В работе представлены результаты мониторинга объемной активности радона (222Rn) и торона (220Rn) в почве на глубине 0,5 м в корреляции с изменениями метеорологических условий (температура, влажность, атмосферное давление). Установлено, что радон проявляет выраженную суточную динамику с относительной амплитудой колебаний 41,2%, обусловленную температурным градиентом между почвой и атмосферой. Выявлена отрицательная корреляционная связь (r = – 0,26) между концентрацией радона и температурой воздуха, что свидетельствует об интенсификации эксхаляции газа в дневные часы. В отличие от радона, торон характеризуется высокой нестабильностью (амплитуда 114,5%) и отсутствием значимых корреляционных связей с макрометеопараметрами (R2<1%), что объясняется его коротким периодом полураспада и зависимостью от локальных микроусловий диффузии. Атмосферное давление и влажность почвы в исследованный период оказали минимальное влияние. Полученные данные могут быть использованы для краткосрочного прогнозирования радиационного состояния приземного слоя атмосферы.
1. Введение
Радон (222Missing Mark : supRn) и торон (220Missing Mark : supRn) 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
[1][2]
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
[3][4][5]
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)
[6][7][8][9]
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.
2. Методы и принципы исследования
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 [10], который представляет собой стационарную систему для измерения концентрации радона в почвенном воздухе.
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:
·
·
·
· [11]
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).
Результаты измерений в почвенном воздухе радона, торона и метеорологических параметров
| Время часы:минуты | 3 | 3 | Температура на глубине почвы 0,5 м, ºС | Влажность почвенного воздуха на глубине 0,5 м, % | мм рт. ст. | Температура атмосферного воздуха, ºС | Влажность атмосферного воздуха, % | Разница температур между атмосферным и почвенным воздухом, ºС | Разница влажности между атмосферным и почвенным воздухом, % |
| 20:30 | 12653,7 | 531 | 16 | 93,7 | 748 | 25 | 54 | 9 | -39,7 |
| 21:00 | 11315 | 991,3 | 15,7 | 94 | 748 | 23 | 61 | 7,3 | -33 |
| 21:30 | 15431,7 | 915 | 15,5 | 95 | 748 | 22 | 65 | 6,5 | -30 |
| 22:00 | 13419,7 | 442,7 | 15,5 | 95 | 748 | 22 | 57 | 6,5 | -38 |
| 22:30 | 16158,3 | 975 | 15,5 | 95 | 748 | 19 | 73 | 3,5 | -22 |
| 23:00 | 16617 | 496,7 | 15,5 | 95 | 748 | 19 | 68 | 3,5 | -27 |
| 23:30 | 14271,3 | 823 | 15,5 | 95,3 | 748 | 19 | 68 | 3,5 | -27,3 |
| 0:00 | 17227,7 | 628,3 | 15,5 | 96 | 748 | 17 | 73 | 1,5 | -23 |
| 0:30 | 14428,7 | 576,7 | 15,2 | 96 | 748 | 18 | 73 | 2,8 | -23 |
| 1:00 | 14769 | 655,3 | 15 | 96 | 748 | 17 | 73 | 2 | -23 |
| 1:30 | 13611,7 | 815,3 | 15 | 96 | 748 | 17 | 73 | 2 | -23 |
| 2:00 | 15860,7 | 488 | 15 | 96 | 748,3 | 17 | 73 | 2 | -23 |
| 2:30 | 14904,7 | 744,3 | 15 | 96 | 748 | 15 | 82 | 0 | -14 |
| 3:00 | 14542 | 695 | 15 | 96 | 748 | 16 | 77 | 1 | -19 |
| 3:30 | 15377 | 1269 | 15 | 96 | 748 | 15 | 77 | 0 | -19 |
| 4:00 | 15997,7 | 864,7 | 15 | 96 | 748,3 | 15 | 82 | 0 | -14 |
| 4:30 | 15114,7 | 730,7 | 15 | 96 | 749 | 15 | 77 | 0 | -19 |
