Когато първичното космично лъчение достигне земната атмосфера, високоенергийните йонизиращи частици взаимодействат с атомите и молекулите на въздуха, при което се пораждат множество електрически заредени и неутрални йонизиращи частици. Те от своя страна създават “лавини” от нови йонизиращи частици в атмосферата и се поражда вторично космично лъчение, което се състои от фотони (гама-кванти), електрони, неутрони и други елементарни частици. Интензивността на вторичното космично лъчение е максимална на височина 20-25 км от земната повърхност. С намаляване на височината неговата интензивност намалява, като на морското равнище достига своя минимум.
Интензивността на космичното лъчение зависи както от височината спрямо морското равнище, така и от местоположението (географската ширина) на даден район от земното кълбо. Интензивността на космичното лъчение в полярните области на Земята е с около 10% по-висока в сравнение с екваториалната област.
Атмосферата, която обгръща Земята и се върти като едно цяло с нея, се простира на височина около 1000 км. Атмосферата може да се оприличи на “щит”, който обгръща Земята и поглъща голяма част от космичното лъчение, насочено към нея, като забавя или спира мощните потоци от високоенергийни частици, идващи от Космоса. Благодарение на този “противорадиационен щит” значително отслабва йонизиращата радиация, която въздейства върху Земята. С увеличаване на надморската височина дебелината на защитния атмосферен слой намалява и затова нивото на облъчване от космичното лъчение във високопланински местности е по-голямо отколкото на морското равнище, където защитният слой е най-дебел и по-плътен. Например на връх Еверест, най-високата точка на Земята (8848 метра), въздействието на космичното лъчение е около 20 пъти по-интензивно в сравнение с районите на морско равнище.
Земята има още един естествен щит, който смекчава въздействието на космичното лъчение върху нейните обитатели – това е земното магнитно поле. Земята може да се оприличи на един гигантски магнит, чието магнитно поле отклонява част от електрически заредените частици, идващи от Космоса, като ги принуждава да заобикалят покрай нашата планета. Друга част от заредените космични частици под въздействие на земното магнитно поле се отклоняват (завихрят) в района на екватора и се концентрират в областта на полюсите, в съответствие с конфигурацията и направлението на магнитните силови линии, обкръжаващи Земята. Затова интензивността на космичното лъчение в екваториалните области на Земята е минимална, а в районите на северния и южния полюс е максимална. Поради наличието на земно магнитно поле интензивността на космичното лъчение се променя в зависимост от географската ширина. Например, при около 50 градуса северна ширина (Лондон, Москва, Токио, Ню-Йорк) облъчването от космичното лъчение е с около 30% – 40% по-голямо в сравнение с облъчването в географски области, разположени от двете страни на екватора, с географска ширина до около 15 градуса.
Космичното лъчение е природна даденост и облъчването от него не може да се предотврати и да се управлява от човека по никакъв начин. Типичната стойност на средната индивидуална годишна доза, която се получава при външно облъчване от космичното лъчение за средни географски ширини на Земята, включително за България, е равна на 0,4 mSv/y (0,4 милисиверта за година).
В земната кора (почви, скали, минерали) и околната жизнена среда (въздух, вода, флора, фауна) се съдържат най-различни естествени радионуклиди от космичен и земен произход. Естествени радиоактивни елементи се съдържат също в хранителните продукти и в човешкия организъм.
Естествените радионуклиди от земен произход могат да бъдат групирани по следния начин:
– радионуклиди от съществуващите в природата три естествени радиоактивни “семейства”: уран-радиевото семейство с родоначалник уран-238 (период на полуразпадане 4,5 милиарда години), ториевото семейство с родоначалник торий-232 (период на полуразпадане 14 милиарда години) и актиниевото семейство с родоначалник уран-235 (период на полуразпадане 700 милиона години), които включват общо 47 различни радионулиди;
– радионуклиди от средната част на Менделеевата таблица – общо 12 на брой, всички с период на полуразпадане над 10 милиарда години, от които главните са калий-40, рубидий-87, калций-48.
Тези радионуклиди са образувани в резултат на първичните процеси при формирането на Земята като планета и се наричат “първични радионуклиди”. Най-високо е съдържанието на естествени радионуклиди във вулканичните скали (например гранит). Високо е съдържанието на естествени радионуклиди и в земни утаечни породи като глина, фосфати и други природни минерали.
Поради изключително големите периоди на полуразпадане, съизмерими с възрастта на Земята, родоначалниците и дъщерните продукти на трите естествени радиоактивни семейства, както и останалите природни радионуклиди (калий-40 и др.) продължават да съществуват в земната кора до наши дни.
Наличието на естествени радионуклиди в земната повърхност води до външно облъчване, като мощността на дозата от земното лъчение е право пропорционално на количеството (концентрацията) на естествените радионуклиди в почвата. Концентрацията на радионуклиди в почвата зависи от радиоактивността на веществата, от които е съставена почвата и от процесите на сорбция, отлагане и отмиване на радионуклиди при въздействието на природни води върху нея.
Естественият гама-фон над земната повърхност се създава главно от радионуклидите, които се съдържат в горния почвен слой с дебелина около 30 cm. Поради екраниращия ефект на почвата, гама-лъчението от естествените радионуклиди, намиращи се на по-голяма дълбочина от 30 cm, значително отслабва и не играе съществена роля при формирането на гама-фона.
35% от външното облъчване в резултат на естественото гама-лъчение от земната повърхност се дължи на калий-40, 25% – на гама-излъчващите радионуклиди от семейството на уран-238 (главно олово-214 и бисмут-214) и 40% – на гама-излъчващите радионуклиди от семейството на торий-232 (главно талий-208 и актиний-228). Изледванията в много страни по света показват, че е напълно нормално естественият гама-фон, дължащ се на земното лъчение, да се различава до 6 пъти за различните райони по света. Общоприето е естественият гама-фон да се измерва на височина 1 m от земната повърхност.
Населението, което живее в планински местности и райони, богати на гранити, минерали и почви с високи концентрации на естествени радионуклиди, е подложено на по-високо външно облъчване. Гама-фонът в такива места по принцип е по-висок.
Когато се оценява облъчването на населението от естествени радионуклиди, трябва да се отчита факта, че значителна част от времето си човек пребивава в сгради, където живее и работи. По принцип стените, подовете и покривите на сградите екранират (отслабват) външния гама-фон. От друга страна обаче строителните материали (тухли, бетон, гипс), от които са изградени сградите и жилищата, съдържат естествени радионуклиди с най-различни концентрации. Това води до облъчване на хората, пребиваващи в сградите. Гама-фонът вътре в сгради, изградени от тухли, бетон и гранит, като правило е по-висок от този в дървени постройки. Резултатите от проведените по света изследвания показват, че гама-фонът вътре в помещенията на сгради е средно с 20% по-висок отколкото на открито. Това зависи от количественото съдържание на естествени радионуклиди в използваните строителни материали и от локалния гама-фон на открито.
При оценката на средната годишна ефективна доза за населението на Земята се отчита разделно облъчването от естествени радионуклиди, което се получава на открито и вътре в сгради. Приема се, че съвременният човек прекарва средно 80% от времето си в сгради (19 часа за денонощие), а 20% от времето пребивава на открито (5 часа за денонощие), което означава, че естественото външно облъчване при престоя на човек в сгради е доминиращо спрямо облъчването на открито.
Установено е, че гама-лъчението, дължащо се на естествените радионуклиди в земната повърхност и в строителните материали, води до външно облъчване, което средно за света се оценява на 0,5 mSv за една година (0,5 mSv/y). За 95% от населението на Земята средната индивидуална годишна ефективна доза от естественото земно гама-лъчение варира в диапазона от 0,3 mSv/y до 0,6 mSv/y.
