Wpływ promieniowania na organizmy ludzkie i przyrodę.
Spis treści:
1) Definicja promieniotwórczości.
2) Główne typy promieniowania.
a) Promieniowanie alfa
b) Promieniowanie beta
c) Promieniowanie gamma
3) Pozostałe rodzaje promieniowań.
a) Promieniowanie rentgenowskie
b) Promieniowanie cieplne (termiczne)
c) Promieniowanie hamowania
d) Promieniowanie reliktowe
e) Promieniowanie ultrafioletowe
f) Promieniowanie kosmiczne
g) Promieniowanie korpuskularne
h) Promieniowanie cząsteczkowe korpuskularne
i) Promieniowanie podczerwone
j) Promieniowanie elektromagnetyczne
k) Promieniowanie charakterystyczne
l) Promieniowanie
4) Wpływ promieniowania na organizm człowieka.
a) Promieniowanie jonizujące
b) Promieniowanie niejonizujące
5) Wpływ promieniowania ultrafioletowego na skórę zdrową.
6) Skutki napromieniowania ludzi
7) Wpływ promieniowania na przyrodę.
a) Na zwierzęta i rośliny
b) Na komórki i cząsteczki
c) Na efekt cieplarniany
8) Zastosowania wiązek promieniowania w medycynie i radiobiologii.
a) Zastosowania radioterapeutyczne
b) Sterylizacja radiacyjna
c) Wytwarzanie izotopów promieniotwórczych
9) Pochłanianie promieniowania przez rośliny i zwierzęta.
10) Największe katastrofy nuklearne
1) Definicja promieniotwórczości.
Promieniotwórczość występuje, kiedy jądro atomu dzieli się wytwarzając przy tym promienie lub cząstki, i tworzy jądro innego pierwiastka. Pierwiastek promieniotwórczy to taki, którego jądra dzielą się stopniowo w wyżej opisany sposób. Takie jądra są nietrwałe, zwykle, dlatego, że mają albo bardzo duże liczby masowe albo nierówno ważne liczby protonów i neutronów. Duże dawki promieniowania są śmiertelne.
2) Główne typy promieniowania.
a) Promieniowanie alfa
To strumień dodatnio naładowanych jąder helu, czyli zlepionych ze sobą dwóch protonów i dwóch neutronów. Skoro jądro atomu wyzbywa się dwóch protonów, spada on w układzie okresowym o dwie pozycje – np. z plutonu (94 protony) powstaje uran (92 protony). Cząstki alfa są na ogół mało przenikliwe. W powietrzu rzadko dolatują dalej niż na milimetry od źródła promieniowania. Przed tymi, które mają małą energię, można się zabezpieczyć nawet kartką papieru.
b) Promieniowanie beta
To strumień szybko poruszających się elektronów. Pojawia się, kiedy jeden z neutronów jądra rozpada się, tworząc proton, elektron i neutrino. Jądro „awansuje” w układzie Mendelejewa o jedną kratkę – np. z uranu (92) powstaje neptun (93), a szybki elektron wyrzucany jest z jądra (neutrino także).
c) Promieniowanie gamma
Wysyłane jest przez jądra tych spośród nietrwałych atomów, które w wyniku wcześniejszych przemian promieniotwórczych są obdarzone nadmiarem energii. Atomy wysyłając je, niejako „rozładowują się”. Promieniowanie gamma jest strumieniem fal elektromagnetycznych (a nie cząstek, jak alfa i beta). Jądro wysyłające ten rodzaj promieniowania nie zmienia swego położenia w układzie okresowym, – czyli np. uran wysyłający promienie gamma pozostaje uranem. Zarówno promienie beta, jak i gamma są bardzo przenikliwe. Do ochrony przed nimi stosuje się grube osłony np. z ołowiu.
3) Pozostałe rodzaje promieniowań.
a) Promieniowanie rentgenowskie
Rentgenowskie promieniowanie, promieniowanie X, rodzaj promieniowania elektromagnetycznego (fale elektromagnetyczne) o długości fali zawartej w przedziale od 0,1 pm do ok. 50 nm, tj. pomiędzy promieniowaniem gamma i ultrafioletowym, przy czym zakres promieniowania rentgenowskiego pokrywa się częściowo z niskoenergetycznym (tzw. miękkim) promieniowaniem gamma - rozróżnienie wynika z mechanizmu wytwarzania promieniowania: promieniowanie rentgenowskie powstaje przy przejściach elektronów na wewnętrzne powłoki elektronowe atomu, natomiast promieniowanie gamma w przemianach energetycznych zachodzących w jądrze atomowym.
Promieniowanie rentgenowskie może mieć zarówno widmo liniowe (promieniowanie charakterystyczne, przy czym energia niesiona przez kwant charakterystycznego promieniowania X wyraża się wzorem hν=Ei-Ef, gdzie: h - stała Plancka, Ei, Ef, - odpowiednio energia stanu początkowego i końcowego elektronu w atomie), jak i widmo ciągłe (powstające jako promieniowanie hamowania w procesie oddziaływania cząstki naładowanej z materią, lampa rentgenowska).
Promieniowanie rentgenowskie wykorzystuje się w badaniach strukturalnych (rentgenowska analiza strukturalna) oraz do badania pierwiastkowego składu chemicznego (rentgenowska analiza widmowa). Ponadto promieniowanie rentgenowskie szeroko stosuje się w diagnostyce medycznej. Promieniowanie rentgenowskie odkrył w 1895 W.C. Roentgen.
b) Promieniowanie cieplne (termiczne)
Promieniowanie cieplne, promieniowanie termiczne, strumień energii fal elektromagnetycznych emitowanych przez ciało znajdujące się w temperaturze większej od zera bezwzględnego.
W zależności od temperatury ciała w promieniowaniu cieplnym dominować może promieniowanie o różnej długości fal (od kwantów gamma w przypadku wczesnego Wszechświata do mikrofal w przypadku ciał o temperaturze kilku K, najczęściej jest to jednak promieniowanie podczerwone lub światło).
Podstawowe własności emisji i absorpcji promieniowania cieplnego przez ciała opisują prawa promieniowania Kirchhoffa. Zależność całkowitego natężenia promieniowania cieplnego od temperatury ciała opisuje prawo Stefana-Boltzmanna.
Rozkład długości fal promieniowania cieplnego (dla ciała doskonale czarnego w danej temperaturze) opisuje prawo promieniowania Plancka. Długość fali odpowiadająca maksimum natężenia promieniowania cieplnego opisuje prawo Wiena.
c) Promieniowanie hamowania
Promieniowanie hamowania, promieniowanie rentgenowskie lub gamma emitowane przez cząstkę naładowaną podczas jej wnikania do materii. Promieniowanie hamowania powstaje w wyniku oddziaływania cząstki z polami elektrostatycznymi jąder i elektronów w materii. Powstawanie promieniowania hamowania wykorzystuje się do uzyskiwania intensywnych wiązek promieniowania rentgenowskiego w lampach rentgenowskich.
Promieniowanie hamowania powstaje też jako uboczne promieniowanie w lampach kineskopowych (np. w telewizorze), lecz jego natężenie jest małe i równie mała jest jego szkodliwość.
d) Promieniowanie reliktowe
Reliktowe promieniowanie, mikrofalowe promieniowanie tła, izotropowe promieniowanie cieplne Wszechświata. Promieniowanie reliktowe jest pozostałością po wysokoenergetycznych kwantach gamma wypełniających wczesny Wszechświat wg modelu Wielkiego Wybuchu (Wszechświata modele). Ze względu na znaczną wartość przesunięcia ku czerwieni, energia tych fotonów odpowiada dziś promieniowaniu ciała doskonale czarnego o temperaturze 2,7 K (leży w zakresie mikrofal, maksimum rozkładu odpowiada długości fali 0,1 cm). Istnienie promieniowania reliktowego przewidywał G.A. Gamow oraz astrofizycy amerykańscy z Princeton R.H. Dicke i P.J.E. Peebles, przypadkowo odkryli je A. Penzias i R.W. Wilson (1965, Nagroda Nobla 1978). Szczegółowo promieniowanie reliktowe badał satelita amerykański COBE (Cosmic Background Explorer). Badanie równomierności promieniowania reliktowego ma wielkie znaczenie dla poznania ewolucji Wszechświata, szczególnie jego tzw. wielkoskalowej struktury.
e) Promieniowanie ultrafioletowe
Ultrafioletowe promieniowanie, ultrafiolet, nadfiolet, uv, promieniowanie elektromagnetyczne (świetlne) o częstotliwościach pomiędzy zakresem światła widzialnego a promieniowaniem rentgenowskim: odpowiada długości fali od 390 do ok. 10 nm (granica pomiędzy promieniowaniem ultrafioletowym a rentgenowskim jest umowna), dzieli się na ultrafiolet tzw. bliski (390-190 nm) i daleki (190-10 nm).
