Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 500, № 1, стр. 64-69

Короткоживущие радиоактивные элементы ⁶⁰Co, ¹³⁴Cs, ¹⁵²Eu, ¹⁵⁴Eu в среде и биоте арктических морей имеют ограниченное распространение, регистрируются эпизодически и привязаны к определенным отрезкам истории атомных испытаний и инцидентов [1]. В Баренцевом и Карском морях у мест сброса радиоактивных отходов, на расстоянии 5–70 км в морских грунтах, макрофитах, моллюсках удельные активности радиоизотопов, как правило, на один-два порядка выше, чем в аккумулирующих желобах морского шельфа.

Закономерно, что ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr, у которых период полураспада около 30 лет, распространены в Арктике повсеместно в постъядерную эпоху. Напротив, ¹³⁴Cs с периодом полураспада около двух лет – крайне редкий элемент в морской и наземной среде. Его активности в морской воде малы и при наблюдениях в 2012–2018 гг. чаще всего были ниже предела обнаружения (<0.2 Бк/м³). Это обстоятельство затрудняет определение источников и объемов его эмиссии.

Цель работы – исследовать роль короткоживущих радионуклидов в формировании общего радиоэкологического фона в среде и биоте арктических морей России, провести анализ географических особенностей распространения ¹³⁴Cs, показать источники этого редко встречающегося в морской и прибрежной среде изотопа. Задача исследования – выявить и показать местные и трансграничные миграции радиоактивного вещества, базируясь на результатах анализов образцов почвы, лишайников, водорослей, зообентоса, рыб, морской воды, донных отложений. Материал для изучения собран Мурманским морским биологическим институтом Российской академии наук (ММБИ РАН) в течение 30-летнего периода экспедиций на высокоширотные архипелаги Новой Земли, Земли Франца-Иосифа, Шпицбергена, в заливы и губы Кольского полуострова, в ключевые районы шельфа Баренцева, Белого, Карского морей (рис. 1).

Рис. 1.

Карта распределения объемной активности ¹³⁴Cs в водах арктического бассейна (Бк/м³), 1978–2018 гг.

Радиометрический анализ проб выполнен в лаборатории ММБИ РАН. Измерения проводили на спектрометрах гамма-излучения “InSpector-2000”, гамма- и рентгеновского излучения “b13237” (“Canberra”, США). Спектры проанализированы с помощью программного обеспечения Cenie-2000.

Ядерные взрывы. Долгоживущие искусственные радионуклиды, такие как ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr, ^239,240Pu появились в Арктике после ядерных испытаний в воздушной и морской среде, сбросов радиоактивных отходов, переноса их морскими течениями и стоками сибирских рек. Максимум ядерных испытаний и радиоактивных выбросов на новоземельском атомном полигоне приходится на 1954–1958 и 1961–1962 гг. В губе Черной даже в 1991 г. в донных отложениях сохранялась на высоком уровне удельная активность ^239,240Pu, ²⁴¹Am, ⁶⁰Co, ¹³⁷Cs (1.148; 3000; 618 и 1450 Бк/кг сухого осадка соответственно) [1]. В водах Баренцева и Карского морей ¹³⁴Сs был обнаружен в небольших количествах с начала выбросов радиоактивного материала в атмосферу (в тропосферу и стратосферу) [1, 2].

После запрета в 1963 г. ядерных испытаний в атмосфере наметилась тенденция снижения загрязнения арктических морей.

Стоки и трансграничный перенос. Стоки западноевропейских и сибирских радиохимических заводов вызвали в 1970–1980 гг. рост загрязнения вод Карского, Баренцева и Норвежского морей. Это повышение в основном определялось переносом стоков западноевропейских заводов “Селлафилд” и “Ла-Хаг” [3]. В Ирландском море вблизи мест сброса загрязненных отходов в 1960–1990 г. объемная активность¹³⁷Cs в поверхностных водах достигала 200–210 Бк/м³. В донных отложениях моря в начале 1990 гг. также отмечалась высокая удельная активность техногенных радиоизотопов: ¹³⁷Cs – до 400 Бк/кг и ⁹⁰Sr – до 250 Бк/кг [4, 5]. Радиоактивный шлейф из Западной Европы пересекал шельф Баренцева моря и через 6 лет достигал Центрального Полярного бассейна. В результате объемная активность радиоцезия ¹³⁷Cs в водах этого бассейна увеличивалась до 10–20 Бк/м³ [6].

В отличие от мест проведения ядерных взрывов (район губы Черной), в зонах распространения отходов “Селлафилда” постоянно отмечалась активность ¹³⁴Cs. Так, осенью 1979 г. в районе Медвежинской банки в Баренцевом море объемная активность ¹³⁴Cs и ¹³⁷Cs в воде составляла 8–15 Бк/м^3. Загрязнение также вызвано трансграничным переносом северо-атлантических вод, содержащих стоки заводов “Селлафилд” и “Ла Хаг” [7, 8]. Однако максимальный уровень загрязнения вод, поступающих в Баренцево море, отмечен в прибрежных струях Норвежского течения. В 1979 г. объемная активность ¹³⁷Cs в поверхностных водах и на глубине 100 м варьировала от 40 до 80 Бк/м³. В ответвлениях этого потока, в водах Мурманского прибрежного течения обнаруживался ¹³⁴Cs, его объемная активность не превышала 0.2–0.7 Бк/м³.