| 5:00 | 16327,7 | 949,3 | 15 | 96 | 749 | 14 | 82 | -1 | -14 |
| 5:30 | 12781,3 | 696,3 | 15 | 96 | 749 | 14 | 82 | -1 | -14 |
| 6:00 | 13322,7 | 685,7 | 15 | 96 | 749 | 14 | 82 | -1 | -14 |
| 6:30 | 15990,7 | 815,3 | 15 | 96,7 | 749 | 15 | 82 | 0 | -14,7 |
| 7:00 | 14802,3 | 604 | 15 | 97 | 749 | 16 | 83 | 1 | -14 |
| 7:30 | 13310 | 960,7 | 15 | 97 | 749 | 18 | 73 | 3 | -24 |
| 8:00 | 14082 | 1174 | 15 | 97 | 749 | 19 | 68 | 4 | -29 |
| 8:30 | 13604,7 | 637,3 | 15 | 97 | 749 | 21 | 64 | 6 | -33 |
| 9:00 | 14388,7 | 1095,7 | 15 | 97 | 749 | 22 | 65 | 7 | -32 |
| 9:30 | 14350,3 | 605,3 | 15 | 97 | 749 | 24 | 57 | 9 | -40 |
| 10:00 | 14467 | 632 | 15 | 97 | 749 | 25 | 57 | 10 | -40 |
| 10:30 | 14049 | 671 | 15 | 97 | 749 | 26 | 51 | 11 | -46 |
| 11:00 | 11419,3 | 766,3 | 15 | 97 | 749 | 27 | 51 | 12 | -46 |
| 11:30 | 13928 | 652,7 | 15 | 97 | 749 | 29 | 40 | 14 | -57 |
| 12:00 | 14041,7 | 792,3 | 15 | 97 | 749 | 30 | 38 | 15 | -59 |
| 12:30 | 15103 | 924,3 | 15 | 97 | 749 | 30 | 33 | 15 | -64 |
| 13:00 | 13350,3 | 1295,3 | 15 | 97 | 749 | 31 | 31 | 16 | -66 |
| 13:30 | 13677,7 | 751,3 | 15 | 97 | 749 | 30 | 35 | 15 | -62 |
| 14:00 | 13824,3 | 1114,3 | 15 | 97 | 749 | 31 | 29 | 16 | -68 |
| 14:30 | 13581 | 736 | 15 | 97 | 749 | 32 | 27 | 17 | -70 |
| 15:00 | 13419,3 | 465,3 | 15 | 97 | 749 | 31 | 29 | 16 | -68 |
| 15:30 | 15250,3 | 670,7 | 15 | 98 | 749 | 32 | 27 | 17 | -71 |
| 16:00 | 14362 | 622,7 | 15 | 98 | 749 | 31 | 29 | 16 | -69 |
| 16:30 | 12493,3 | 618,3 | 15 | 98 | 749 | 31 | 29 | 16 | -69 |
| 17:00 | 13706,7 | 1341,7 | 15 | 98 | 748,3 | 32 | 27 | 17 | -71 |
| 17:30 | 14444 | 806,3 | 15 | 98 | 749 | 32 | 29 | 17 | -69 |
| 18:00 | 13479,7 | 553,3 | 15 | 98 | 748,3 | 31 | 31 | 16 | -67 |
| 18:30 | 12399,3 | 883 | 15 | 98 | 748,3 | 31 | 31 | 16 | -67 |
| 19:00 | 15643,7 | 626,3 | 15 | 98 | 748,3 | 30 | 33 | 15 | -65 |
Статистическая обработка полученных данных включает:
1. Расчёт коэффициентов корреляции Пирсона (
2. Построение уравнений линейной и множественной регрессии;
3. Вычисление коэффициента детерминации (
R2
4. Расчёт абсолютной (
5. Проверку статистической значимости корреляций при
3. Основные результаты
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):
·
·
Для радона (222Missing Mark : supRn):
· (r = – 0,26)
· (r = 0,08).
· (r = 0,22).
· (r = – 0,16)
Для торона (220Missing Mark : supRn):
· ׀r׀<0,15(r < rкрит)
·
Модель для радона:
R2=0,1837
Модель для торона:
R2= 0,0037
4. Обсуждение
Амплитуда колебаний и стабильность
| Газ | Бк/м³ | Бк/м³ | Бк/м³ | Абсолютная амплитуда А | , % |
| Радон | 14353,4 | 11315,0 | 17227,7 | 5912,7 | 41,2 |
| Торон | 785,4 | 442,7 | 1341,7 | 899,0 | 114,5 |
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
· ׀׀=0,26<0,29
· ׀׀<0,15
5. Заключение
В процессе исследования получены следующие результаты.
1. Зависимость от метеофакторов: динамика концентрации почвенного радона в основном обусловлена суточным ходом температуры воздуха (r =
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
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.
The additional file for this article can be found as follows:
Further description of analytic pipeline and patient demographic information. DOI: