Contribution of the Photonic Component to the Ionization of the Atmosphere by Earth Crust Nuclides and Radioactive Emanations

S. V. Anisimov; Анисимов С. В.; S. V. Galichenko; Галиченко С. В.; E. V. Klimanova; Климанова Е. В.; A. A. Prokhorchuk; Прохорчук А. А.; K. V. Afinogenov; Афиногенов К. В.

doi:10.31857/S0002333723060029

Вклад фотонной компоненты в ионизацию атмосферы радионуклидами земной коры и радиоактивными эманациями

Авторы: Анисимов С.В.¹, Галиченко С.В.¹, Климанова Е.В.¹, Прохорчук А.А.¹, Афиногенов К.В.¹
Учреждения:
1. Геофизическая обсерватория “Борок” филиал Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН
Выпуск: № 6 (2023)
Страницы: 245-258
Раздел: Статьи
URL: https://journals.rcsi.science/0002-3337/article/view/249498
DOI: https://doi.org/10.31857/S0002333723060029
EDN: https://elibrary.ru/WMDEUS
ID: 249498

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

В работе исследуется вклад γ-излучения естественных радионуклидов, входящих в состав земной коры, радиоактивных эманаций и их продуктов распада в грунте в интенсивность образования ионных пар в атмосфере на фоне ионизации атмосферы радиоактивными газами, поступающими в атмосферу из грунта, и распространяющимися совместно со своими короткоживущими дочерними продуктами. Оценка плотности потока радона в атмосферу выполнена тремя методами: методом резервуара, интегрированием высотных профилей объемной активности радона, на основе γ-спектрометрических наблюдений и диффузионной модели. Вычисление распределения дозы γ-излучения от почвенных радионуклидов в грунте и атмосфере реализовано на основе программного инструментария Geant4. Моделирование распространения изотопов радона и продуктов их распада в атмосфере выполняется на основе вихреразрешающей модели, оснащенной блоком кинематической симуляции подсеточного переноса пассивного скаляра. Показано, что в зависимости от удельной активности радионуклидов в грунте, параметров грунта и турбулентного режима атмосферы cуммарный вклад земного γ-излучения в интенсивность образования ионных пар в атмосферном пограничном слое составляет приблизительно от 1 до 20% и возрастает при уменьшении проницаемости верхнего слоя грунта для радиоактивных эманаций.

Ключевые слова

ионизация атмосферы, гамма-излучение, гамма-спектрометр, радон, торон, Geant4, вихреразрешающее моделирование.

