Введение к работе
'''' "-а і
' ""Актуальность исследования» Радиоактивность, как одно из неотъемлемых свойств океанской среды, является предметом всестороннего изучения специалистов-океанологов. Повышенный интерес к проблеме переноса и поведения радиоактивных веществ в океане проявился около 40 лет тому нагад в связи с началом использования человечеством атомной, а затем и термоядерной энергии. Возникли и приобрели глобальный характер проблемы загрязнения океана как в связи с испытанием ядерюго оружия, так и в связи с удалением радиоактивных отходов в океан. Необходимость в организации эффективного контроля за состоянием радиоактивной загрязненности вод Мирового океана поставила перед океанологами задачу описания полей радиоактивности океана как с точки зрения геграфического районирования, так и с позиций динамики их изменчивости. Актуальность темы настоящей работы обусловлена тем, что в ней на основе комплексного подхода к процессам происходящим в океане, осуществлено описание полей естественной и техногенной радиоактивности океана, предложены принципы выявления основных особенностей этих полей, обусловленных региональными условиями.
Проблема изучения радиоактивности океана давно вышла за рамки чисто научной задачи, стала предметом исследования на государственном и международном уровне, регламентируется и определяется рядом специальных международных Соглашений.
Мировой океан представляет собой единый комплекс связанных систем (физических, геохимических, биологических), находящихся между собой в динамическом равновесии, обеспечивающем равновесие глобальных процессов в целом. Поэтому исследование в фундаментальном плане естественной радиоактивности океана, сформированной в результате взаимодействия физических, химических и
биологических процессов, является основой как для понимания роли радиоактивности в жизни и развитии Земли, так и для оценки количественных .и качественных изменений полей радиоактивности океана под воздействием.антропогенного фактора.
Весьма актуальной является также задача выявления среди комплекса причин доминируюцего фактора, определяющего различие характеристик полей радиоактивных элементов и особенности их структуры.
Исследование радиоактивности вод Мирового океана показывает, что проблемы загрязнения вод отдельных регионов не могут быть решены при рассмотрении только локальных условий, а связаны с процессами глобального характера, определяемыми системой Миро -вого океана в целом. Поэтому единый обобщённый подход к проблеме радиоактивности вод океана вносит конкретный вклад в решение региональных проблем, таких как раиационная безопасность и защита экосистем прибрежных и шельфовых вод.
Выполненные в настоящей работе исследования дают возможность применить полученные результаты для осуществления прогностичес-Iких расчётов пространственного распределения, радиоактивных эле-!ментов а также структуры их полей.
Цель и задачи работы. Настоящие исследования выполнены в соответствии с программой "Мировой океан". К моменту начала работы в исследованиях морской радиоактивности наметились общие подходы к установлению закономерностей формирования полей радиоактивности океана (Шведов,Патин,І968;0змидов,І968;Нелепо,1970; Громов,Спицин, 1975Поликарпов и др., 1985). Однако региональные особенности структуры полей радиоактивности и их связь с гидрологическими и гидрохимическими структурами оставались неясными.
При постановке работы были сформулированы следующие задачи:
1. Анализ полей распределения калия (калия-40) и цезия-137 в
различных географических районах Мирового океана и выявление
характерных особенностей их структуры по данным прямых инструментальных измерений.
-
Исследование влияния биотических и абиотических факторов ча процессы структурообразования в полях радиоактивных элементов.
-
Описание особенностей переноса калия и цезия-137 в экосистеме океана и оценка вклада различных блоков экосистемы в формирование структуры полей этих элементов и их изменчивость.
-
Сопоставление структуры полей относительного содержания калия и абсолютных концентраций цезия-137.
-
Анализ расчётных методов описания полей естественной радиоактивности, обусловленной ураном, радием, торием.
Выбор этих задач и спектра радионуклидов был определён таким образом, чтобы информация о полях техногенных и естественных радионуклидов дополняли друг друга и давали добавочные возможности для исследования структурообразующих факторов и характеристик элементов структур в полях радиоактивности.
Научная новизна и основные выводы. В работе оценён вклад различных блоков экосистемы океана в формирование структуры поля радиоактивности и впервые продемонстрировано решающее влияние биологических факторов (потоков новообразованного органического вецесі'ва, потоков выведения и седиментации) на структуру и флюктуации поля основного (наиболее показательного) естественного радиоактивного элемента - калия, распространение и динамика поведения которого в определённой степени может быть моделью поведения и распространения его химического аналога - антропогенного цезия-137, поступающего в океан за пос-
леднии десятилетия.
Впервые выполнен инструментальный поиск и установлены корреляционные связи распределения концентрации радионуклидов с первичной продукцией фитогтанктонаи концентрацией хлорофилла, солёностью и другими гидрофизическими и гидрохимическими параметрами. При этом показано, что плотность корреляционной связи может характеризовать масштаб (временной или пространственный) рассматриваемой структуры или явления.
Впервые на реальном фактическом материале показано, что формирование средней многолетней структуры поля антропогенной радиоактивности в условиях антициклонической макроциркуляционной системы в северном полушарии определяется опусканием поверхностных вод в центральной части системы и подповерхностным переносом радионуклидов к переферии макроциркуляционной системы. При этом образуются сложные вертикальные структуры с подповерхностным максимумом радиоактивности, совпадающим по глубине с максимумом солёности.
