Fizyka środowiska. Środowisko człowieka Elementy naturalne Elementy wytworzone Środowisko - całokształt otaczających nas elementów naturalnych oraz powstałych.

Prezentacja na temat: "Fizyka środowiska. Środowisko człowieka Elementy naturalne Elementy wytworzone Środowisko - całokształt otaczających nas elementów naturalnych oraz powstałych."— Zapis prezentacji:

1 Fizyka środowiska

2 Środowisko człowieka Elementy naturalne Elementy wytworzone Środowisko - całokształt otaczających nas elementów naturalnych oraz powstałych wyniku działalności człowieka.

3 Środowisko naturalne człowieka a cywilizacja Człowiek pierwotny

4 Środowisko człowieka dzisiaj

5 Program przedmiotu: 1.Środowisko fizyczne człowieka. 2.Promieniotwórczość w środowisku człowieka: promieniowanie kosmiczne naturalne źródła promieniowania w skorupie ziemskiej biologiczne skutki promieniowania jonizującego. 3.Promieniowanie elektromagnetyczne: promieniowanie ciała doskonale czarnego własności absorpcyjne i emisyjne Ziemi warstwa ozonowa, efekt cieplarniany oddziaływanie pola elektromagnetycznego na organizmy żywe. 4.Hałas w środowisku: wpływ hałasu na organizmy żywe ochrona przed hałasem. 5.Ultradźwięki i infradźwięki. 6.Inne zjawiska fizyczne wpływające na środowisko

6 Literatura: 1.E. Boeker, E. van Grondelle, Fizyka środowiska, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2002, 2.M. Siemiński, Fizyka zagrożeń środowiska, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1994. 15 godzin wykładu, zaliczenie – krótki referat, test

7 1.Energetyka jądrowa – zagrożenia 2.Energetyka konwencjonalna – zagrożenia 3.Detekcja promieniowania jonizującego 4.Fizyczne metody określania ilości pierwiastków i związków chemicznych 5.Pole elektryczne i magnetyczne Ziemi 6.Oddziaływanie pola elektrycznego na organizm człowieka 7.Oddziaływanie pola magnetycznego na organizm człowieka 8.Oddziaływanie promieniowania elektromagnetycznego z materią 9.Przechodzenie cząstek naładowanych przez materię 10.Wpływ promieniowania elektromagnetycznego na organizm człowieka 11.Wpływ drgań na organizm człowieka 12.Wpływ hałasu na organizm człowieka 13.Ochrona przed hałasem na stanowiskach pracy 14.Wykorzystanie ultradźwięków w medycynie 15.Wykorzystanie ultradźwięków w technice 16.Zanieczyszczenie przestrzeni kosmicznej 17.Wpływ ciśnienia na organizm człowieka 18.Wpływ sił bezwładności na organizm człowieka Tematy referatów

8 Promieniotwórczość w życiu człowieka –promieniowanie kosmiczne –naturalne źródła promieniowania w skorupie ziemskiej –biologiczne skutki promieniowania jonizującego

9 Promieniotwórczość naturalna i przemiany jądrowe Jądra atomowe (nuklidy) zbudowane są z protonów i neutronów. Proton – cząstka elementarna o ładunku elektrycznym dodatnim, 1.6·10 -19 C, masie 1.67·10 -27 kg. Neutron – cząstka elementarna obojętna, masa 1.68·10 -27 kg. Atom – jako całość – jest elektrycznie obojętny liczba protonów = liczbie elektronów Atomy różniące się liczbą neutronów – izotopy.