Список литературы

Анисимов С.В., Афиногенов К.В., Гурьев А.В. Аппаратная платформа аэростатных аэроэлектрических наблюдений // Научное приборостроение. 2017a. Т. 27. № 1. С. 24–28.
Анисимов С.В., Галиченко С.В., Афиногенов К.В., Макрушин А.П., Шихова Н.М. Объемная активность радона и ионообразование в невозмущенной нижней атмосфере: наземные наблюдения и численное моделирование // Физика Земли. 2017б. № 1. С. 155–170.
Зукау В.В., Яковлева В.С., Каратаев В.Д., Нагорский П.М. Ионизация приземной атмосферы излучением почвенных радионуклидов // Известия Томского политехнического университета. 2010. Т. 317. № 2. С. 171–175.
Смирнов В.В. Ионизация в тропосфере. С.-Пб.: Гидрометеоиздат. 1992. 312с.
Яковлев Г.А., Кобзев А.А., Смирнов С.В., Беляева И.В., Аршинов М.Ю., Яковлева В.С. Синхронный мониторинг γ, β-фона и атмосферных осадков в геофизических обсерваториях ИМКЭС СО РАН и БЭК ИОА СО РАН // Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. Науки 2020. Т. 32. № 3. С. 165–179.
Яковлев Г.А., Яковлева В.С. Особенности сезонной динамики изотопов радона в приземной атмосфере // Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. Науки 2020. Т. 31. № 2. С. 129–138.
Яковлева В.С. Моделирование влияния состояния и изменчивости атмосферы и литосферы на плотность потоков радона и торона с поверхности земли // Известия Томского политехнического университета. 2010. Т. 317. № 2. С. 162–166.
Allison J., Amako K., Apostolakis J. et al. Recent developments in Geant4 // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. 2016. V. 835. P. 186–225.
Anisimov S.V., Galichenko S.V., Prokhorchuk A.A., Aphinogenov K.V. Mid-latitude convective boundary-layer electricity: A study by large-eddy simulation // Atmos. Res. 2020. V. 244. P. 105035.
Barbosa S.M., Miranda P., Azevedo E.B. Short-term variability of gamma radiation at the ARM Eastern North Atlantic facility (Azores) // J. Envir. Rad. 2017. V. 172. P. 218–231.
Barbosa S.M., Huisman J.A., Azevedo E.B. Meteorological and soil surface effects in gamma radiation time series – Imlications for assessment of earthquake precursors // J. Envir. Rad. 2018. V. 195. P. 72–78.
Bernard D. A 5D, polarized, Bethe-Heitler event generator for γ → e+e− conversion // Nucl. Instr. Meth. Phys. Research Section A 2018. V. 899. № 11. P. 85–93.
Binks W. Energy per ion pair // Acta Radiologica 1954. V. 41. № 117. P. 85–104.
Burnett J.L., Croudace I.W., Warwick P.E. Short-lived variations in the background gamma-radiation dose // J. Radiol. Prot. 2010. V. 30. P. 525–533.
Dueñas C., Fernándes M.C., Carretero J., Liger E., Pérez M. Release of 222Rn from some soils // Ann. Geophysicae 1997. V. 15. P. 124–133.
Grasty R.L. Radon emanation and soil moisture effects on airborne gamma-ray measurements // Geophys. 1997. V. 62. № 5. P. 1379–1385.
Greenfield M.B., Domondon A.T., Okamoto N., Watanabe I. Variation in γ-ray count rates as a monitor of precipitation rates, radon concentrations, and tectonic activity // J. Appl. Phys. 2002. V. 91. № 3. P. 1628–1633.
Griffiths A.D., Zahorowski W., Element A., Werczynsky S. A map of radon flux at the Australian land surface // Atmos. Chem. Phys. 2010. V. 10. P. 8969–8982.
Guedalia D., Allet C., Fontan J., Druilhet A. Lead-212, radon and vertical mixing in the lower Atmosphere (100–2000) m // Tellus. XXV. 1973. V. 4. P. 381–385.
Hassan N.M., Hosoda M., Ishikawa T., Sorimachi A., Sahoo S.K., Tokonami S., Fukushi M. Radon migration process and its influence factors; Review // Jpn. J. Health Phys. 2009. V. 44 (2). P. 218–231.
Hosoda M., Sorimachi A., Yasuoka Y., Ishikawa T., Sahoo S.K., Furukawa M., Hassan N.M., Tokonami S., Uchida S. Simultaneous measurements of radon and thoron exhalation rates and comparison with values calculated by UNSCEAR equation // J. Radiat. Res. 2009. V. 50. P. 333–343.
Inomata Y., Chiba M., Igarashi Y., Aoyama V., Hirose K. Seasonal and spatial variations of enhanced gamma ray dose rates derived from 222Rn progeny during precipitation in Japan // Atmos. Envir. 2007. V. 41. P. 8043–8057.
