Рассмотрим состав и равновесные количества космогенных изотопов во внешних оболочках Земли. При взаимодействии высокоэнергетичных космических лучей с элементами атмосферы большая часть их энергии поглощается и рассеивается в атмосфере Земли. При этом образуется вторичное, менее энергетичное излучение, состоящая из нуклонов различных энергий, мезонов, ?-квантов, электронов, позитронов и других частиц. Основную часть вторичного излучения составляют менее энергетичные протоны и нейтроны, которые и являются главными участниками ядерных реакций, приводящих к образованию космогенных радиоактивных изотопов Н и О.
При их взаимодействии с атомами азота и кислорода образуется тритий (таблица 8).
Таблица 8. Реакции образования в атмосфере трития космическими лучами
Реакция
|
Энергия частиц, МэВ |
Сечение реакции, мбарн |
Скорость образования, атом/см2·с |
N14 (n,H2)C12 |
> 4,4 |
11±2 style=’font-size:12.0pt;font-family:»Times New Roman»‘> |
0,1-0,2 |
О16 (p,H3)O14 |
> 100 |
25 |
0,08 |
N14 (p,H3)N12 |
> 100 |
25 |
0,08 |
О16 (p,H:3)O14 |
10-100 |
|
0,01 |
N14 (p,H3)N12 |
10-100 |
|
0,01 |
|
< 10 |
|
0,05 |
Как видно из таблицы 8, наиболее высокие сечения у двух первых реакций при взаимодействии нейтронов средних энергий о ядрами N14 и при расцеплении ядер N14 и О16 протонами с энергиями более 100 МэВ. Скорость генерации трития протонами с энергиями 10-100 МэВ из-за отсутствия надежных экспериментальных данных о сечениях реакций в этой области энергий оценивается лишь приблизительно и составляет 0,01 атом/см2 х с. Вклад в образование трития других компонент космических лучей составляет 0,1-0,2 атом/см2 х с. Эта величина меньше наблюдаемой, равной 0,3 атом/см2 х с. Дополнительным источником трития в атмосфере Земли может быть его эмиссия Солнцем во время интенсивных вспышек. Он образуется, по-видимому, в хромосфере Солнца по реакции: Не4 (р,2р)Н3.
Равновесное количество трития на Земле, генерируемое космическими лучами, составляет 3,5 кг. Основная часть этого количества (примерно 93%) содержится в гидросфере и лишь 7% — в атмосфере. Ввиду ничтожной распространенности трития его концентрацию в природных объектах принято выражать в тритевых единицах (Т.Е.). Трнтиевая единица соответствует содержанию одного атома трития на 1018 атомов протия, что эквивалентно 7,2 распадам в минуту на 1 л воды, или 3,2 пкюри/л. Тритии — мягкий ?-излучатель с максимальной анергией ?-частиц, равной 18 кэВ, и периодам полураспада в 12,26 года. Конечным продуктом распада трития является стабильный изотоп гелия Не3.
Обобщая полученные данные, процесс циркуляции воды в природе представляется в следующем виде. Испарение воды с некоторым содержанием трития происходит с поверхности океана. Водяной пар поднимается и охлаждается до близкой к конденсации температуры. Сухой воздух из нижних слоев стратосферы с высоким содержанием трития обменивается тритием с поднимающимся океаническим водяным паром, содержащим низкие его концентрации. При этом важным Фактором оказывается время смещения, так как чем дольше порция океанического пара пробудет в атмосфере, тем больше вероятность повышения в нем концентрации трития. При определенных термодинамических и метеорологических условиях формируются осадки, представляющие смесь водяного пара океанического и стратосферного происхождения.
Как же распределяется тритий в поверхностных и подземных водах?
Основным резервуаром гидросферы и источником атмосферной влаги на Земле является мировой океан. В результате стока о континентов прямого поступления осадков и прямого обмена с атмосферой в океан попадает большая часть природного и бомбового трития. Поэтому океан является основным резервуаром накопления трития на Земле. Распределение трития в поверхностном слое и глубинных слоях океана представляет большой интерес для изучения закономерностей его кругооборота вместе с атмосферной влагой и для изучения циркуляции океанических масс воды.
Систематические измерения содержания трития проводились в поверхностном слое и по глубине в пределах Тихого и Антлантического океанов. Пробы воды отбирались в районах островов, где расположены станции глобальной сети МАГАТЭ/ВМО, и с экспедиционных кораблей.
Для анализа данных наблюдений за изменением содержания трития в поверхностном слое у берегов островов Мидуэй и Оаху с 1960 по 1966 гг. сравнивали кривые изменения концентраций трития в атмосферных осадках Южной Калифорнии и группы островов, расположенных на той же широте. Оказалось, что общий характер изменения содержания трития в поверхностном слое океана повторяет картину тритиевых поступлений в атмосферных осадках, включая нарастание концентраций трития в период термоядерных испытаний и вариации в ежегодных сезонных циклах. В то же время можно наблюдать, что в поверхностном океаническом слое абсолютные значения тритиевых концентраций более чем на порядок ниже, чем в атмосферных осадках. Этот эффект связан с разбавлением трития в больших объемах океанической воды. Кроме того, тритиевый пик, отмеченный в атмосферных осадках в 1963 г., для океанической воды приходится на 1964 г. В последующие годы после моратория на испытания атомного оружия, в отличие от резкого снижения концентрации трития в атмосферных осадках, в поверхностном океаническом слое происходит значительно более медленное и плавное снижение тритиевых концентраций, соответствующее процессу смешения поверхностных вод с глубинными.