10

11 Energia wiązania jądra nukleony nuklid

12 Masa jest równoważna energii Energia wiązania jądra jest różnicą energii spoczynkowej jądra i tworzących je nukleonów. Energia wiązania przypadająca na jeden nukleon

13

14 Rodzaj materiiprocesIlość powstałej energii [J] Czas świecenia żarówki 100 W wodaspadek z wysokości 50 m 5005 s węgielspalanie2.9·10 6 8 h rozszczepienie8.3·10 13 2.6·10 4 lat p+nsynteza helu6.8·10 14 2·10 5 lat Energia powstała z 1 kg materii

15 Rozpad promieniotwórczy Nuklidy promieniotwórcze – radionuklidy- ulegają rozpadowi emitując cząstki i promieniowanie. Liczba jąder, które pozostaną po czasie t N 0 – liczba jąder w chwili t = 0, T – czas połowicznego zaniku

16

17

18 T= 4,5  10 9 lat Wiek Wszechświata ≈ 10 10 lat

19 T= 1.4  10 10 lat

20 T= 7  10 8 lat

21 możliwość migracji i gromadzenia się. Oprócz występujących naturalnie izotopów, znanych jest około 30 innych wytworzonych sztucznie w laboratorium. IzotopT 6 ms 65 ms 0,96 s 170 s 28,5 min 3,8 dni 20,8 s 65 s

22

23 Neutrony natychmiastowe - ponad 90% całkowitej liczby neutronów, są emitowane w ciągu bardzo krótkiego czasu (rzędu 10 -17 s) trwania procesu rozszczepienia, ok. 1% jest emitowana w dłuższym okresie, aż do kilku minut po rozszczepieniu, ze stopniowo zanikającym natężeniem. Są to tzw. neutrony opóźnione. Emitowane są one nie z jądra złożonego, lecz w wyniku rozpadu promieniotwórczego fragmentów rozszczepienia.

24 Neutrony emitowane w procesie rozszczepienia są obdarzone wysokimi energiami (~0,7 MeV), a najbardziej skutecznie "rozbija" jądro U - 235 neutron o bardzo niskiej energii. Należy więc maksymalnie obniżyć energię neutronów rozszczepieniowych, żeby uzyskać dużą wydajność reakcji. Celem spowolnienia neutronów miesza się materiał rozszczepialny z materiałem spowalniającym tzw. moderatorem. W materiale moderatora neutron zmniejsza swoją energię ponad 20 mln. razy. Dokonuje się to poprzez zderzenia sprężyste z jądrami moderatora, w których neutron oddaje im część swojej energii, np. beryl, grafit, D 2 O, H 2 O.

25 zależność przekroju czynnego na rozproszenie od energii neutronów

26 Podczas rozpadu promieniotwórczego emitowane są cząstki i promieniowanie

27

28 Dlaczego jądra zbudowane z protonów i neutronów emitują elektrony, pozytony i neutrina? rozpad neutronu rozpad protonu Neutrony i protony nie są cząstkami prawdziwie elementarnymi – ulegają rozpadowi. Neutrino – cząstka obojętna elektrycznie o prawie zerowej masie spoczynkowej.

29 Cząstka  Energia rozpadu – różnica energii spoczynkowych jądra i produktów rozpadu E  4.25 MeV (energia ruchu termicznego w temperaturze pokojowej  0.025 eV) MeV = 10 6 eV - różnica 10 8 rzędów wielkości

30 Cząstka  : krótki zasięg w materii – zwykle kilkadziesiąt mikronów – 1  m = 10 -6 m duża gęstość jonizacji Cząstka  : zasięg dłuższy, rzędu kilku milimetrów – 1 mm = 10 -3 m, znacznie mniejsza gęstość jonizacji Promieniowanie  promieniowanie elektromagnetyczne o dużej częstości – energii – od keV do wielu MeV bardzo przenikliwe – trudno ocenić zasięg Oddziaływanie z materią – efekt fotoelektryczny, efekt Comptona, tworzenie par elektron – pozyton.

31 Działanie promieniowania jonizującego na człowieka Promieniowanie jądrowe powoduje jonizację i wzbudzenia atomów żywych komórek. Powstają wówczas aktywne chemicznie rodniki, jony lub zjonizowane grupy atomów, które wpływają w istotny sposób na przebieg procesów zachodzących w żywej komórce. Pewne składniki komórek ulegają zmianie lub uszkodzeniu, np. rozerwanie chromosomów, pęcznienie jądra komórkowego lub całej komórki, zmiany w przepuszczalności błon komórkowych.