Kardos R., Gregorič A., Jónás J., Vaupotič J., Kovács T., Ishimori Y. Dependence of radon emanation of soil on lithology // J. Radioanal. Nucl. Chem. 2015. V. 304. P. 1321–1327.
Laakso L., Petäjä T., Lehtinen K.E.J., Kulmala M., Paatero J., Hõrrak U., Tammet H., Joutsensaari J. Ion production rate in a boreal forest based on ion, particle and radiation measurements // Atmos. Chem. Phys. 2004. V. 4. P. 1933–1943.
Maronga B., Banzhaf S. et al. Overview of the PALM model system 6.0 // Geosci. Model. Dev. 2020. V. 13. P. 1335–1372.
Melintescu A., Chambers S.D., Crawford J., Williams A.G., Zorila B., Galeriu D. Radon-222 related influence on ambient gamma dose // J. Envir. Rad. 2018. V. 189. P. 67–78.
Ongori J.N., Lindsay R., Newman R.T., Maleka P.P. Determining the radon exhalation rate from a gold mine tailings dump by measuring the gamma radiation // J. Envir. Rad. 2015. V. 140. P. 16-24.
Pearson J.E., Jones G.E. Soil concentrations of “emanating radium-226” and the emanation of radon-222 from soils and plants // Tellus. XVIII. 1966. V. 2. P. 655–662.
Porstendörfer J. Properties and behavior of radon and thoron and their decay products in the air // J. Aerosol. Sci. 1994. V. 25. № 2. P. 219–263.
Prasad G., Ishikawa T., Hosoda M., Sorimachi A., Janik M., Sahoo S.K., Tokonami S., Uchida S. Estimation of radon diffusion coefficients in soil using an updated experimental system // Rev. Sci. Instr. 2012. V. 83. P. 093503.
Rizzo A., Antonacci G., Borra E., Cardellini F., Ciciani L., Sperandio L., Vilardi I. Environmental gamma dose rate monitoring and radon correlations: evidence and potential applications // Environments. 2022. V. 9. P. 66.
Ryzhakova N.K. A new method for estimating the coefficients of diffusion and emanation of radon in the soil // J. Envir. Rad. 2014. V. 135. P. 63–66.
Singh B., Singh S., Virk H.S. Radon diffusion studies in air, gravel, sand, soil and water // Nucl. Tracks Radiat. Meas. 1993. V. 22. № 1–4. P. 455–458.
Sun K., Guo Q., Cheng J. The effect of some soil characteristics on soil radon concentration and radon exhalation rate // J. Nucl. Sci. Tech. 2004. V. 41. № 11. P. 1113–1117.
Tchorz-Trzeciakiewicz D.E., Rysiukiewicz M. Ambient gamma dose rate as an indicator of geogenic radon potential // Sci. Total Envir. 2021. V. 755. 142771.
Tchorz-Trzeciakiewicz D.E., Solecki A.T. Variations of radon concentration in the atmosphere. Gamma dose rate // Atmos. Envir. 2018. V. 174. P. 54–65.
Waggy S.B., Biringen S., Sullivan P.P. Direct numerical simulation of top-down and bottom-up diffusion in the convective boundary layer // J. Fluid Mech. 2013. V. 724. P. 581–606.
Wilkening M.H., Clements W.E., Stanley D. Radon flux measurements in widely separated regions. The Natural radiation environment II / Adams J.A.S. (ed.). Rice University Houston. Texas. 1972. P. 717–730.
Williams A.G., Zahorowski W., Chambers S., Griffiths A., Hacker J.M., Element A., Werczynsky S. The vertical distribution of radon in clear and cloudy daytime terrestrial boundary layers // J. Atmos. Sci. 2011. V. 68. P. 155–174.
Yakovleva V., Poberezhnikov A.D., Yakovlev G.A., Kobzev A.A., Smirnov S.V., Arshinov M. Yu. Analysis of gamma-radiation background changes during periods of atmospheric precipitation // Atomic Energy. 2021. V. 131. № 1. P. 50–55.
Yakovleva V.S., Yakovlev G., Parovik R., Smirnov S., Kobzev A. Geant4 simulation of precipitated activity-to-γ-dose rate conversion factors for radon and thoron decay products // Mathematics. 2022. V. 10. P. 293.
Ye Y., Zhang Y., Dai X., Ding D. A universal laboratory method for determining physical parameters of radon migration in dry granulated porous media // J. Envir. Rad. 2017. V. 177. P. 135-141.
Zhang K., Feichter J., Kazil J., Wan H., Zhuo W., Griffiths A.D., Sartorius H., Zahorowski W., Ramonet M., Schmidt M., Yver C., Neubert R.E.M.,Brunke E.-G. Radon activity in the lower troposphere and its impact on ionization rate: a global estimate using different radon emissions // Atmos. Chem. Phys. 2011. V.11. P. 7817–7838.