Ultrafioletowe promieniowanie, choć niewidzialne, ma silne działanie fotochemiczne - przy długości fali poniżej 300 nm wywołuje już jonizację i jest zabójcze dla organizmów żywych. Znaczne ilości promieniowania ultrafioletowego emituje Słońce - Ziemię chroni przed nim warstwa ozonowa, pochłaniająca promieniowanie ultrafioletowe o długości fali poniżej 285 nm, a także powietrze, które pochłania całkowicie promieniowanie ultrafioletowe w zakresie ultrafioletu dalekiego.
f) Promieniowanie kosmiczne
Kosmiczne promieniowanie, strumień jąder atomowych, kwantów gamma i neutronów docierających do Ziemi z przestrzeni kosmicznej (tzw. promieniowanie kosmiczne pierwotne) oraz innych cząstek, wytwarzanych przez promieniowanie kosmiczne pierwotne w reakcjach jądrowych z jądrami atomów gazów atmosferycznych (tzw. promieniowanie kosmiczne wtórne). Oprócz cząstek elementarnych w reakcjach tych tworzone są tzw. kosmogenne izotopy promieniotwórcze (np. 14C, 7Be, 10Be, 22Na itd.).
Średnia energia cząstek promieniowania pierwotnego wynosi 10 GeV, maksymalne energie są miliard razy większe. Łączny średni strumień pierwotnego promieniowania kosmicznego wynosi ok. 1400 cząstek na m2 na sekundę i na steradian, przy czym są to głównie jądra wodoru, tj. protony, stanowią one ok. 93% cząstek.
Promieniowanie pierwotne ma mieszane pochodzenie, jego głównymi źródłami są: centrum Galaktyki, otoczki gwiazd supernowych (np. mgławice planetarne), obiekty pozagalaktyczne i Słońce. W promieniowaniu wtórnym obserwuje się wszystkie rodzaje cząstek elementarnych, kolejne oddziaływania wysokoenergetycznych cząstek i cząstek wtórnych tworzą, w zależności od rodzaju padających cząstek, tzw. lawiny hadronowe (hadrony) lub tzw. lawiny elektromagnetyczne (kwanty gamma i pary negaton z pozytonem).
Natężenie i skład wtórnego promieniowania kosmicznego zależy wyraźnie od wysokości n.p.m. oraz, w wyniku oddziaływania z ziemskim polem magnetycznym, od szerokości geograficznej. W pobliże powierzchni Ziemi dociera głównie składowa mionowa (mion). Roczna dawka skuteczna otrzymywana od promieniowania kosmicznego (suma wszystkich rodzajów cząstek) dla przeciętnego mieszkańca Ziemi wynosi 0,37 mSv.
Promieniowanie kosmiczne odkrył (1910) Teodor Wulf (fizyk francuski, jezuita), pierwszymi badaczami (m.in. w eksperymentach balonowych) byli: V. Hess (od 1911), R.A. Millikan, W. Kolhrster i in. Najwięcej odkryć dokonano w tej dziedzinie w latach 1925-1965, np. odkryto wiele cząstek elementarnych (m.in. pozyton, hiperony, mezony π i K, mion, itd.).
g) Promieniowanie korpuskularne
Promieniowanie korpuskularne, strumień cząstek elementarnych, jonów, atomów cząsteczek itp. (np. alfa promieniowanie, beta promieniowanie). Ze względu na falowo-korpuskularny charakter wszystkich obiektów mikroświata (dualistyczna natura promieniowania) termin promieniowanie korpuskularne ma głównie znaczenie historyczne.
h) Promieniowanie cząsteczkowe korpuskularne
Promieniowanie cząstkowe korpuskularne, ruch cząstek materii. Zależnie od rodzaju tych cząstek i energii kinetycznej ich ruchu właściwości promieniowań są różne.
Przykładami promieniowania cząstkowo korpuskularnego są: promieniowanie alfa, promieniowanie beta oraz promieniowanie neutronowe.
i) Promieniowanie podczerwone
Podczerwone promieniowanie, promieniowanie infraczerwone, niewidzialne promieniowanie elektromagnetyczne, formalnie zaliczane do fal świetlnych, o długości fali od 760 nm do 2000 µm. Emitowane jest przez rozgrzane ciała. Wykorzystuje się je w badaniach strukturalnych (spektroskopia widma cząsteczek organicznych), w lecznictwie (diatermia), a także do obserwacji w ciemności (noktowizor, czujniki alarmowe) i w biologii. Promieniowanie podczerwone odkrył w 1800 F.N. Herschel.
j) Promieniowanie elektromagnetyczne
Promieniowanie elektromagnetyczne, zaburzenia pola elektromagnetycznego (fale elektromagnetyczne) rozchodzące się w próżni z prędkością światła, polegające na poprzecznym (wzajemnie do siebie i do kierunku rozchodzenia się fali) drganiu wektorów natężeń pól magnetycznego i elektrycznego. Zgodnie z zasadą dualizmu korpuskularno-falowego fale te można traktować jak strumienie fotonów. Promieniowanie elektromagnetyczne może mieć charakter promieniowania cieplnego lub inny: np. promieniowanie hamowania, synchrotronowe promieniowanie.
k) Promieniowanie charakterystyczne
Charakterystyczne promieniowanie, promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie rentgenowskim, odkryte przez Ch.G Barkla. Każdy pierwiastek, pobudzany do emitowania promieniowania rentgenowskiego wysyła kwanty promieni X o ściśle określonych, sobie właściwych (stąd: charakterystycznych) energiach. Promieniowanie charakterystyczne wykorzystuje się w metodach analiz chemicznych (np. PIXE). Zjawisko to znajduje proste wyjaśnienie na gruncie fizyki kwantowej. Odpowiadają mu przejścia promieniste elektronów z wysokich poziomów energetycznych na najbardziej wewnętrzne orbitale elektronowe.
l) Promieniowanie jonizujące
Jonizujące promieniowanie, rodzaj promieniowania przenikliwego, strumień wysokoenergetycznych fotonów (promieniowanie gamma lub promieniowanie rentgenowskie) albo cząstek naładowanych (np. elektronów czyli cząstek beta, cząstek alfa, protonów, jonów itp.).
Cząstki promieniowania jonizującego oddziałują elektromagnetycznie z atomami ośrodka, przez co przekazują część swojej energii elektronom ośrodka powodując jonizację...
4) Wpływ promieniowania na organizm człowieka.
a) Promieniowanie jonizujące
Promieniowanie jonizujące oddziaływuje na wszystkie organizmy żywe a więc także na człowieka, lecz jego skutki działania i następstwa zależą głównie od:
1. Rodzaju promieniowania jonizującego.
2. Natężenia tego promieniowania.
3. Czasu ekspozycji organizmu żywego.
Szkodliwy wpływ promieniowania jonizującego na organizm żywy i człowiek polega na wzbudzaniu i jonizacji atomów, które z kolei mogą prowadzić do zmian czynnościowych i morfologicznych. Jednak nie wszystkie zmiany w budowie i funkcjonowaniu materiału genetycznego organizmu ujawniają się natychmiastowo. Zwykle aby zaobserwować zmiany trzeba określonego odcinka czasu, są to tak zwane zmiany późne. Skutki napromieniowania ciała ludzkiego przedstawiono w tabeli nr 2. Biologiczne skutki promieniowania jonizującego u ludzi można podzielić na dwie grupy:
somatyczne - występujące bezpośrednio po napromieniowaniu całego ciała. Późniejsze skutki takiego napromieniowania to białaczka, nowotwory złośliwe kości, skóry, zaćma, zaburzenia przewodu pokarmowego, bezpłodność.
genetyczne - związane z mutacjami w obrębie materiału genetycznego. Małe dawki promieniowania pochłonięte jednorazowo, dają obraz morfologiczny w postaci zmutowanych organizmów dopiero w kolejnych pokoleniach. Z kolei duże dawki są najczęściej dawkami letalnymi.