32 Małe dawki promieniowania pochłonięte przez organizmy żywe nie powodują skutków specyficznych dla promieniowania jądrowego. Żywa komórka jest układem dynamicznym – uszkodzenia komórek zachodzą w sposób ciągły równolegle z procesem naprawczym. Dawka pochłonięta promieniowania jonizującego jest energią przekazaną przez to promieniowanie jednostce masy materii. Jednostką dawki pochłoniętej jest 1 Gy (grej). 1 kg materii pochłonął dawkę 1 Gy jeżeli wydzielona w nim energia wyniosła 1 J.

33 dawka [Gy]objawy 500natychmiastowa śmierć molekularna 10śmierć w wyniku zaprzestania pracy głównego układu nerwowego (100 % śmiertelność w ciągu 2 dni) 1 - 10żołądkowo-jelitowy typ uszkodzeń (100 % śmiertelność w ciągu 2 tygodni) 0.5 – 1ciężka białaczka, śmiertelność 80 – 100 % w ciągu 2 miesięcy, możliwość przeszczepu szpiku 0.1 – 0.5umiarkowana białaczka, rokowania dobre, duże prawdopodobieństwo wystąpienia objawów późnych 0.1Nudności i wymioty u 5 – 10 % osób, brak zgonów < 0.1Brak objawów klinicznych Skutki dużych dawek promieniowania

34 organizmdawka [Gy]organizmdawka [Gy] wirusy5 000kura domowa10 ameba1 000żaba7 osa1 000ryba8.5 wąż800szczur8 ślimak200człowiek5 nietoperz150pies2.6 Dawka powodująca śmierć 50 % napromieniowanych organizmów

35 Jednostką stosowaną do oceny zagrożenia promieniowaniem jonizującym jest siwert. Mierzy się tzw. biologiczny równoważnik dawki, który jest liczbowo równy pochłoniętej dawce promieniowania [Gy] pomnożonej przez współczynnik zależny od rodzaju promieniowania. 1 Sv = 1 Gy · q q = 1 – dla promieniowania  q = 1  1.7 – dla promieniowania  q = 10 – dla protonów i neutronów termicznych q = 20 dla promieniowania  Wprowadza się również tzw. efektywny równoważnik dawki Aktywność – 1 Bq – aktywność preparatu, w którym w ciągu 1 s następuje 1 rozpad.

36 Promieniowanie jonizujące jest nieodłącznym składnikiem naszego środowiska naturalnego. Naturalne źródła promieniowania jonizującego: promieniowanie kosmiczne pierwiastki promieniotwórcze znajdujące się w skorupie ziemskiej

37 Promieniowanie kosmiczne pierwotne Głównie protony i cząstki  rozpędzone do bardzo wysokich energii (źródłem energii cząstek są pola obszarów międzygalaktycznych) oraz wysokoenergetyczne promieniowanie elektromagnetyczne i neutrina wytwarzane w procesach wewnątrz gwiazd. Natężenie neutrin jest znaczne ale ich oddziaływanie z materią jest słabe. W wyniku oddziaływania tego promieniowania z jądrami atomów atmosfery powstają wtórne cząstki – protony, deuterony, trytony, cząstki , neutrony, elektrony i kwanty  o niższej energii – dalej jest to promieniowanie jonizujące.

38 Skąd się bierze magnetyzm ziemski? jest wynikiem namagnesowana głębokich warstw Ziemi - temperatura wnętrza Ziemi jest znacznie wyższa od temperatury Curie znanych substancji (granicznej temperatury, powyżej której substancje przestają być ferromagnetykami) hipoteza zaproponowana przez Edwarda Bullarda, mówiąca, że pole magnetyczne Ziemi wywołują wirowe prądy elektryczne płynące w płynnym jądrze Ziemi. W prądach tych, ruch obrotowy Ziemi poprzez efekt Coriolisa, wywołuje wiry działające jak jednobiegunowy generator Faradaya, wytwarzając prąd elektryczny, który wytwarza pole magnetyczne pole magnetyczne Ziemi odpowiada w przybliżeniu polu dipola magnetycznego Pole magnetyczne Ziemi