Гама-фонът от земното лъчение на открито се променя при дъждовно време и снеговалеж. Снежната покривка намалява с около 10% до 20% гама-фона в дадена местност, поради екраниращия ефект. Дъждовете смъкват върху земната повърхност естествени радионуклиди (радиоактивни аерозоли), съдържащи се в приземния атмосферен въздух (водата отмива прахообразните частици от въздуха) и вследствие на това гама-фонът може да нарастне с 20% до 50% в дадена местност (особено при обилни дъждове и в началните часове на валежа). Влиянието на метеорологичните условия винаги трябва да се отчита, когато се оценява гама-фона по места, защото измерените моментни стойности могат да флуктуират в рамките на около 50% за определен интервал от време (часове или денонощия).
И така, средната за света годишна ефективна доза от външно облъчване на лица от населението, дължаща се на космичното лъчение (0,4 mSv/y) и земното лъчение (0,5 mSv/y), е равна сумарно на 0,9 mSv/y .
Освен външно облъчване, естественият радиационен фон предизвиква и вътрешно облъчване, когато определени радионуклиди от естествен произход попаднат в човешкия организъм при вдишване и поглъщане.
Основните радионуклиди от уран-радиевото и ториевото семейство, които водят до вътрешно облъчване на човека, са уран-238, радий-226 и торий-232. Радионуклидите от земен произход попадат в човешкия организъм при вдишване на прахообразни частици, повдигнати от земната повърхност и при поглъщане на хранителни продукти и вода. С изключение на полония, който се натрупва в меките тъкани (мускули), всички останали природни алфа-нуклиди се натрупват главно в костите на човешкия организъм. Вътрешното облъчване от торий-232 е около 3 пъти по-малко от вътрешното облъчване, дължащо се на уран-238. От известните 13 изотопа на радия основен принос за вътрешното облъчване има радий-226, който постъпва в човешкия организъм главно чрез храната.
Друг основен източник на естествено вътрешно облъчване е радионуклида калий-40, който попада в човешкия организъм предимно с храната. Природният калий съдържа два стабилни изотопа: калий-39 (93,08%) и калий-41 (6,91%) и един нестабилен (радиоактивен) изотоп – калий-40 (0,01%) с период на полуразпадане 1,3 милиарда години. Навсякъде в природата това процентно съотношение между трите изотопа на калия е едно и също. Всички живи организми в природата съдържат в себе си калий, който е типичен биоелемент. Живите организми, усвоявайки калий, не променят неговия нуклиден състав.
Концентрацията на калий-40 в хранителните продукти варира в широки граници – от 20 до 600 Bq/kg . В човешкия организъм съдържаниято на калий варира в зависимост от възрастта в границите от 1,0 до 2,5 g/kg. Калият е концентриран в мускулите на човека. В младите хора съдържанието на елемента калий, респективно на радиоактивен калий-40, е около 2 пъти по-голямо отколкото при възрастните хора. Средната специфична активност на калий-40 в човешкия организъм е 60 Bq/kg.
Средната годишна ефективна доза, която получава населението на Земята при вътрешно облъчване от естествени земни радионуклиди (главно уран-238, радий-226, торий-232, калий-40), съдържащи се в човешкия организъм, се оценява на 0,3 mSv/y .
Космогенни радионуклиди се образуват при взаимодействие на космичното лъчение с атомните ядра, влизащи в състава на атмосферата и в много по-малка степен при взаимодействие с атомни ядра, съдържащи се в земната кора. Известни са около 20 космогенни радионуклиди, от които основните са тритий, въглерод-14, берилий-7, натрий-22, фосфор-32, сяра-35, хлор-36.
При оценка на вътрешното облъчване от космогенни радионуклиди се отчита радиационното въздействие, дължащо се на въглерод-14 и тритий (за въглерод-14 годишната ефективна доза от вътрешно облъчване е около 0,001 mSv/y,) а за тритий е много по-малка. Вътрешното облъчване, дължащо се на радионуклиди с космогенен произход, е пренебрежимо малко в сравнение с вътрешното облъчване от радионуклиди със земен произход.