Tab. Skutki napromieniowania ciała ludzkiego.
Dawka [Sv] Skutki napromieniowania
0,25 brak wykrywalności skutków klinicznych
0,25-0,50 zmiany obrazu krwi
0,50-1,00 mdłości, zmęczenie
1,00-2,00 mdłości, wymioty, wyczerpanie, zmniejszona żywotność, biegunka
2,00-4,00 mdłości, wymioty, niezdolność do pracy, pewna liczba zgonów
4,00-6,00 50% zgonów (wciągu 2 - 6 tygodni)
6,00 i więcej prawie 100% zgonów
b) Promieniowanie niejonizujące
Promieniowanie niejonizujące uważa się obecnie za jedno z poważniejszych zanieczyszczeń środowiska. Promieniowanie to powstaje w wyniku działania zespołów sieci i urządzeń elektrycznych w pracy, w domu, urządzeń elektromedycznych do badań diagnostycznych i zabiegów fizykochemicznych, stacji nadawczych, urządzeń energetycznych, telekomunikacyjnych, radiolokacyjnych i radionawigacyjnych. Negatywny wpływ energii elektromagnetycznej przejawia się tak zwanym efektem termicznym, co może powodować zmiany biologiczne (np. zmianę właściwości koloidalnych w tkankach), a nawet doprowadzić do śmierci termicznej. Pole elektromagnetyczne wytwarzane przez silne źródło niekorzystnie zmienia warunki bytowania człowieka, wpływa na przebieg procesów życiowych. Może powodować wystąpienie zaburzeń funkcji ośrodkowego układu nerwowego, układów: rozrodczego, hormonalnego, krwionośnego oraz narządów słuchu i wzroku. Ludzie pracujący w obrębie działania takiego pola są szczególnie podatni, co potwierdzają badania lekarskie, na "chorobę radiofalową" zwaną także "chorobą mikrofalową". Zespól ten charakteryzuje się następującymi objawami:
1. Pieczenia pod powiekami i łzawienie.
2. Bóle głowy.
3. Drażliwość nerwowa.
4. Wypadanie włosów.
5. Suchość skóry.
6. Oczopląs.
7. Impotencja płciowa.
8. Zaburzenia błędnika.
9. Osłabienie popędu płciowego.
10. Arytmia serca.
11. Objawy nerwicowe.
Obecność pól elektromagnetycznych ma wpływ nie tylko na człowieka lecz także na pozostałą część ożywionej natury. U roślin obserwuje się opóźniony wzrost i zmiany w budowie zewnętrznej, u zwierząt natomiast zaburzenia neurologiczne, nieprawidłowości w funkcjonowaniu układu krążenia, zakłócenia wzrostu, żywotności i płodności.
Tab. Charakterystyka wybranych rodzajów promieniowania.
Rodzaj promieniowania Właściwości Znaczenie w środowisku Do zatrzymania wystarczy
Cząstki alfa Promieniowanie korpuskularne. Tego typu promieniowanie jest charakterystyczne dla dodatnio naładowanych atomów helu, jest także emitowane przez niektóre radioizotopy, np. Uran, Rad. Promieniowanie to charakteryzuje się najmniejszą przenikliwością spośród promieniowania alfa, beta i gamma. Jest niebezpieczne, gdy źródło promieniowania dostanie się do organizmu. Kartka papieru.
Cząstki beta Promieniowanie korpuskularne. Charakterystyczne dal cząstek naładowanych dodatnio lub ujemnie, jest emitowane przez jądra niektórych radioizotopów Jest niebezpieczne, gdy źródło promieniowania dostanie się do organizmu. Może powodować oparzenia skóry. Zwykłe szkło, cienka blacha metalowa, np. z aluminium.
Promieniowanie gamma Promieniowanie elektromagnetyczne o dużej energii i małej długości fali, jest najbardziej przenikliwe spośród alfa, beta i gamma, emitowane podczas rozszczepiania jądra izotopów. Jest bardzo groźnym czynnikiem rażenia w przypadku skażeń. Powoduje zmiany w strukturze DNA i chromosomów, może wywoływać białaczkę, nowotwory skóry i kości Tarcze z metali ciężkich, np. ołowiu.
Promieniowanie rentgenowskie - X Promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali od 0,001A do 100A, rozróżnia się promieniowanie rentgenowskie miękkie (mniej przenikliwe) i twarde (bardziej przenikliwe). Jest niebezpieczne może wywoływać białaczkę. Szkło ołowiowe. gruba blacha metalowa z ołowiu, żelaza.
Promieniowanie ultrafioletowe - UV Krótkofalowe promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali 0,4nm - 10nm, stanowi 9% promieniowania słonecznego, niewidzialne dla oka ludzkiego, jest silnie pochłaniane przez warstwę ozonową. Dawki w normie działają pozytywnie, zabijając mikroorganizmy chorobotwórcze, inicjuje syntezę witaminy D
u ssaków, ptaków. Nadmierne dawki są szkodliwe dla zdrowia. (skóra, oczy) Filtry pochłaniające ten zakres promieniowania.
Promieniowanie widzialne Część promieniowania słonecznego o długości fali w zakresie 0,4-0,75?m, widzialne dla ludzkiego oka. Źródło energii decyduje o życiu na Ziemi, przebiegu procesu fotosyntezy, stymuluje procesy rozrodu i rozwoju. Warunkuje aktywność dobową i sezonową organizmów. Filtry pochłaniające dany zakres promieniowania.
Promieniowanie podczerwone Fale elektromagnetyczne o długości większej niż 0,75?m, składnik promieniowania słonecznego, niewidzialne dla oka ludzkiego, jest emitowane przez nagrzane ciała Ma duże znaczenie ekologiczne, głównie ze względu na wywoływanie efektu cieplarnianego. Wzmaga procesy produkcji biologicznej. Filtry pochłaniające ten zakres promieniowania.
Promieniowanie o wysokiej częstotliwości. Fale elektromagnetyczne o dł. fali 100 m do 1 mm. Promieniowanie tego typu jest niewyczuwalne przez zmysły człowieka. Emitowane jest przez urządzenia radio-telewizyjne, telekomunikacyjne, elektryczne i elektroniczne. Działanie negatywne w postaci efektu termicznego komórek. Blachy żelazne lub albuminowe o grubości 0,5mm oraz gęsta siatka mosiężna lub miedziana.
5) Wpływ promieniowania ultrafioletowego na skórę zdrową.
Promieniowanie słoneczne jest promieniowaniem elektromagnetycznym, mieszczącym się w zakresie od 290 do 400 nm. Obejmuje ono promieniowanie podczerwone, światło widzialne oraz promieniowanie ultrafioletowe (UV). To ostatnie dzieli się na trzy główne zakresy o różnych efektach biologicznych:
UVC,
UVB,
UVA.
UVC jest promieniowaniem o najkrótszej długości fali, tj. do 290 nm. Ma najwyższą energię, jest silnie rumieniotwórcze, ale jest prawie całkowicie pochłaniane przez warstwę ozonową atmosfery i w normalnych warunkach nie dociera na powierzchnię Ziemi.
Promieniowanie UVB o długości fali od 290 do 320 nm ma bardzo silne właściwości rumieniotwórcze, wzmaga syntezę barwnika skóry i jest odpowiedzialne za oparzenia skóry.
UVA jest promieniowaniem o długości 320-400 nm, jest mniej rumieniogenne, ale za to bardziej barwnikotwórcze od UVB. Ilość UVA docierająca do powierzchni ziemi jest znacznie większa niż UVB. Wysokie dawki UVA mogą wzmacniać odczyny rumieniowe i zwiększać niekorzystne efekty biologiczne promieniowania UVB.
Efekt działania promieniowania ultrafioletowego na skórę człowieka zależy od takich czynników jak: położenie geograficzne, zanieczyszczenie środowiska (zmniejszenie stężenia ozonu w stratosferze) oraz pora roku i dnia. Duże znaczenie odgrywa również zawód, tryb życia, wiek, a także sposób ubierania się. Skutki biologiczne działania promieniowania ultrafioletowego na skórę obserwuje się bezpośrednio i wkrótce po naświetlaniu, lub też mogą one być odległe w czasie.
Bezpośrednią odpowiedzią skóry na promieniowanie UV jest rumień, opalenizna i pogrubienie skóry. Najbardziej znanym, bezpośrednim efektem biologicznego działania promieni UV jest rumień posłoneczny. Należy podkreślić, iż każda postać rumienia jest oparzeniem, czyli zjawiskiem niekorzystnym dla skóry. Jak już wspomniano, w warunkach fizjologicznych rumień jest wynikiem działania głównie promieni UVB. Jednakże długie promienie UV w odpowiednio dużej dawce mogą wpływać na nasilenie reakcji rumieniowej, wywołanej przez promienie rumieniotwórcze.
Odległe niekorzystne zjawiska skumulowanego działania promieniowania słonecznego polegają na szybszym starzeniu się skóry i stymulacji rozwoju jej nowotworów. Długotrwała ekspozycja na UV może powodować wiele niekorzystnych zmian wyglądu skóry, jej struktury i funkcji. Całość tych zmian określa się jako starzenie skóry spowodowane światłem, czyli "photoaging". Skóra narażona na przewlekłe działanie promieni słonecznych staje się szorstka, pogrubiała, nieelastyczna. Tworzą się głębokie zmarszczki i bruzdy oraz trwałe przebarwienia. Szczególnie nasilone zmiany związane z długotrwałą ekspozycją na światło słoneczne można zaobserwować w obrębie odsłoniętej skóry karku u ludzi, którzy ze względów zawodowych przebywają przez długi okres czasu na powietrzu (rolnicy, marynarze). Winę za proces posłonecznego starzenia się skóry przypisywano początkowo głównie promieniowaniu UVB. Obecnie uważa się że w procesie tym istotną rolę odgrywają również promienie UVA, które oddziałują nie tylko na komórki naskórka, ale wnikają też głębiej, docierają do skóry właściwej, powodując niekontrolowane modyfikacje w naskórku, uszkadzają włókna kolagenenowe w skórze właściwej oraz osłabiają mechanizmy odpornościowe.
Światło słoneczne odgrywa także zasadniczą rolę w rozwoju nowotworów skóry. Proces nowotworzenia jest z jednej strony wynikiem mutagennego działania UV na komórki naskórka, z drugiej ma związek ze swoistą immunosupresją, umożliwiającą progresję nowotworów. W tym miejscu należy również przypomnieć, że promieniowanie UV jest najsilniejszym aktywatorem wolnych rodników. Jednym z najbardziej niebezpiecznych działań tych cząsteczek jest destrukcja materiału genetycznego komórki. Efektem końcowym tej agresji może być mutagenność, a w efekcie powstanie nowotworu. Nie ma zgodności, czy w procesie tym istotniejszą rolę odgrywa długotrwała ekspozycja, czy ostre nasłonecznienia, prowadzące do oparzeń słonecznych. Wiadomo, że ostre oparzeniowe odczyny posłoneczne mogą prowokować występowanie w obrębie skóry znamion barwnikowych. Liczne znamiona barwnikowe są z kolei czynnikiem ryzyka rozwoju czerniaka złośliwego. Badania epidemiologiczne w populacji białej wskazują na stały wzrost zachorowań na czerniaka skóry. Chociaż trudno wykazać bezpośredni związek pomiędzy działaniem promieni UV a czerniakiem, obecnie powszechnie panuje pogląd, że istotnym czynnikiem ryzyka w tym nowotworze są oparzenia słoneczne, zwłaszcza we wczesnym dzieciństwie.
6) Skutki napromieniowania ludzi.
Źródło ekspozycji Rodzaj narażenia lub badanej grupy Liczba przebadanych osób
Bombardowania i opad promieniotwórczy po wybuchach jądrowych Ocalałe ofiary w Japonii
Wyspiarze z Wysp Marshalla
Semipałatyńsk/Ałtaj (b. ZSRR) 86 572
2 273
30 000
Radioterapia Miednica
Kręgosłup
Skóra głowy
Pierś
Procedury z użyciem radu-224
Diagnostyka i leczenia jodem-131 193 108
13 914
27 000
4 215
3 938
55 619
Medyczne badania rentgenowskie Fluoroskopia (klatki piersiowej u gruźlików)
Badania prenatalne
Korzystanie z kontrastu torowego 77 557
44 616
11 150
Narażenie zawodowe Wydobycie uranu
Stosowanie farb radowych
Przemysł jądrowy (Japonia, Wielka Brytania, USA, Kanada) 64 479
3 746
210 573
Zanieczyszczenia środowiska Mieszkańcy okolic rzeki Tieczy (b. ZSRR) 26 485
Promieniowanie naturalne Mieszkańcy obszarów o wysokim poziomie promieniowania (Chiny, Indie)
Radon w kopalniach żelaza i cyny 106 000
3 829
W wyniku zdetonowania bomb w Japonii ludzie byli narażeni na niemal natychmiastowe promieniowanie. W przebadanej grupie 86 572 osób w tzw. Life Span Study w latach 1950 - 1990 zanotowano [2] 7 578 zgonów z powodów guzów nowotworowych. Z porównania z grupą kontrolną można wnosić, że 334 zgony można przypisać działaniu promieniowania jądrowego. W tym samym czasie, 87 z obserwowanych 249 przypadków zachorowań na białaczki można przypisać efektom napromieniowania. Z rozpatrywanej grupy żyło w roku 1991 jeszcze 38 000 osób, a więc 44% badanej populacji. Jak widać liczba zgonów spowodowana promieniowaniem wynosi zaledwie 1% wszystkich zgonów, co wyraźnie kłóci się z dość powszechnym odczuciem, które w skrajnym przypadku utożsamia napromienienie z nieuchronnością zainicjowania śmiertelnych zmian nowotworowych.
Tabela 3. Roczna śmiertelność kobiet w Nagasaki (na 100 000) badana w latach 1970-1976 [10]. Wiek kobiet dotyczy okresu, w którym przeprowadzono badania.
Wiek
[lata] Dawka [mSv] Grupa kontrolna
(nie napromieniona)
< 5 > 10
30 – 39 87 78 103
40 – 49 224 218 223
50 – 59 569 428 510
60 – 69 1303 833 1516
70 – 79 4161 3243 5305
>80 12626 13158 19634
Na podstawie danych z Hiroszimy i Nagasaki można zupełnie dobrze ocenić ryzyko wywołania choroby nowotworowej w wyniku ostrego napromieniowania. Współczynnik 0,45/Sv oznacza, że przy typowym ułamku zachorowań na śmiertelne nowotwory w grupie kontrolnej (ok. 24%), bezwzględne ryzyko zachorowania w wyniku naświetlań wynosi ok. 11%. Liczba ta zależy od płci (ryzyko zachorowań u mężczyzn wynosi ok. 9% podczas gdy u kobiet - 13% [2]), wieku i rodzaju nowotworu. Natomiast w wypadku białaczek ryzyko jest około dziesięciokrotnie niższe (1% [2]) i po około 20 latach od naświetlenia wydaje się systematycznie zmniejszać. Również w wypadku raków litych podana liczba 11% może ulec obniżeniu i to nawet ok. trzykrotnie wraz z czasem, który upłynął od momentu napromieniowania. Oszacowania te dotyczą ostrego napromieniowania. W obszarze małych dawek i mocy dawek oszacowanie ryzyka prowadzi do liczb około dwukrotnie mniejszych. Wśród ofiar Nagasaki, napromieniona grupa wskazuje na dłuższą przeżywalność, jeśli za podstawę się weźmie ludzi w wieku powyżej 55 lat. Badane kobiety zostały w czasie wybuchu napromienione niewielką dawką. Z tabeli wynika, że w grupie kobiet napromieniowanych, badanych po przekroczeniu przez nich 50 lat, śmiertelność znacząco spadła. Podany przykład ilustruje tezę, iż promieniowanie w małych dawkach może mieć dla organizmu skutek dobroczynny. Efekt taki znany jest pod nazwą hormezy radiacyjnej.