39 Wpływ pola magnetycznego Ziemi na promieniowanie kosmiczne

40 Promieniowanie łatwiej dociera do Ziemi w obszarach okołobiegunowych niż w okolicy równika – zjawisko zorzy polarnej. Zorza składa się ze smug o jasnobłękitnych, zielonych, fioletowych lub czerwonawych barwach. Kolor jest uzależniony od warstwy w atmosferze, w której ona powstaje

41 Pasy van Allena (radiacyjne) – cząstki promieniowania kosmicznego uwięzione przez pole magnetyczne, poruszają się po torach zbliżonych do spiralnych. (1958 r. James Alfred Van Allen, detektor promieniowania na pokładzie sztucznego satelity Ziemi Explorer 1. Wewnętrzny pas rozciąga się od wysokości 1 000 do 5 000 km, pas zewnętrzny: 15 000 - 25 000 km nad równikiem. Obszar ten jest niebezpieczny dla kosmonautów.

42 Atmosfera ziemska stanowi warstwę ochronną dla organizmów żywych na Ziemi, jednak w każdej sekundzie przez ciało człowieka przenika około 30 cząstek promieniowania kosmicznego Natężenie promieniowania kosmicznego zależy od: aktywności Słońca szerokości geograficznej wysokości nad poziomem morza. Dawka promieniowania kosmicznego staje się dwa razy większa przy każdym wzroście wysokości o ok. 1800 m.

43 Wskutek oddziaływania promieniowania kosmicznego z cząstkami atmosfery ziemskiej wytwarzane są izotopy promieniotwórcze, z których najważniejszym jest. Wytworzone izotopy promieniotwórcze stają się składnikami różnych form materii na powierzchni Ziemi, również organizmów żywych. Mierząc zawartość izotopu w materii nieożywionej możemy oszacować jej wiek. Zawartość izotopu węgla w materii żywej jest stała. W momencie „śmierci” materii jej zawartość maleje.

44 T = 5730 lat

45 Pierwiastki promieniotwórcze znajdujące się w skorupie ziemskiej Pierwotnym ich źródłem było kilka pierwiastków o długim okresie półtrwania, które powstały w wyniku syntezy jąder przed ukształtowaniem się Ziemi. Wiek kosmosu ocenia się na ok. 15 miliardów lat, wiek Ziemi – ok 4.5 miliarda lat. Podczas Wielkiego Wybuchu zsyntetyzowanych zostało wiele pierwiastków – prawie wszystkie rozpadły się, pozostały te których czas rozpadu wynosi co najmniej kilka miliardów lat. Temperatura Ziemi jest za niska aby zachodziła na niej synteza pierwiastków – synteza tych najlżejszych zachodzi we wnętrzu gwiazd.

46 Pierwiastki promieniotwórcze w skorupie ziemskiej izotopT 1/2 (lata)E (MeV)izotopT 1/2 (lata)E (MeV) 1.3·10 9 , 1.32 1.3·10 11 , 2.2 5.0·10 15 , 1.19 - 2.39 4.5·10 10 , 0.43 5.0·10 10 , 0.273 7.0·10 10 , 0.043 6.0·10 14 , 0.60 7.2·10 8 1.0·10 11 , 0.21 4.5·10 9 3.0·10 15 , 1.8 1.4·10 10

47 Jest stałym składnikiem gleby, skąd przenika do roślin i organizmów zwierzęcych - jest składnikiem naszego pokarmu. Jego typowa aktywność w glebie wynosi 35 – 1100 Bq/kg. W minerałach aktywność może być znacznie większa np. w złożach fosfatów, które były stosowane do produkcji nawozów sztucznych a produkt uboczny – gips – jest materiałem budowlanym. Obecnie zawartość potasu w gipsie jest kontrolowana. Potas

48 Średnio w ciele człowieka znajduje się taka ilość radioaktywnego potasu, że w ciągu każdej sekundy w ciele człowieka następuje około 4000 rozpadów pochodzącego z zasobów naturalnych Ziemi Promieniowania jonizującego pochodzącego od radioaktywnego potasu nie można zmniejszyć. Potas znajduje się w każdym pożywieniu i jego ilość jest stale uzupełniana.

