. W mniejszych ilościach występują m.in.: fluor, gal, cyna, antymon, molibden, ind, selen, rtęć, srebro oraz uran i transuranowce. W aspekcie ekologicznym spalanie węgla powoduje emisje do atmosfery 150 Ci/rok radu Ra-226, natomiast przemysł nawozów fosforowych uwalnia rocznie 400 Ci radu Ra - 226 (Jaworowski, Kownacka, 1976). W fosforytach stwierdza się około 500 Bq/kg uranu U - 238 i jego pochodnych, w tym także ok. 500 Bq/kg radu.

W wyniku eksploatacji węgla kamiennego na Śląsku do rzek zrzuca sie rocznie około 117 mln m3 wód kopalnianych, w których przeciętne stężenie radu Ra-226 wynosi 3 kBq/m3, co powoduje wprowadzanie do środowiska w ciagu roku około 9,5 Ci Ra-226. W śląskich wodach kopalnianych występują także stężenia radu do 390 kBq/m3 (Rogoż, 1995).

Bardziej powszechne w środowisku jest występowanie pochodnej radu 226, t.j. radonu Rn - 222, który jest gazem szlachetnym, dobrze rozpuszczalnym w wodzie. W jednym ze źródeł wody mineralnej w Lądku Zdroju stwierdzono 2 035 kBq/m3 radonu Rn - 222. Woda mineralna w Jachimovie (Czechy) zawiera radon w ilości ponad 6 MBq/m3. Średnie stężenia radonu w wodach podziemnych na obszarze Finlandii kształtują się na poziomie 25 kBq/m3, występują jednak także stężenia przekraczające 77 MBq/m3. W wodach oligoceńskich na terenie Warszawy spotykane są stężenia radonu w przedziale 0,5  -  14,7 kBq/m3 (Pachocki i in. 1996).

Konsekwencją występowania radu w skałach podłoża a także parcia gazów magmowych zawierajacych transuranowce jest obecność radonu w powietrzu atmosferycznym. Średnie steżenie radonu Rn - 222 w powietrzu atmosferycznym na obszarze Polski wynosi 5,1 Bq/m3. Na obszarze występowania wód radonowych koncentracje radonu w powietrzu atmosferycznym mogą być znacznie wyższe, na przykład w powietrzu na ulicach "uzdrowiska" Bad Gastein w Austrii stężenie radonu wynosi od 19 do 130 Bq/m3. Jeszcze większe koncentracje radonu występują w chodnikach kopalni, na przykład w kopalni złota w wymienionym Bad Gastein koncentracja radonu wynosi 170 kBq/m3 a w dawnej kopalni uranu w Kowarach 417 kBq/m3 (Pachocki, 1995). Anomalne koncentracje radonowe mogą występować również w budynkach mieszkalnych. Ze względu na zawartość radu w skałach podłoża i w materiałach budowlanych przeciętne koncentracje radonu w budynkach kształtują się około 20 Bq/m3. Anomalnie wysokie koncentracje radonu występuja na ogół w budynkach usytuowanych w strefie intruzji magmowych i uskoków tektonicznych, na obszarze zapadlisk tektonicznych i dolin rzecznych (Pawuła, 1997). Pomiary wykonane na terenie Krakowa przez Instytut Fizyki Jądrowej wykazały w jednym z budynków koncentracje radonu dochodzace do 1,4 kBq/m3 (Web Page: http://www.ifj.edu.pl/Dept6/radon/wyniki.htm)

Dawka promieniowania jonizujacego powodowana inkorporacją radonu określona jest wskaźnikami konwersji: dla radonu w powietrzu

dla radonu w wodzie pitnej

[1 Sv  - jednostka równoważnej dawki promieniowania, która oznacza otrzymanie przez 1 kg ciała energii 1 J, pomnożonej przez współczynnik skuteczności biologicznej wsb (wsb =1 dla promieniowania beta i gamma; wsb=20 dla promieniowania alfa)].