В качестве трассера трансграничного переноса в Арктический бассейн радиоактивных отходов британских радиохимических предприятий “Селлафильд” был выбран ¹³⁴Cs [7]. Этот радионуклид входил в состав заводских отходов и практически отсутствовал в атмосферных выпадениях вплоть до аварии на Чернобыльской АЭС. Атмосферные выпадения продуктов аварийного выброса привели к загрязнению ¹³⁴Cs морских арктических акваторий. В середине 80-х годов в водах Центрального Полярного бассейна (рис. 1) ¹³⁴Cs отмечался в очень малых количествах 0.03–0.11 Бк/м³. [2, 7]. Его объемная активность в поверхностных водах Баренцева, Карского и Гренландского морей составляла 0.07–0.7 Бк/м³.

Радиохимические комбинаты ПО “Маяк”, ФГУП “Горно-химический комбинат”, АО “Сибирский химический комбинат” и другие в 1950–1990 гг., сбрасывая отходы в Енисей и Обь, являлись источником техногенных радионуклидов в Карском море [1, 9]. Значительное радиационное загрязнение отмечалось в донных отложениях Енисейской и Обской губ.

В Новоземельском желобе под распресненным слоем залегали воды с объемной активностью ¹³⁴Cs от 0.1 до 0.7 Бк/м³ (рис. 1). Отношение объемных активностей ¹³⁴Cs/¹³⁷Cs составляло 0.019–0.034. Очевидно, что происхождение ¹³⁴Cs здесь может быть связано не с западноевропейскими заводами, а с местными источниками [10]. Основные пути переноса радионуклидов были впервые показаны на карте “Уровни и основные направления переноса радионуклидов в Баренцевом и Карском морях” [11].

Выбросы при авариях на ядерных объектах. В результате аварийного выброса на Чернобыльской АЭС в северные моря с атмосферными выпадениями и речными потоками поступило огромное количество ¹³⁷Cs, ¹³⁴Cs и других радиоизотопов. Если до аварии на Чернобыльской АЭС в водах Балтики ¹³⁴Cs не обнаруживался, то в 1986 г. уровни объемной/удельной активности ¹³⁴Cs в воде и планктоне Финского залива достигла соответственно 5900 Бк/м³ и 1500 Бк/кг сухой массы соответственно [14, 15]. В донных отложениях Балтики удельная активность¹³⁴Cs составила 100–400 Бк/кг. В 1986–1987 гг. в балтийской сельди и окунях накапливалось ¹³⁴Сs от 3 до 96 Бк/кг, а в треске в проливе Скагеррак – около 0.3 Бк/кг [15, 16].

В 1990-е годы объемная активность¹³⁷Cs в водах Скагеррака составляла 50–100 Бк/м³ из-за постоянного выхода в пролив [17]. В Баренцево-Карском бассейне чернобыльский шлейф формировался за счет морской трансграничной адвекции загрязненных балтийских вод и за счет смыва с водосборов северных рек.

В начале 1990-х годов в донных отложениях Печорской губы удельная активность ¹³⁴Cs колебалась от 0.4 до 1.13 Бк/кг, а в Чешской губе составляла 0.6 Бк/кг. Вероятно, происхождение ¹³⁴Cs связано с глобальными выпадениями в бассейне рек.

На побережье Кольского полуострова и островах юго-востока Баренцева моря удельная активность ¹³⁴Cs в лишайниках была выше, чем на островах высокоширотных архипелагов, изменялась от 0 до 32 Бк/кг сухой массы. В 1991 г. на южных островах архипелага Земля Франца-Иосифа на севере Новой Земли удельная активность ¹³⁴Cs в лишайниках изменялась от 0.5 до 20.6 Бк/кг [1]. На островах отмечаются различия уровня загрязнения: на о. Гукера – до 20.6 Бк/кг, о. Скатт-Келти – 2.4 Бк/кг, о. Мейбелл – 0.5 Бк/кг (рис. 2).

Рис. 2.

Карта распределения удельной активности ¹³⁴Cs в лишайниках прибрежных наземных экосистем Баренцево-Карского региона (Бк/кг сухой массы), 1978–2018 гг.

В 2015 г. ¹³⁴Cs был обнаружен в донных отложениях во фьордах и на шельфе Западного Шпицбергена. Ледники Шпицбергена рассматриваются как зоны ледовой аккумуляции атмосферных выпадений, в том числе аэрозолей, возникших при аварии на АЭС “Фукусима-1”. Также радионуклид зарегистрирован на юге шпицбергенского шельфа в донных отложениях Зюйдкапского желоба, где его удельная активность¹³⁴Cs составляла от 0.7 до 1.8 Бк/кг. В центральных частях моря, на станциях трансбаренцевоморского разреза вдоль “Кольского меридиана” (33°30′ в.д.) этот радионуклид не был обнаружен с начала 2000-х годов.