49

50 Uran i tor Uran i tor stanowią również stały składnik wszystkich gleb i większości minerałów. Typowe ich stężenie wynosi 1 – 2 milionową część pozostałych składników gleby. Granit może zawierać ich znacznie więcej. W wyniku rozpadu jąder promieniotwórczych uranu i toru (3 szeregi promieniotwórcze) powstają takie izotopy jak np. radon 222 lub radon 220 (zw. toronem) – są to gazy szlachetne. Gazy te migrują z gleby do powierzchni Ziemi i dostają się do atmosfery.

51 Przy powierzchni Ziemi stężenie tych gazów w powietrzu jest znaczne. Mogą być kumulowane w pomieszczeniach budynków, np. piwnicach. Ich źródłem mogą być również materiały budowlane. W wyniku rozpadu radonu powstają pierwiastki promieniotwórcze, które nie są już gazami szlachetnymi. Łączą się z drobinkami pyłów w powietrzu tworząc aerozole. Wdychanie powietrza z radonem i aerozolami powoduje napromieniowanie tkanki płucnej promieniowaniem jonizującym.

52 Przeciętnie w ciągu sekundy w każdym metrze sześciennym powietrza następuje około 10 rozpadów jąder radonu pochodzącego z naturalnych zasobów Ziemi. W pomieszczeniach zamkniętych stężenie radonu jest średnio 10 razy większe niż na zewnątrz. Źródłem zwiększonych promieniotwórczych skażeń powietrza w mieszkaniach może być: gaz ziemny z niektórych złóż, materiały budowlane, skały granitowe, woda.

53

54 Dawki promieniowania jonizującego od źródeł naturalnych Źródło promieniowaniaŚrednie dawki mSv/osobę/rok Promieniowanie kosmiczne0.07 Ziemskie promieniowania gamma0.04 Radon-222 i pochodne0.06 Radon-220 i pochodne0.02 Opad promieniotwórczy od wybuchów jądrowych 0.002 Na zewnątrz budynku, przy założeniu, że tam spędzamy 20 % czasu

55 Wewnątrz budynku, przy założeniu, że tam spędzamy 80 % czasu Źródło promieniowaniaŚrednie dawki mSv/osobę/rok Promieniowanie gamma0.60 Radon-222 i pochodne1.40 Radon-220 i pochodne0.15 Radon-222 w gazie ziemnym i wodzie 0.03 Radionuklidy wewnątrz organizmu (potas, węgiel i in.) 0.01

56 Stężenie radonu w pomieszczeniach mieszkalnych (Finlandia) PomieszczenieStężenie radonu Bq/m 3 Łazienka8 500 Kuchnia3 000 Pokój200

57 Mapa przedstawia średnie stężenia radonu w budynkach. Najmniejsze kółko odpowiada ilości 12,7 Bq/m 3, a największe 99 Bq/m 3.

58 Średnie stężenie radonu w wodzie pitnej KrajStężenie radonu Bq/m 3 Finlandia40 000 Szwecja7 000 Niemcy4 000 Polska (Karpacz) - zakres obserwowanych stężeń wynosił od 87,5 Bq/l do 818,1 Bq/l.

59 Skumulowana umieralność na raka płuc u palaczy tytoniu i osób nigdy nie palących w zależności od stężenia radonu w mieszkaniu (do 800 Bq/m 3 ) Radon w mieszkaniach jest przyczyną 9% przypadków raka płuc, 2% wszystkich przypadków raka w Europie. Dla osób przebywających w mieszkaniach, w których stężenie radonu przekracza 100 Bq/m 3 palenie tytoniu i/lub przebywanie w dymie tytoniowym stwarza poważne ryzyko zachorowania na raka płuc. Ryzyko palących 15 - 25 papierosów dziennie jest 25.8 (21,3 do 31,2) raza wyższe w porównaniu z nigdy nie palącymi.

