ЗАВИСИМОСТЬ ЭКСХАЛЯЦИИ РАДОНА И ТОРОНА ОТ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПО ДАННЫМ ПОЧВЕННОГО МОНИТОРИНГА

Радон (222Rn) и торон (220Rn) являются радиоактивными инертными газами, образующимися в почве при распаде урана и тория. Изучение их эманирования (эксхаляции) важно для радиационного мониторинга, геодинамических исследований и оценки рисков для здоровья

Атмосферное давление – самый значимый фактор. Это главный «насос», управляющий потоком радона.

- Падение давления (Циклон): когда атмосферное давление резко падает, грунтовый воздух, содержащий радон, как бы «высасывается» из почвы. Создается эффект поршня. Это приводит к резкому росту концентрации радона в приземном слое воздуха и в подвалах зданий.

- Рост давления (Антициклон): высокое давление давит на поверхность почвы, запирая газ в глубине. Эксхаляция снижается до минимума.

Температура воздуха и перепады (тяга).

- Холодный воздух (зима): в отапливаемых зданиях возникает мощная тяга (эффект дымохода). Теплый воздух поднимается вверх, создавая разряжение в нижней части здания (фундаменте). Это разряжение засасывает радон из грунта. Поэтому концентрация радона в доме зимой часто выше, чем летом, несмотря на промерзание грунта.

- Температурные инверсии: в безветренные холодные ночи слой холодного воздуха у земли, как крышкой, накрывает теплый воздух. Радон, выходящий из почвы, скапливается в этом приземном слое, не рассеиваясь, что приводит к локальным максимумам концентрации

Осадки и влажность почвы (эффект водяного замка).

- Дождь (запирание): вода заполняет поры в верхнем слое почвы. Растворимость радона в воде низкая, но вода создает водонепроницаемый экран («капиллярный замок»). Пока грунт мокрый сверху, радон не может выйти наружу — происходит накопление газа под слоем воды.

- Просыхание (прорыв): как только верхний слой подсыхает, весь накопленный за период дождя радон вырывается наружу (часто наблюдается вечером после дождливого дня).

- Промерзание (Ледяная корка): мерзлая почва и снег действуют как изолятор, почти полностью блокируя эксхаляцию.

Ветер.

- Обдув здания: ветер, ударяя в стену дома, создает область повышенного давления с наветренной стороны и пониженного (разряжение) с подветренной и на крыше. Это разряжение усиливает отсос радона из подполья и подвала (аэродинамическая тяга).

- Вентиляция грунта: сильный ветер над поверхностью почвы создает турбулентность, которая ускоряет диффузию радона из верхних слоев почвы (увеличивает конвективный массоперенос)

Цель данной работы — на основе экспериментальных данных выявить характер и тесноту связей между концентрацией радона и торона и ключевыми метеопараметрами, оценить стабильность изотопов и построить прогнозные регрессионные модели для данного случая.

Летом (15-16 августа) 2023 года были проведены измерения объемной активности радона в почвенном воздухе на территории с. Кояново Пермского края. Объемная активность радона в почвенном воздухе измерялась на глубине 0.5 м. Измерения проводились с помощью прибора производства фирмы SARAD GmbH (Германия) RTM 1688-2 Geo Station

Работа этого прибора основана на полупроводниковом методе измерения в сочетании с электростатическим осаждением продуктов распада радона на детектор. Кроме концентрации радона, прибор измеряет концентрацию торона, атмосферное давление, температуру и влажность измеряемой среды. Благодаря высокой чувствительности и альфа спектроскопическому анализу, время реакции прибора близко к физическому пределу, даже в случае низких концентраций радона. Работа прибора обеспечивается специальной компьютерной программой Radon Vision Software, которая позволяет обрабатывать полученные данные.

Для измерения почвенного газа (вместо внутренней измерительной камеры как у большинства приборов подобного типа) используется подключаемый отдельный зонд с измерительной камерой. Корпус зонда выполнен из высококачественной стали, диаметр его составляет 80 мм. Наряду с измерительной камерой радона, в устройство интегрированы сенсоры температуры и влажности. Малое время отклика, при резком изменении концентрации газа, достигается наличием большой силиконо-диффузионной мембраны. Зонд подключается через кабель длиной до 10 метров к аналоговому датчику радона. Этот датчик рассчитывает текущую концентрацию радона и вырабатывает на выходе аналоговый сигнал. При измерении радона (торона) зонд зарывается в грунт на выбранную глубину.

Измерения проводились автоматически в течение суток (с 20:30 до 19:00 следующего дня) с шагом 30 минут, всего получено 46 замеров следующих параметров:

· Концентрация радона(222Rn) и торона (220Rn), Бк/м³;

· Температура и влажность почвенного воздуха на глубине 0,5 м;

· Температура, влажность и атмосферное давление приземного воздуха;

· Расчётные разности температур и влажностей между средой и почвой

Данные измерений, а также данные разности температуры и влажности между параметрами почвенного воздуха и атмосферного воздуха представлены в таблице 1. Метеопараметры атмосферного воздуха были взяты из архива метеостанции Пермь/Большое Савино (аэропорт).