W odniesieniu do radonu w powietrzu oznacza to, że ekspozycja na radon na poziomie 1 Bq/(m3.h) powoduje otrzymanie równoważnej dawki promieniowania 9,0E-09 Sv (9 nSv). W przypadku koncentracji radonu na poziomie 50 Bq/m3 i towarzyszącej jej koncentracji pochodnych radonu na poziomie 15 Bq/m3, równoważna dawka promieniowania na nabłonki oskrzeli wynosi 15 - 20 mSv/rok oraz na płuca i inne tkanki 2 - 3 mSv/rok. Przy tej samej ekspozycji na radon, równoważna dawka promieniowania otrzymywana na całe ciało wynosi około 1,6 mSv/rok.

W odniesieniu do wody pitnej  -  niższa wartość wskaźnika odnosi się do osób dorosłych a wyższa jego wartość do dzieci. Konsumpcja wody zawierajacej 1 Bq radonu powoduje u dziecka otrzymanie dawki równoważnej 7,0E-08 Sv, natomiast u osoby dorosłej 2,0E-08 Sv (Pachocki, 1995).

Według standardów WHO kryterium radiologiczne przydatności wody do picia jest dwustopniowe:

  1. ogólne promieniowanie alfa < 0,1 Bq/l oraz ogólne promieniowanie beta < 1 Bq/l
  2. równoważna dawka promieniowania < 0,1 mSv/rok

Problem radioaktywności w środowisku człowieka i stopień zagrożenia ze strony radonu, emitera czastek alfa, charakteryzuje następujace zestawienie:

Graniczna dawka promieniowania joniz. w Polsce (Zarz.Prezesa PAA,1988) -  1 mSv/rok

Graniczna dawka genetyczna promieniowania jonizujacego (CIPR,1958 */) -  50 mSv/30 lat (1,67 mSv/rok)

Średnia dawka promieniowania w Polsce w 1992 r (GUS, Ochr.Środ.,1994)   - 3,60 mSv/rok

                                                                    w tym udział radonu -  1,58 mSv/rok (43,8%)

Dopuszczalne stężenia radonu w  pomieszczeniach dla ludzi:

  -  według stanu prawnego z 1969 r. **/           -  37 Bq/m3

-  według Zarzadzenia Prezesa PAA z 1988 r.  -  100 Bq/m3

 -  według Zarzadzenia Prezesa PAA z 1995 r. -  400 Bq/m3 ( stare budynki)

                                                                      - 200 Bq/m3 (nowe budynki)

*/ CIPR  - Comission Internationale de Protection Radiologique, Paris, 1958.

**/ Zarzadzenie Ministra Zdrowia i Opieki Społecznej oraz Pełnomocnika Rzadu ds. Wykorzystania Energii Jadrowej, z dnia 15 grudnia 1969 r., w sprawie największych dopuszczalnych dawek promieniowania jonizującego oraz innych wskaźników z zakresu ochrony przed promieniowaniem.

Usankcjonowanie prawne koncentracji radonu w istniejących budynkach na poziomie 400 Bq/m3, co odpowiada równoważnej dawce promieniowania na całe ciało około 12,6 mSv/rok (vide  -  graniczna dawka promieniowania 1 mSv/rok), świadczy o niebezpiecznym bagatelizowaniu problemu.

Kojarzenie anomalii radonowych z aktywnością geologiczną i ekspansją Ziemi, pozwala na prawidłowe wnioskowanie co do roli radionuklidów pochodzenia geologicznego w skażeniach środowiska i metod ochrony przed tym zagrożeniem. Wynika stąd ranga problemu, którego rozwiązanie wymaga pełniejszego wyjaśnienia oceny ilościowej skutków promieniowania kosmicznego, fizycznych podstaw hipotetycznych procesów jądrowych oraz tworzenia się nowej materii w środku Ziemi.