Tabela 3. Roczna śmiertelność kobiet w Nagasaki (na 100 000) badana w latach 1970-1976 [10]. Wiek kobiet dotyczy okresu, w którym przeprowadzono badania.
Wiek
[lata] Dawka [mSv] Grupa kontrolna
(nie napromieniona)
< 5 > 10
30 – 39 87 78 103
40 – 49 224 218 223
50 – 59 569 428 510
60 – 69 1303 833 1516
70 – 79 4161 3243 5305
>80 12626 13158 19634
7) Wpływ promieniowania na przyrodę.
a) Na zwięrzęta i rośliny
Setki badań na zwierzętach i roślinach wskazują, że małe dawki promieniowania skutkują zerowymi lub pozytywnymi ze względu na zdrowie skutkami. Żadne z badań nie wykazało w przekonujący, powtarzalny sposób szkodliwych skutków małych dawek. Wszystko to silnie zaprzecza LNT. Efekty dobroczynne wykazano w ponad 2000 badań przy naświetlaniu "całego ciała". Te dobroczynne skutki, to
• zmniejszenie liczby nowotworów,
• zwiększenie średniego czasu życia,
• zwiększenie szybkości wzrostu,
• wzrost wielkości i masy ciała,
• wzrost płodności i zdolności reprodukcyjnych,
• zredukowana liczba mutacji wraz ze spotęgowaniem funkcji fizjologicznych i biologicznych.
Badania, w których tych efektów nie zaobserwowano dotyczyły często zwierząt o zmniejszonej odporności lub utrzymywanych w warunkach sterylnych. Wykazano, że reakcje fizjologiczne zwierząt i roślin na małe dawki promieniowania są analogiczne efektom działania wielu naturalnych pierwiastków i związków chemicznych, które w niewielkich ilościach stanowią zasadnicze składniki pożywienia, natomiast przy wyższych stężeniach są dla organizmu toksyczne. W istocie, efekty dobroczynne promieniowania odkryto już w końcu XIX wieku.
W 1896 r. prof. W.Shrader z Uniwersytetu w Missouri, USA, stwierdził, że naświetlanie promieniami X świnek morskich zaszczepionych pałeczkami dyfterytu powodowało przetrwanie zwierząt, podczas gdy zwierzętanie naświetlone umierały w ciągu 24 godzin.
W innym badaniu, przeprowadzonym w dwóch grupach myszy (płci męskiej), po 4000 osobników każda, prowadzono napromieniowanie myszy codziennie różnymi dawkami i przy użyciu różnych mocy dawek. Porównując czas, po którym zmarła połowa osobników widać było, że przeżycie naświetlonych myszy było większe. W grupie myszy, które otrzymały 6,3 Gy/dzień, a całkowita dawka wynosiła 16,2 Gy, aż 83% myszy przeżyło, podczas gdy 50% myszy z grupy kontrolnej już nie żyła. Wydłużenie czasu życia obserwowano przy najniższych stosowanych mocach dawek 7 mGy/dzień, co jest wielkością 800 razy większą niż dopuszczalna - w myśl zaleceń ICRP - dla ludzi.
Długa ekspozycja łososi dawką 5,4 mGy/dzień spowodowała większy wzrost i przyrost masy. Nawet u potomstwa tych łososi średnia masa ciała była o 17% wyższa niż w grupie kontrolnej [8].
Z jaj naświetlonych dawką 6,4 Gy wykluwały się kurczęta, które rosły szybciej niż te pochodzące z jaj nie naświetlonych.
Dobroczynne skutki promieniowania (włączając wzrost aktywności nerwowo-mięśniowej, wczesne dojrzewanie, łatwiejsze uczenie się i zapamiętywanie informacji itp.) stwierdzono u niektórych przebadanych populacji ssaków, nie stwierdzono natomiast żadnych efektów szkodliwych, które byłyby konsystentne z LNT.
Hosoi i Yashimoto z Tohoku School of Medicine stwierdzili, że przerzuty nowotworowe w płucach myszy napromieniowanych małymi dawkami 150 600 mGy na całe ciało tuż przed zaszczepieniem myszom komórek rakowych płuc uległy zahamowaniu, przy czym dawka 150 mGy była tu dawką optymalną. Taki efekt hamowania przerzutów trwał 6 godzin przy wstępnym naświetlaniu dawką 200 mGy. Również najsilniejsze efekty osiągano, gdy naświetlanie dawką 200 mGy prowadzono na 3 godziny przed i 3 godziny po wprowadzeniu komórek rakowych. Jednocześnie wstrzyknięcie komórek rakowych naświetlonych taka samą dawką nie produkowało wspomnianego efektu, co wskazuje wyraźnie, że naświetlania działały tu na myszy, a nie na same komórki rakowe.
Wyniki badań przeprowadzonych już w 1896 r. sugerowały istnienie efektów dobroczynnych niskich dawek, jak zwiększenie odporności na infekcje, szybsze gojenie ran itp. Wobec obowiązującej doktryny LNT wyniki te są ignorowane, badania przeczące LNT były zaś bądź silnie ograniczane, bądź nie dopuszczano do nich. Dr. H.Planel z Laboratoire de Biologie Medicale we Francji, a także i inni badacze wykonali szereg eksperymentów wskazujących na stymulującą rolę małych dawek promieniowania. Działanie małych dawek okazuje się podobne działaniu witamin i minerałów, których celem jest dostarczenie organizmowi odpowiednich "sił życiowych".
Pozytywne efekty dawek dla stymulacji rozwoju i reprodukcji nasion i kiełków znane są od wielu już dekad. Stymulujące efekty małych dawek trujących substancji zostały opisane już w 1888 r. Efekty te stanowią raczej prawo, obserwowane też dla promieniowania, ciepła i zimna i właściwie dla każdego czynnika, który wpływa na funkcjonowanie komórek. Nawet antybiotyki mogą w małych dawkach powodować przyspieszony rozwój bakterii!
W roku 1987 Planel, a w 1996 Luckey, a także inni pokazali, że niedomiar naturalnego promieniowania wpływa negatywnie na rozwój mikrobów, roślin i bezkręgowców, w podobny sposób jak brak naturalnych składników pożywienia, witamin czy minerałów. Wg tych uczonych, promieniowanie jonizujące jest zasadniczym czynnikiem stymulującym życie. I z tego punktu widzenia, większość organizmów żyje w warunkach niedoboru promieniowania!