Най-голям принос за вътрешното облъчване на населението на Земята има естественият радиоактивен елемент радон (радон-222) с атомен номер 86 в Менделеевата таблица на химичните елементи. Средната годишна ефективна доза, която получава човек в резултат на вдишването на радон и неговите краткоживущи дъщерни продукти, съдържащи се в атмосферния въздух, се оценява на 1,2 mSv/y. Следователно естественото вътрешно облъчване, дължащо се на радона и дъщерните му продукти (1,2 mSv/y), е 4 пъти по-голямо от вътрешното облъчване , дължащо се на естествениет радионуклиди от земен и космогенен произход (0,3 mSv/y ).
Радонът (радон-222) е радиоактивен инертен (благороден) газ, по-тежък от въздуха. Образува се при алфа-разпадането на атомните ядра на радий-226, който е дъщерен продукт на уран-радиевото семейство с родоначалник уран-238. От своя страна при радиоактивното разпадане на газообразния радон-222 (3,8 дни период на полуразпадане) се образува верига от нови радиоактивни продукти в твърдо агрегатно състояние, а именно полоний-218, полоний-214, бисмут-214 и олово-214 (краткоживущи дъщерни продукти на радона с периоди на полуразпадане под 30 минути). Тези дъщерни радионуклиди на радона прилепват към съществуващите микроскопични прахообразни частици във въздуха (аерозоли) и при вдишване попадат и се задържат в дихателната система на човешкия организъм.
Вътрешното облъчване се дължи именно на вдишваните краткоживущи продукти на радона, а не на самия радон, който е инертен (благороден) газ. От гледна точка на радиационната защита всички радиоактивни благородни газове са източник само на външно облъчване, защото по природа те са химически инертни и не влизат в биохимични взаимодействия с веществата, съдържащи се в човешките тъкани и органи, като се изхвърлят от белите дробове при издишване. В резултат на много научни изследвания е установено, че 98% от вътрешното облъчване на човека се получава в резултат на вдишването на дъщерните продукти на радона, въздействащи върху бронхиалния епителиум, а само 2% се дължат на радиоактивното разпадане на самия радон (радон-222).
Естественият уран е разпространен по цялата земна кора, като неговото съдържание се оценява средно на 3.10-4% (средно около 3 грама в 1 тон земна маса). Съответно радонът, като член на уран-радиевото семейство, е разпространен навсякъде по земята – в почви, скали, минерали, води. Част от радона, който се образува по естествената верига уран-радий-радон, постъпва от земната повърхност (почва, скали, води) в атмосферния въздух. Разпространението на радона по въздушен път в околната среда става чрез естествена дифузия и конвекция и зависи от редица природни и климатични фактори – атмосферно налягане, температура на въздуха, валежи, вятър, релеф и други природни особености.
Концентрацията на радон в атмосферата намалява с учеличаване на надморската височина. Освен това концентрацията на радон в атмосферния въздух се променя в зависимост от климатичния сезон, като най-високи стойности се регистрират през летните месеци. В рамките на денонощието концентрацията на радон в атмосферата също се променя (максимум се наблюдава през нощта, а минимум – през деня).
Типичната средна концентрация на радон в приземния атмосферен въздух на открито е 10 Bq/m3. Като правило, концентрацията на радон в сгради е по-висока и зависи от вида на строителните материали. Типичната средна концентрация на радон в сгради е 40 Bq/m3.
И така, годишна ефективна доза от вътрешно облъчване на лица от населението, дължаща се на радона (1,2 mSv/y) и на останалите радионуклиди от земен и космогенен произход (0,3 mSv/y), е равна сумарно на 1,5 mSv/y .
Следователно средната за света годишна ефективна доза от общото външно и вътрешно облъчване, дължащо се на естествения радиационен фон, е равна на 2,4 mSv/y. 50% от тази доза (1,2 mSv/y) се дължи на радона и неговите краткоживущи дъщерни продукти, съдържащи се в атмосферния въздух, 37,5% (0,9 mSv/y) – на външното земно и космично лъчение, а 12,5% (0,3 mSv/y) – на радионуклидите от земен произход, инкорпорирани в човешкия организъм.