Bibliografia

  1. Carey S., 1988: Theories of the Earth and Universe. Standford University Press.
  2. Carey S., 1996: Earth, Universe, Cosmos. Tasmania University Press.
  3. Hilgenberg O. Ch., 1933: Vom wachsender Erdball. Berlin - Charlottenburg (Publ. By the Author), p.56
  4. Hilgenberg O. Ch., 1974: Debat about the Earth. The question should not be: "drifters or fixists?" but instead: "Earth expansion with or without creation of new matter?". Geotekt. Forsch., 45, 159 - 165.
  5. Haîssinsky M., 1959: Chemia jadrowa i jej zastosowanie. PWN, Warszawa.
  6. Henarejos Ph, 1994: Ulysse-Le systeme solaire dans un cocon. Science & Vie, 926, 32-35.
  7. Gentner W., Zähringer J., 1957: Argon und Helium als Kernreaktions-produkte in Meteoriten. GCA 11, 60 (cyt. Polański A., 1961)
  8. Jarkowski J., 1888: Hipothese cinetique de la gravitation universelle en connexion avec la formation des elements chimiques. Moskva (cyt. Koziar J., Ciechanowicz S., 1993)
  9. Jaworowski Z., Kownacka L., 1976: Lead and radium in the lower stratosphere. Nature, 263, 303  -  304.
  10. Learned J.G.,1997: Underground Muons in Super-Kamiokande. 25th ICRC, Durban, South Africa (Web Page: http://www.hawaii.edu)
  11. Kotlinski R., Musielak S., 1998: Rozwój oceanów, WiZ, 8, 16-19
  12. Koziar J., 1980: Ekspansja den oceanicznych i jej zwiazek z hipoteza ekspansji Ziemi. Sprawozdanie Wrocławskiego Towarzystwa Naukowego, 35 B, 13 -19, Wrocław.
  13. Koziar J., 1991: Prace nad problemami ekspansji Ziemi w ośrodku wrocławskim. Acta Universitatis Wratislaviensis, No 1375, Prace geologiczno - mineralogiczne XXIX, Wrocław.
  14. Koziar J, Ciechanowicz S., 1993: Ciemna materia a ekspansja i wzrost masy Ziemi. Stresz. Referatów III, PTG, Poznań.
  15. Macdonald G.A., 1975: Volcanoes. Prentice-Hall Inc.,New Jersey.
  16. Maxlow J., 1997: Global Expansion Tectonics: Empirical Small Earth Modeling of an Exponentially Expanding Earth (Web Page: http://people.enternet.com.au/~jmaxlow)
  17. Mrówczynski S., 1996: Trzy pokolenia leptonów. WiZ, 3, 36-40.
  18. Kabata-Pendias A., Pendias H., 1979: Pierwiastki śladowe w środowisku biologicznym. Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa.
  19. Pachocki K., 1995: Radon w środowisku, Warszawa.
  20. Pachocki K., Gorzkowski B., Majle T., Różycki Z., Peńsko J., Poręba I., 1996: Pomiary steżenia radonu 222Rn w wodzie z ujęć głebinowych na terenie Warszawy. Roczn. PZH, 47, nr 2, 285  - 293. 
  21. Pawuła A.,1997: Contribution a l'explication des anomalies du radon Rn-222 dans le milieu naturel, point de vue d'un geologue. Seminaire SUBATECH, Laboratoire de Physique Subatomique et des Technologies Associees, EMN, Nantes.
  22. Pawuła A., 1997: Przyczynek do geologii radonu. Materiały XVII Konferencji Polskiego Towarzystwa Badan Radiacyjnych im. Marii Skłodowskiej-Curie, pt. "Radon - występowanie i konsekwencje", Warszawa - Zakopane.
  23. Polański A., 1961: Geochemia izotopów. Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa.
  24. Rogoż M., 1995: Materiały Konferencji Naukowej  -  Współczesne Problemy Hydrogeologii, t. VII, Kraków - Krynica.
  25. Webb F.H., Tsuji H., Hatanaka Y., Miyazaki S.: Deformation from the M 7.5 1994 Sanriku Haraka-Oki earthquake and the M 6.9 aftershock from high rate (min) GPS observations (Web Page: http://www.unavco.ucar.edu/gen_info/science_snap/webb-1.html)

Referat wygłoszony na zebraniu naukowym Instytutu Fizyki Politechniki Warszawskiej, w dniu 14 stycznia 1999 r.