Nie ulega wątpliwości, że efekty hormetyczne były obserwowane, a dowody na ich istnienie zostały zebrane na zwierzętach, roślinach i organizmach niżej zorganizowanych. Znakomity przegląd tego zagadnienia został podany przez Calabrese'a i Baldwina. Autorzy ci - w poszukiwaniu odpowiedzi na pytanie, dlaczego ta dobrze udokumentowana hipoteza nie została zaakceptowana jako swoisty kanon - dokonali również analizy historycznej i społecznej tego zagadnienia. Oba cytowane artykuły są godne polecenia, gdyż niezależnie od problemu hormezy jako takiego, pokazują meandry dalszych losów osiągnięć naukowych, ich akceptacji [27] lub odrzucenia, wykorzystania z pożytkiem dla ogółu lub też zmarginalizowania z powodów często dalekich od szlachetnych.
b) Na komórki i cząsteczki
Dr. Gunnar Walinder, radiobiolog ze Szwecji, jak i inni biolodzy pokazali, iż powstawanie zmiany nowotworowej na poziomie komórkowym i na poziomie całego organizmu jest procesem złożonym i iteracyjnym, a rozwój zainicjowanego nowotworu z biologicznych względów nie pozwala na przyjęcie hipotezy LNT, zgodnie z którą bezpośrednie uszkodzenie podwójnej nici DNA w wyniku przejścia cząstki promieniowania jonizującego stymuluje rozwój procesów prowadzących do nowotworu. Wobec złożoności tych procesów, hipoteza LNT oparta jest więc na dość wątpliwym założeniu. Całe kolonie komórek i organizmów wykazują reakcje adaptacyjne do promieniowania, o ile reakcje immunologiczne w tych organizmach funkcjonują poprawnie. Wykazano też, że altruistyczne samobójstwo komórek, apoptoza, jest stymulowane przez promieniowanie. Zdaniem Pollycove'a i Peperiello [cytowanym w [8]): "efekty biologiczne promieniowania nie są uwarunkowane liczbą powstających mutacji DNA, ale oddziaływaniem na procesy obronne. Przy wysokich dawkach, promieniowanie je niszczy, przy niskich - stymuluje".
c) Na efekt cieplarniany
Naładowane cząstki promieniowania kosmicznego, bombardujące naszą atmosferę, mogą mieć znaczny wpływ na globalne zmiany klimatu na Ziemi.
Naukowcy zajmujący się tematem globalnego ocieplenia klimatu od wielu lat borykali się z problemem różnego zachowania się temperatury przypowierzchniowej i tej panującej w innych warstwach atmosfery. Ta pierwsza rosła nieznacznie acz wyraźnie z czasem, sugerując narastanie efektu cieplarnianego na Ziemi. Druga cały czas pozostawała jednak na niezmienionym poziomie. Na skutek tej różnorodności zachowań wielu naukowców sugerowało, że globalne ocieplenie klimatu to tylko niepotwierdzona jeszcze hipoteza.
Te niejednoznaczności próbowała tłumaczyć hipoteza angażująca zmienność pokrywy chmur na Ziemi, niestety nie potrafiła ona z wystarczającą dokładnością odtworzyć obserwowanych różnic temperatur.
Praca opublikowana w najnowszym numerze "Journal of Geophysical Research-Space Physics" przez Fangqun Yu ze State University of New York wydaje się rzucać inne światło na problem globalnego ocieplenia klimatu.
Yu przekonuje, że znaczny wpływ na globalną pokrywę chmur na naszej planecie może mieć promieniowanie kosmiczne. Zachowanie chmur nie tylko zmienia się wraz ze zmieniającym się natężeniem strumienia cząstek, ale także wygląda inaczej na różnych wysokościach nad powierzchnią Ziemi.
Poszczególne warstwy ziemskich chmur odmiennie wpływają na ziemską temperaturę: o ile chmury wysokie odbijają dochodzące do Ziemi promieniowanie słoneczne, a więc zapobiegają nadmiernemu nagrzaniu powierzchni, chmury niskie, do tworzenia których może się przyczyniać promieniowanie kosmiczne, odbijają z powrotem ku Ziemi wyemitowane przez nią promieniowanie cieplne, a więc utrudniają ochłodzenie położonych poniżej warstw.
Wpływ promieniowania kosmicznego na tempo powstawania chmur wydają się potwierdzać najnowsze badania satelitarne, dzięki którym wykryto korelację pomiędzy natężeniem promieniowania kosmicznego i rozmiarami powierzchni Ziemi pokrytymi przez chmury niskie.
Według Yu, jony wygenerowane przez zderzenia cząstek promieniowania kosmicznego z atomami atmosfery sprzyjają tworzeniu się niskich chmur i powodują, że są one bardziej gęste. Efekt jest jeszcze potęgowany przez wpływ gazów cieplarnianych generowanych przez naszą cywilizację.
8) Zastosowania wiązek promieniowania w medycynie i radiobiologii.
a) Zastosowania radioterapeutyczne
Jako urządzenie do rutynowych napromieniowań terapeutycznych znalazły zastosowanie trzy rodzaje akceleratorów : liniowe akceleratory wysokonapięciowe typu Van der Graaffa , betatrony oraz liniowe akceleratory wielkiej częstotliwości. Pierwszy typ akceleratora jest już w praktyce nieużywany. Najszerzej używane są liniowe akceleratory w.cz.
Biologiczne oddziaływanie promieniowania określa się za pomocą jonizacji, która zachodzi pod działaniem promieniowania w tkankach. Jednostką jonizacji jest 1 rad –dawka, przy której w każdym gramie substancji absorbowane jest 100 ergów energii. W celu zmniejszenia żywotności komórek niezbędne są dawki 20...30 krad. Już przy znacznie mniejszych dawkach powstają w tkankach gwałtowne zmiany, w szczególności przestają goić się rany pooperacyjne. Ogólne napromieniowanie ciała dawką powyżej 15 rad może stanowić niebezpieczeństwo dla zdrowia. Przy dawkach ogólnych ok. 700 radów następuje śmierć w ciągu dwóch –trzech tygodni na skutek porażenia organów krwiotwórczych (szpiku kostnego), a przy dawkach powyżej 1000 radów –śmierć w ciągu kilku dni, przede wszystkim w wyniku uszkodzenia mózgu i błony śluzowej jelit.
Napromieniowanie wyrażone w radach określa dawkę fizyczną, a nie biologiczną. Oddziaływanie biologiczne zależy nie tylko od wartości jonizacji, ale również od jej rozkładu w tkankach. Gęsty, zjonizowany ślad działa na komórki silniej niż kilka luźnych śladów o tej samej średniej koncentracji jonizacji. Koncentracja ta jest proporcjonalna do ilości energii traconej przez cząstkę na jednostkę długości m), czyli od tzw. współczynnika liniowego przekazywania energiidrogi (keV/ m, protony o energii 130 MeV(WLPE). Promieniowanie X 200 kV ma WLPE =3 keV/ m, a jądra odrzutu od neutronów w reakcji rozszczepienia –30...50–0.6 keV/ m.keV/
Biologiczna efektywność napromieniowania jest zależna od sposobu napromieniowania. Gdy pomiędzy kolejnymi napromieniowaniami mija czas co najmniej rzędu kilku dni, tkanka nadąż z regeneracją. Zdolność regeneracji zależy od rodzaju tkanki. Stosunkowo szybko ustępują porażenia mięśni i skóry, podczas gdy np. tkani nerwowe prawie nie regenerują się. Do napromieniowania nowotworów złośliwych stosuje się zwykle dawki 200...500 radów przez dłuższy czas.
b) Sterylizacja radiacyjna
Rozwój sterylizacj radiacyjnej został spowodowany przez rozpowszechnienie w medycynie wyrobów jednorazowych oraz sterylnych rodków opatrunkowych. Przy zastosowaniu tego rodzaju sterylizacji, proces wyjaławiania przebiega praktycznie na zimno, dzięki czemu można sterylizować wszystkie farmaceutyki i materiały medyczne nie znoszące obciążenia cieplnego. Dzięki przenikliwoci wysokoenergetycznej wiązki elektronów lub promieniowania gamma, sterylizację można realizować po zapakowaniu wyrobu. Sam proces może przebiegać w sposób ciągły, co jest szczególnie porządane przy produkcji wielkoseryjnej. Sterylizacja następuje tu jako ostania faza produkcyjna, dlatego też wszystkie fazy poprzednie mogą być niesterylne. Nie bez znaczenia jest również niska cena sterylizacji radiacyjnej, niekiedy nawet kilkakrotnie niższa od kosztów sterylizacji metodami tradycyjnymi.
Wporównniu z organizmami wyższego rzędu mikoroorganizmy odznaczają się stosunkowo dużą odpornocią na napromieniowanie Skutecznoć oddziaływania promieniowania wyrażą się za pomocą tzw. współczynnika inaktywacji, wyrażonego stosunkiem liczby mikroorganizmów, które przetrwały żywe, do liczby przed napromieniowaniem.