60 Stężenie radonu w różnych okresach doby i pory roku w typowych mieszkaniach w Szwecji

61 Uśrednione wartości dawek efektywnych otrzymywanych przez przeciętnego dorosłego pacjenta podczas konwencjonalnych badań rentgenowskich w Polsce Rodzaj badaniaDawka efektywna [mSv] Badania głowy0,03 Zdjęcie kręgosłupa3,0 Zdjęcie miednicy0,5 Urografia3,5 Zdjęcie jamy brzusznej0,8 Zdjęcie klatki piersiowej (duży format)0,11 Małoobrazkowe zdjęcie płuc1,0 Badanie żołądka i przewodu pokarmowego5,6 Wlew doodbytniczy8,0

62 Rodzaj badaniaDawka [mGy] Radiografia klatka piersiowa czaszka kręgosłup lędźwiowy miednica i układ moczowy zęby 0.3 – 1.5 3.0 – 5.0 10.0 – 30.0 7.0 – 20.0 10 Mammografia bez kratki rozproszeniowej z kratką 1.0 3.0 Tomografia komputerowa głowy kręgosłupa lędźwiowo-krzyżowego jamy brzusznej 50 35 25 Fluoroskopia podczas normalnej pracy lampy podczas pracy przy dużym obciążeniu 15 mGy/min 100 mGy/min Uśrednione wartości dawek wewnętrznych

63 Dawki pochodzące od produktów konsumpcyjnych ProduktŚrednia roczna dawka [mSv/rok] Telewizor Aparat do prześwietl. bagażu na lotniskach Tarcze zegarków Urządzenia antystatyczne Lampy elektronowe Detektory dymu Palenie tytoniu Materiały budowlane Nawozy sztuczne Węgiel Grzejniki na gaz naturalny 0.01 0.00002 0.001 0.003 0.00004 0.00008 13 0.07 0.005-0.05 0.0003-0.003 0.4

64 MateriałKrajZawartość radu- 226 Bq/kq betonNorwegia USA Węgry 28 9 – 32 13 cegłaNorwegia USA Polska Węgry b. ZSRR 63 45 18 50 fosfogipsyFloryda Idaho Polska 1222 850 437 Popioły lotne z elektrowni USA Polska 19 96 Zawartość radu w materiałach budowlanych

65 Dawki dopuszczalne w warunkach normalnych Zmiany dopuszczalnej dawki dla osób zawodowo stykających się z promieniowaniem

66 Średnia dawka promieniowania jonizującego pochłaniana przez człowieka, pochodząca ze źródeł pozanaturalnych nie powinna przekraczać 1 mSv rocznie. Wyjątki: kobiety w ciąży – badania z zastosowaniem źródeł promieniotwórczych mogą zwiększyć ryzyko uszkodzenia płodu dla osób zawodowo narażonych na promieniowanie jonizujące dawki dopuszczalne są większe (50 mSv/rok)

67 Narażenie zawodowe dotyczy głównie 3 grup pracowników: górników, obsługi pijalni wód mineralnych zawierających radon (np. Świeradów Zdrój) personelu obsługującego aparaturę rentgenowską i izotopową. Pracownicy po pochłonięciu dopuszczalnej dawki promieniowania powinni być przeniesieni na takie stanowisko pracy, gdzie nie ma styczności z promieniowaniem. Powinna obowiązywać zasada ALARA (As Low As Reasonably Achieved – tak mało jak to jest rozsądnie osiągalne).

68 Zachorowanie na nowotwory złośliwe zależy od czynnika: genetycznego, środowiskowego, przypadku. Promieniowanie jonizujące jest jednym z czynników rakotwórczych podobnie jak sposób odżywiania się, palenie papierosów, itp.

69 Czy bać się energetyki jądrowej?