Местные источники. Эмиссия радионуклидов с баз атомных флотов охватывает конец ХХ и начало ХХI века, когда шло стремительное развитие атомного подводного и надводного флотов, заводской, складской и ремонтной баз в губах Кольского и Мотовского заливов. В губе Западная Лица, где находится база атомных подводных лодок, в губе Андреева – хранилище отработанного ядерного топлива, имели место аварии с неконтролируемыми выбросами радиоактивных веществ на акваторию и в атмосферу [17]. Произошедшая в 1982 г. аварийная утечка радиоактивных отходов из хранилища вызвала локальное поступление техногенных радионуклидов в губу Андреева и частичный выход загрязнений в губу Западная Лица и Мотовский залив.

С 1989 г. источником загрязнений являлась установка по очистке жидких радиоактивных отходов, расположенная на территории РТП “Атомфлот” (ныне ФГУП “Атомфлот”, г. Мурманск). В среднем за период с 1989 по 1994 г., когда применялась данная технология, объем ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr, поступающего с предприятия, составил 1.6 × × 10⁷ и 7.6 × 10⁷ Бк/год соответственно. Суммарная активность ¹³⁴Cs во всем объеме жидких радиоактивных отходов оценивалась от 3.3 × 10⁶ до 62.8 × 10⁶ Бк [1]. Максимальный сброс радионуклидов в Кольский залив был зафиксирован в 1992 г.

В 1988 г. в донных осадках Кольского залива близ атомных баз были отмечены высокие уровни удельной активности ⁶⁰Co – 74 Бк/кг в губе Пала, и 28 Бк/кг – в губе Екатерининская гавань. В некоторых пробах были определены ¹³⁴Cs, ¹²⁵Sb, ¹⁵⁴Eu. Наиболее вероятно, короткоживущий¹³⁴Cs на дне залива имеет местное происхождение [1, 9].

В отобранных в 1996–1997 гг. во внешней части губы Западная Лица мелкопесчанистых и алевритовых осадках присутствовали ¹³⁷Cs (от 0.7 до 50 Бк/кг), ⁶⁰Cs (от 0.5 до 4.0 Бк/кг) и ^239.240Pu (около 2 Бк/кг). На этой же акватории в поверхностных морских водах объемная активность ¹³⁷Cs и ¹³⁴Cs составляла 4.9 и 0.2 Бк/м³. В 2013 г. удельная активность ¹³⁴Cs в донных отложениях не превышала 0.2 Бк/кг.

В Кандалакшском заливе средняя объемная активность ¹³⁴Cs в верхних и глубинных слоях водоема составляла 0.14–0.17 Бк/м³. В донных осадках радионуклид встречался эпизодически, по-видимому, под воздействием местных источников в Северодвинске.

Захоронения радиоактивных материалов в заливах Новой Земли – Абросимова, Степового, Цивольки, рассматривались как локальные источники загрязнения.

В почвах Кольского полуострова в 2010–2018 гг. при 20 опробываниях удельная активность ¹³⁴Cs оказалась ниже минимально детектируемой (<0.2 Бк/кг). Лишь в одном случае на востоке региона, у пос. Каневка, в 2018 г. удельная активность ¹³⁴Cs составила 1.2 Бк/кг. Вероятно, этот радионуклид был занесен местными воздушными потоками от источников в Северодвинске.

Таким образом, при хронологическом анализе данных о встречаемости ¹³⁴Cs в воде, донных отложениях, биоте, почве, с учетом местоположения, складываются общие представления о его роли в загрязнении Арктики в разные годы. Короткоживущий радионуклид образуется исключительно в процессе цепной реакции в атомных реакторах и при испытании ядерного оружия. Он редко присутствует в глобальном источнике загрязнения при рециркуляции радиоактивных аэрозолей. Его содержание в компонентах арктических морских экосистем незначительно и не оказывает значительного влияния на общий радиоэкологический фон в морских бассейнах. Короткий период полураспада определяет роль ¹³⁴Cs в мониторинге и исследованиях среды в качестве маркерного элемента недавних поступлений радиоактивных загрязнителей.

В арктических морях сохраняется общая тенденция к снижению техногенного радиационного загрязнения. Однако продолжают существовать источники искусственной радиации, в том числе техногенного радионуклида ¹³⁴Cs: ледники, воздушный перенос и выбросы местных объектов атомной энергетики. Кроме инфраструктуры атомного флота к местным источникам могут быть причислены ледники высокоширотных архипелагов. Ледники Шпицбергена рассматриваются как зоны ледовой аккумуляции атмосферных выпадений, в том числе аэрозолей, распространявшихся после аварии на Чернобыльской АЭС и АЭС “Фукусима-1”. К примеру, эпизоды современной регистрации ¹³⁴Cs в донных осадках внешнего шельфа и фьордов Шпицбергена могли быть обусловлены выносом радионуклидов на участках разгрузки выводных ледников архипелага, как это показано в работе [20]. В соответствии с этим при обнаружении на побережье или в морской среде Баренцево-Карского региона ¹³⁴Cs необходимы незамедлительные исследования и поиск источников загрязнения.