Dobór rodzaju i energii promieniowania jest podyktowany przede wszystkim przenikliwoscią poszczególnych rodzajów promieniowania oraz gęstoscią materiałów sterylizowanych, a także rodzajem i sposobem opakowania.
c) Wytwarzanie izotopów promieniotwórczych
Do zastosowań medycznych używa się izotopów krótkożyjących. W oddziałach izotopowych szpitali klinycznych wykonuje się badania czynnosci tarczycy, wątroby, nerek, diagnostyczne badania chorób układu krążenia i zaburzeń ukrwienia a także gospodarki wodnej. Do tego typu zastosowań stosuje się izotopy charakteryzujące się półokresem zaniku od kilku sekund do kilku dni. Stsowanie izotopów krótkożyjących zmniejsza narażenie pacjenta do niezbędnego minimum. Jeżeli chodzi o rodzaj emitowanego promieniowania, preferowane są emitery X i gamma w zakresie energetycznym od kilkunastu do kilkuset keV.
9) Pochłanianie promieniowania przez rośliny i zwierzęta.
Niezależnie od tego, w jaki sposób dojdzie do wzmożonej emisji promieniowania, organizmy żywe są potencjalnie narażone na jego skutki. W celu oszacowania ich wielkości powinniśmy znać charakter ekspozycji na promieniowanie i jego rodzaj. Przedmiotem radiosozologii nie będzie jednak obliczanie dokładnych wartości przyjętych dawek. By podjąć racjonalne działania w celu ochrony środowiska przed negatywnymi skutkami emisji promieniowania, należy szybko podjąć decyzję wobec możliwości ratowania ekosystemów w zaistniałej sytuacji radiacyjnej.
Negatywny skutek zdrowotny oddziaływania promieniowania z organizmem danego osobnika może być efektem dwojakiej ekspozycji: gdy żywa tkanka organizmu zostanie napromieniona przez emitery promieniowania jonizującego, podczas wniknięcia izotopów promieniotwórczych w struktury organizmu tego osobnika.
Szczególnie introdukcja radioizotopów do organizmu może być nadzwyczaj tragiczna w skutkach i może przyczynić się do spadku zdrowia, a nawet śmierci osobnika. Niekiedy występują obydwa typy ekspozycji jednocześnie. Niezależnie od sposobu napromienienia o negatywnym jego skutku somatycznym mogą decydować różne czynniki charakteryzujące dane promieniowanie i jego źródło.
Ryc.1 Źródła pronieniowania
i ich udział w dawce pochłoniętej
przez mieszkańca Polski (1991 r.).
Kiedy tkanka organizmu, niezależnie od jego systematycznej przynależności, zostanie napromieniona, mówimy, że przyjmuje określoną dawkę zwaną dawką pochłoniętą promieniowania. Jest to część dawki ekspozycyjnej, mierzonej przy pomocy detektorów promieniowania, na przykład liczników Geigera-Muellera (GM). W dozymetrii promieniowania stosuje się także inne oznaczenia dawek, których wartość liczy się na podstawie współczynników określonych dla różnych narządów czy tkanek. Normalnie organizmy narażone są na pochłanianie pewnych dawek promieniowania, które nie przyczyniają się do znacznego ubytku zdrowia osobników. Dawki te są wynikiem ekspozycji organizmów na promieniowanie tła.
Gdy dany organizm narażony jest na pochłonięcie znacznej dawki promieniowania, należy liczyć się z powstaniem powikłań w postaci różnych chorób, co zostało już wielokrotnie dowiedzione.
Ze względu na charakter negatywnych efektów popromiennych, możemy podzielić je na: skutki somatyczne, skutki genetyczne.
Te pierwsze objawiają się w przypadku bardzo silnego napromienienia organizmu. Medycyna miała okazję poznać tego rodzaju efekty działania promieniotwórczości, po wybuchu bomby zrzuconej na Hiroszimę 6 sierpnia 1945 r. Skutkiem somatycznym są oparzenia popromienne, choroba popromienna, białaczka i inne nowotwory, zniszczenie kośćca. Skutki somatyczne mogą jednak czasem objawiać się na inne, całkiem niespotykane sposoby. Zmiany dermatologiczne są charakterystyczne dla fali uderzeniowej, powstałej w wyniku detonacji bomby atomowej. Zwiazek Radziecki prowadząc próby nuklearne celowo praktykował wystawianie zwierząt w pewnej odległości od miejsca detonacji. W ten sposób wówczas sprawdzano reakcję tkanki okrywającej na działanie fali uderzeniowej. Skutki były opłakane. Efektem naświetlenia promieniowaniem o wysokiej mocy mogą być całkiem dziwne zachowania organizmu: wahania ciśnienia krwi, tętna, temperatury ciała, które mają niewiele wspólnego z rzeczywistym stanem poszkodowanych (w tym wypadku ludzi). Pomimo wszystko bardziej znane są radiologiczne aspekty skutków somatycznych. Badania w radiobiologii nie są w tym zakresie tak daleko posunięte, toteż nie znamy dość dobrze zmian popromiennych, które zachodzą wśród roslin i zwierząt.
Ryc.2 Dawka śmiertelna LD 50
dla wybranych grup organizmów.
W przypadku ekspozycji organizmu na promieniowanie o bardzo wysokiej mocy możliwa jest jego śmierć. Wśród rozpatrywanej populacji mogą być organizmy silniejsze i słabsze, więc dla poszczególnych osobników śmiertelna dawka pochłonięta będzie się nieco różnić. Dlatego problem ten rozpatruje się statystycznie, wprowadzając dawkę śmiertelną LD 50. Dawka ta, zwana także letalną, określa taką wartość dawki pochłoniętej, przy której następuje zgon 50% osobników populacji. Wartość tej dawki jest zdeterminowana przez powierzchnię ciała osobników rozpatrywanej grupy. Im osobnik większy, tym zaabsorbowana dawka będzie większa. Na ryc. 2 zestawiono porównanie dawek LD 50 dla różnych grup organizmów, o różnych przynaleznościach systematycznych.
Drugą ważną grupę skutków popromiennych stanowią zmiany genetyczne. Mogą one zachodzić także przy mniejszych wartościach napromienienia. W przypadku zajścia skutków somatycznych, zwykle mamy także do czynienia z wystąpieniem skutków genetycznych.
Cząstki jonizujące wywołują defekt chromosomów, które po podziale kariokinetycznym dają początek uszkodzonej helisie kwasu dezoksyrybonukleinowego. Ponieważ cząsteczka DNA jest swoistą matrycą dla tworzacego się materiału biologicznego, w przypadku jego uszkodzenia, mogą nastąpić powikłania nowotworowe. Skutki genetyczne napromienienia będą zatem odczuwać następne pokolenia. Wystąpienie nowotworu nie jest jednak przesądzone.
Ryc.3 Skutek genetyczny
w zależności od dawki
promieniowania jonizującego.
Opisując do tej pory skutki ekspozycji na promieniowanie przyjmowalem, że może ono wyrządzić jedynie szkodę dla organizmu czy też dla populacji. Opis zależności skutków od dawki byłby jednak niepełny, gdybym nie wspomniał o dwóch przyjmowanych teoriach uzależniających skutek napromienienia od wartości dawki pochłoniętej.
Do niedawna powszechnie uznawana hipoteza liniowa wskazuje na szkodliwość każdej dawki promieniowania. Jedynie dawka równa zeru jest całkowicie bezpieczna - uważają propagatorzy tej teorii. Niedawno przyjęta hormeza radiacyjna wykazuje, że dawki promieniowania bliskie zera są wręcz niekorzystne. Organizmy potrzebują pobierania określonej dawki promieniowania jonizującego i wynika to z ich ewolucyjnych przystosowań. Dopiero promieniowanie o natezeniu przekraczającym wartość dozwoloną jest szkodliwe, ale nawet nie w sposób liniowy.
Ryc.4 Ilustracja hipotezy liniowej.
Niezależnie, którą teorię przyjmiemy za prawdziwą, istnieje pewien próg szkodliwości promieniowania i nie należy podważać wiarygodności przeprowadzonych badań w zakresie radiobiologii. Myślę, że opowiadanie się za którąś z wymienionych teorii byłoby przedwczesne.