Статистическая обработка полученных данных включает:

1. Расчёт коэффициентов корреляции Пирсона (r );

2. Построение уравнений линейной и множественной регрессии;

3. Вычисление коэффициента детерминации (R2 );

4. Расчёт абсолютной (А = Cmax – Cmin) и относительной (Arel = A/Cmean × 100%) амплитуд;

5. Проверку статистической значимости корреляций при n = 46 (rкрит ≈ 0,29, ɑ = 0,05).

3.1. Анализ временной динамики

Наибольшие концентрации радона наблюдались в ночные и утренние часы (22:30–05:00) при минимальной температуре воздуха (14–17°C). С прогревом воздуха до 30–32°C после 12:00 концентрация радона устойчиво снижалась (рис. 1). Торон демонстрировал хаотичные кратковременные всплески (например, в 3:30, 13:00, 17:00) без чёткой привязки к суточному ходу температуры.

Периоды наиболее интенсивной эксхаляции (выхода газа из почвы):

· Утренний пик (07:30 – 11:30): концентрация радона упала с 14 802 до 11 419 Бк/м³ при росте температуры воздуха на 11°C и падении влажности — эффект «теплового насоса».

· Вечерний выброс (18:00 – 18:30): падение радона с 13 479 до 12 399 Бк/м³ на фоне максимально прогретой почвы и начинающегося охлаждения атмосферы.

3.2. Корреляционный анализ

Для радона (222Rn):

· С температурой воздуха: слабая отрицательная связь (r = – 0,26) — при потеплении концентрация в почве снижается (усиление конвекции).

· С атмосферным давлением: связь практически отсутствует (r = 0,08).

· С влажностью воздуха: слабая положительная связь (r = 0,22).

· С влажностью почвы: слабая отрицательная (r = – 0,16) – заполнение пор водой вытесняет газ или блокирует накопление.

Для торона (220Rn):

· Все коэффициенты корреляции с макрометеопараметрами не превышают ׀r׀<0,15, что статистически незначимо (r < rкрит).

· Поведение торона определяется локальной генерацией в радиусе нескольких сантиметров от датчика из-за периода полураспада 55,6 с.

3.3. Регрессионные модели и коэффициент детерминации

Модель для радона:

Rn = 189507,5 – 279,0 × Татм – 67,8 × Hатм – 220,3 × Pатм

R2=0,1837 — метеопараметры объясняют около 18,4% вариаций радона. Каждый градус потепления воздуха снижает концентрацию радона примерно на 279 Бк/м³. Рост давления на 1 мм рт. ст. снижает концентрацию на 220 Бк/м³ («прижимающий» эффект).

Модель для торона:

Tn = – 18399,2 – 1,2 × Татм – 0,5 × Hатм – 25,7 × Pатм

R2= 0,0037 — связь практически отсутствует (<0,4%), прогнозирование невозможно.

Относительная амплитуда торона почти в три раза выше, что указывает на его крайне низкую стабильность и подтверждает различную природу транспорта изотопов.

Проверка статистической значимости

При n = 46 критическое значение коэффициента Пирсона rкрит ≈ 0,29 (ɑ = 0,05).

· Для радона ׀rтемп׀=0,26<0,29 — корреляция с температурой находится на грани значимости, требуется большая выборка для подтверждения.

· Для торона все ׀r׀<0,15 — связи статистически незначимы, колебания носят случайный характер относительно макрометеоусловий.

В процессе исследования получены следующие результаты.

1. Зависимость от метеофакторов: динамика концентрации почвенного радона в основном обусловлена суточным ходом температуры воздуха (r = 0,26). Отрицательная связь указывает на интенсификацию эксхаляции в дневные часы за счёт тепловой конвекции.

2. Стабильность изотопов: относительная амплитуда торона (114,5%) втрое превосходит амплитуду радона (41,2%). Торон не зависит от крупномасштабных атмосферных процессов и контролируется микроусловиями в точке измерения.

3. Влияние давления и влажности: атмосферное давление и влажность почвы в исследованный период дают минимальный вклад. Совокупность метеопараметров объясняет лишь 18,4% дисперсии радона (R2=0,1837), что указывает на превалирующую роль геологических факторов (эманирующая способность пород, микротрещиноватость).

4. Прогностическая ценность: полученное уравнение множественной регрессии для радона не является всеобщим и универсальным. Однако, по мнению автора, может применяться для краткосрочного прогноза почвенного радона в аналогичных условиях. Для торона построение прогноза на основе метеоданных невозможно.