Впервые предложен и рассмотрен метод совместного корреляционного анализа полей солёности и радиоактивности, что позволяет идентифицировать происхождение линз в пятнистой структуре поля.
Показано, что распределение естественных радиоактивных элементов подчиняется закономерностям широтной и циркумконти-нентальной зональности. Дан анализ структурных особенностей полей радиоактивности с учётом этого фактора.
На основе инструментальных измерений выявлено, что зоны океанских фронтов характеризуются наибольшей вероятностью возникновения неоднородностей в полях радиоактивных элементов.
Впервые показана перспективность использования предложенной
в работе биоассиыиляционной гипотезы для объяснения причин образования неоднородностей в полях естественных радиоактивных элементов. Предложены критерии оценки характеристик неоднородностей (критический масштаб, критический градиент, критический дефицит).
Впервые предложена схема районирования Мирового океана по величине критического пространственного масштаба неоднородностей в поле радиоактивности.
Инструментально установлено, что в тонкой ступенчатой термо-халинной структуре сезонного и главного термоклина наблюдаются колебания относительного содержания калия ( до 2,3 между соседними ступеньками), что говорит о существовании в этих структурах механизма генерации и поддерживания неоднородностей солевого состава.
Рассмотрены типы вертикальной стратификации в поле относительных концентраций калия. Оценены коэффициенты вариации этой величины на различных глубинах. Для Мирового океана в целом максимальная величина коэффициента вариации ( 1,6 ) отмечена на поверхности. Максимальные мезомасштабные колебания относительного содержания калия ( до 9,5 ) обнаружены в районе субантарктического фронта на переферии Антарктического циркумполярного течения.
По совокупности литературных данных ( geosecs ) установлена корреляционная связь между интенсивностью первичной продукции фитопланктона и временем полувыведения тория-228, а также отношением концентраций тория-228 к радию-228 в фотическом слое (R=0,6I при п =31 ). Обнаруженная статистическая закономерность позволяет уточнить прогностические оценки полей этих элементов.
Усовершенствована и внедрена в практику морских экспедиционных исследований методика измерения калия в морской воде потен-циометрическим методом, обеспечивающая повышенную точность измерении по сравнению с существующими аналогами.
Создана оригинальная изотопообменная методика для массовых измерений концентрации цеэия-137 в океане, что позволило реализовать программу изучения структуры полей техногенного цезия-137. Метод зарегистрирован как изобретение.
Практическая значимость работы. Данные натурных измерений и теоретические выводы, полученные в работе, развивают существующие представления и вскрывают новые закономерности в области изучения механизма формирования поля радиоактивности Мирового океана. Результаты исследования могут быть использованы в океанологии в разделах геграфии, геохимии, физики моря, в биологии. Основные выводы диссертации могут быть применены для моделирования полей естественного и техногенного радиоактивного фона отдельных регионов и океана в целом при организации мониторинга радиоактивного загрязнения океана.
Полученные данные могут служить основой:
для выполнения картирования радиоактивного фона океана, выявления масштабов его неоднородности;
для расчёта структуры полей искусственных радионуклидов, попадающих в океан;
для оценки интегрального значения интенсивности первичной продукции фитопланктона;
для оценки интенсивности горизонтального солеобмена между различными макроциркуляционными системами.
Изотопообменный метод определения концентрации цезия-137 в морской воде целесообразно использовать для массовых измерений
концентрации этого изотопа в океане. Метод даёт принципиально новое решение задачи определения ультрамалых концентраций радиоизотопов и может быть трансформирован применительно к другим элементам.
Прецизионная методика определения калия может быть использована как при решении широкого круга биогеохимических задач непосредственно в океанологии ( исследование обмена на границе вода-дно, изучение процесса фракционирования ионов солевого состава морской воды, исследование метаболизма морских организмов) , так и в других областях исследований, где требуется повышенная точность измерений.
Внедрение результатов работы. Изотопообменный метод определения цезия-137 передан для внедрения в Тихоокеанский океанологический институт ДВО РАН и в Морской гидрофизический институт АН Украины.
Данные о концентрации калия в поверхностном слое океана переданы в Институт Атомной Энергии им. И.В.Курчатова.
Апробация работы. Основные результаты диссертации опубликованы в научных статьях, авторских свидетельствах, а также доложены на ХІУ Тихоокеанском конгрессе (Хабаровск, 1979), Международном симпозиуме СИКАР-2 (Каракас, 1976),на 10м Советско -американском симпозиуме по загрязнению морской среды ( Одесса, 1979), на 1ом и Пом Всесоюзном съезде советских океанологов (Ялта, 1982), на Международном симпозиуме по методам исследования океана (Находка, 1986) , на 210м Европейском симпозиуме по морское биологии (Гданьск, 1988), на заседании расширенного семинара отдела радиационной и химической биологии ИнБШ АН Украины, 1987, на заседании объединённого коллоквиума биологического сектора Института океанологии РАН, 1989, на симпози-
уме о современном состоянии радиоэкологической обстановки в Балтийском море (Юодиранте, 1989) , на семинаре Института Атомной Энергии им. И.В.Курчатова , 1991.