Izotopy promieniotwórcze mogą być także bezpośrednio absorbowane przez organizm, w wyniku czego gromadzą się w jego narządach. Dochodzi wtedy do skażenia wewnętrznego. O ile niektórzy twierdzą, że ekspozycja na niewielkie dawki promieniowania ma pozytywny wydźwięk zdrowotny, tak w tym przypadku nikt nie ma wątpliwości co do tego, że radionuklidy pochłonięte przez tkanki organizmu przyczynią się do drastycznego spadku jego zdrowotności. Awarie reaktorów oraz wybuchy bomb jądrowych to przyczyny emisji dużych ilości substancji promieniotwórczych do biosfery. Radioizotopy najczęściej są emitowane do troposfery w postaci drobnych pyłów, tzw. aerozoli. Następuje ich introdukcja do środowiska przyrodniczego. Osiadają na roślinach (m.in. trawach), zbiornikach wodnych, glebie. W ten sposób wchodzą w obiegi łańcuchów troficznych różnych ekosystemów. Skażenia mogą dotknąć znaczne obszary, ze względu na rozprowadzanie izotopów promieniotwórczych przez wiatr i wodę. Izotopy te kumulują się w różnych narządach organizmów, przy czym ich koncentracja wzrasta kolejno w poziomach troficznych łańcucha pokarmowego.
Następują powikłania, które w tym przypadku mogą być o wiele tragiczniejsze w skutkach od opisanych wyżej efektów ekspozycji na promieniowanie. Poszczególne narządy i tkanki pochłaniają różne izotopy, które w wyniku radiacji i dobrego kontaktu z tkanką powodują m.in. powstawanie nowotworów.
KOŚCI MIĘŚNIE PŁUCA TARCZYCA WĄTROBA
rad 226
stront 90
fosfor 32
węgiel 14 potas 40
cez 137 rad 222
uran 233
pluton 239
krypton 85 jod 131 kobalt 60
Ryc.6 Izotopy powodujące skażenie wewnętrzne narządów ciała ludzkiego.
To przyroda jest żywicielem człowieka i także on jest obecny gdzieś w sieci pokarmowej globalnego ekosystemu. Jest odbiorcą biomasy, tak roslinnej jak i zwierzęcej, która jako pokarm stanowi dla niego potencjalne źródło energii i budulca. Zatem człowiek narażony jest na wprowadzenie do organizmu izotopów promieniotwórczych zawartych w pożywieniu. W ten sposób może stać się ofiarą promieniowania, które zniszczy go w długiej walce.
10. NAJWIĘKSZE KATASTROFY NUKLEARNE.
Zastosowanie pierwiastków promieniotwórczych dla celów przemysłowych i militarnych naraża środowisko naturalne na wielkie niebezpieczeństwo. W przypadku komplikacji w obsłudze EJ do środowiska uwalniana jest bardzo duża dawka promieniowania jonizującego. Wyzwolone pyły są niebezpieczne zarówno dla terenów znajdujących się w pobliżu miejsca katastrofy, jak również dla tych całkiem odległych od centrum skażenia. Skutkiem tego jest napromieniowanie organizmów żywych, co często prowadzi do ich wczesnego wymierania.
Nim zaczęto przeciwdziałać skażeniom, na świecie miało miejsce wiele katastrof, których skutki dotknęły nasze środowisko czy też ludzi przebywających w pobliżu katastrofy. Tymi, o których warto wiedzieć, są:
Detroit (USA), 1951 r. - awaria reaktora powielającego typu EBR-1,
Windscale (Wielka Brytania), 1957 r. - pożar powielającego reaktora atomowego na skutek zapalenia się bloków grafitu,
Chalk River (Kanada), 1958 r. - wyciek wody ciężkiej zanieczyszczonej substancjami promieniotwórczymi,
Idaho Falls (USA), 1961 r. - emisja substancji radioaktywnych,
Lingen (Niemcy), 1969 r. - obfita emisja substancji radioaktywnych,
Chalk River (Kanada), 1972 r. - wyciek wody radioaktywnej,
Gundremmingen (Niemcy), 1975 r. - emisja pary radioaktywnej,
Harrisburg (USA), 1979 r. - wyciek wody radioaktywnej, emisja gazów promieniotwórczych,
Tsuruga (Japonia), 1981 r. - wyciek wody radioaktywnej, zanieczyszczenie akwenu,
Sellafield (Wielka Brytania), 1986 r. - wydostanie się paliwa radioaktywnego,
Czarnobyl (Ukraina), 1986 r. - zniszczenie reaktora jądrowego, zanieczyszczenie znacznego obszaru izotopami promieniotwórczymi.
Ostatnia z wymienionych katastrof była jedną z największych. Skażenia powstałe w jej wyniku dotknęły niemal całą Europę. Wśród mieszkańców różnych państw podejrzewa się wzrost obserwowanych powikłań, które mogły nastąpić w wyniku ekspozycji na działanie promieniowania bądź też absorpcji substancji promieniotwórczych. W Polsce do niskiego skazenia izotopami promieniotwórczymi przyczyniły się korzystne zjawiska pogodowe, jakie panowały 26 kwietnia 1986 r. Skażone powietrze w ciagu pierwszych trzydziestu godzin po awarii omijało Polskę i dopiero po 27 kwietnia wtargnęło na Podlasie. Następnie wędrowało nad wschodnią częścią Mazowsza w stronę Pojezierza Olsztyńsko-Mrągowskiego. Kolejna zmiana warunków meteorologicznych doprowadziła do przemieszczenia skażonego powietrza w stronę Polski południowo-zachodniej, nad Czechy oraz na południe Niemiec. Po 1 maja wielkość koncentracji cezu na Opolszczyźnie osiągnęła 100 kBq/m2 (kilkobekereli na metr kwadratowy) co stanowiło znaczne przekroczenie normy.
Opad cezu, jako jednego z głównych produktów wybuchu, spowodował skażenie atmosfery, zbiorników wodnych i gleby, ale mimo to aż 90% powierzchni kraju posiada obecnie niską koncentrację cezu. Średnia aktywność tego pierwiastka na terenie Polski wynosi 4,67 kBq/m2.
W środę 28 marca 1979 r. w elektrowni "Three Mile Island" koło Harrisburga wydarzyła się awaria, która wstrząsnęła społeczeństwem nie tylko Stanów Zjednoczonych, ale także państw dość odległych. Wyciek wody radioaktywnej stworzył duże zagrożenie dla flory i fauny okolicznych terenów. Elektrownia została wybudowana w odległości niespełna 4 km od dużego miasta - Harrisburga. Stanowiła zatem potencjalne zagrożenie dla ogromnej rzeszy ludności. Lokalizacja to tylko jedno z niedopatrzeń własciciela elektrowni. Posiadała ona mianowicie wady konstrukcyjne, które były przyczyną zaistnienia awarii. Firma, która prowadziła budowę tego pensylwańskiego zakładu energetycznego, nie miała na uwadze zapewnienia bezpiecznej pracy elektrowni. Liczyła się szybkość, efekt i pieniadze.
W ciągu kilku dni od wystąpienia awarii, specjaliści borykali się z usuwaniem skażeń, a także zabezpieczeniem reaktora nr 1 przed wybuchem. W górnej jego części zgromadziły się bowiem wybuchowe gazy (wodór i tlen), powstałe na skutek katalitycznego rozkładu wody. Zaistniało niebezpieczeństwo wybuchu, który spowodowałby wydostanie się do atmosfery bardzo dużej ilości izotopów. Skaziłyby one rozległy obszar, podobnie jak było 7 lat później w przypadku awarii w Czarnobylu.
Ostatecznie postawiono na aspekty ekonomiczne. Nie zaprzestano budowania elektrowni jądrowych w Stanach Zjednoczonych. Stopniowo wypierają one zakłady energetyczne wykorzystujące tradycyjne paliwa (jak ropa naftowa). Protesty stłumiono. Elektrownie jądrowe budowano dalej.