Тема: РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОЦЕНКИ ХАРАКТЕРИСТИК ЛИВНЕВЫХ ОСАДКОВ ПО РАДИАЦИОННОМУ ФОНУ ПРИЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЫ

В последние годы существенно увеличилась частота опасных природных явлений: одни регионы страдают от аномальной жары, другие - от слишком суровых и снежных зим, непривычных для этих мест [1-4]. Во многих исследованиях активно изучаются тенденции глобального изменения климата, включающего увеличение средней годовой температуры, вызывающей таяние ледников и повышение уровня Мирового океана. Кроме потепления, происходит разбалансировка всех природных систем, что приводит к изменению режима выпадения осадков, температурным аномалиям и увеличению частоты возникновения экстремальных явлений таких, как ураганы, наводнения и засухи.
Важной частью экосистемы, отвечающей за формирование климата, является гидросфера. Состояние гидросферы напрямую связано с количественной характеристикой осадков, прогноз которой используется в хозяйственной деятельности человека и авиации. Для краткосрочного прогноза осадков нашло применение обучение нейронных сетей на основе радарных данных об эволюции облаков [5]. Алгоритмы наукастинга продолжают развиваться и требуют новые типы данных, не ограничиваясь радарной съемкой местности [6]. Востребованной для краткосрочного прогноза является информация о фактическом выпадении осадков на местности. И здесь разработчики совместно с бизнесом сталкиваются с нехваткой достоверных и подробных данных по местоположению и количеству выпавших осадков в реальном масштабе времени. Помочь в решении указанной проблемы смогла бы обширная сеть автоматических осадкомеров, но в нашей стране количество метеорологических постов существенно сократилось по сравнению с советским периодом. Решение может быть найдено при использовании приборов, изначально не предназначенных для таких задач. При этом с минимальными капиталовложениями. Такие приборы должны находиться на балансе различного рода предприятий и государственных учреждений. В постоянной эксплуатации и на периодическом обслуживании.
Оптимальными по предъявляемым требованиям, в том числе по доступности информации онлайн в режиме реального времени, являются автоматизированные системы контроля (мониторинга) радиационной обстановки (АСКРО). Эти системы, основанные на регистрации гамма-излучения, имеют перспективы расширения в связи с развитием тенденций на использование безуглеродной энергетики и возникновением нового энергетического кризиса в Евросоюзе, ожидаемым последствием которого является введение новых мощностей атомных электростанций.
Неоднократно замечен эффект резкого роста гамма-фона в периоды атмосферных осадков, причиной чему служит вымывание радиоактивных аэрозолей на земную поверхность [7, 8, 9, 10, 11]. Основными дозообразующими являются гамма-излучающие короткоживущие дочерние продукты распада радона-222 Pb-214 и Bi-214. Другие природные атомы, такие как дочерние радионуклиды торона, практически не влияют на величину мощности дозы, поскольку их активность в приземной атмосфере ~ на 2 порядка меньше, чем активность Pb-214 и Bi-214. При отсутствии информации об осадках резкое повышение гамма-фона может быть расценено как аномалия, связанная с развитием радиационного инцидента.
Для исключения ложного сигнала тревоги пункты АСКРО рекомендуется комплектовать осадкомерами и другими метеорологическими датчиками. Это существенно увеличивает затраты на возведение, эксплуатацию и обслуживание дополнительного оборудования.
С другой стороны, этот эффект может быть использован для оценки количества и интенсивности ливневых осадков по гамма-фону. Таким образом, не потребуется дополнительного дооснащения пунктов мониторинга осадкомерами. Поэтому исследования, направленные на разработку метода оценки характеристик ливневых осадков по радиационному фону приземной атмосферы, являются актуальными.
К тому же новый метод определения интенсивности осадков по гамма-фону может служить полезным инструментом для изучения химии и физики аэрозолей, принципов формирования облаков, тенденций в изменении климата, а также различных динамических процессов, включая влагообмен.
Степень разработанности темы
Исследованиям по взаимосвязи приземного гамма-фона и интенсивности осадков посвящено немалое количество работ отечественных и зарубежных ученых. Н. Такеучи предложена модель, делящая атмосферу на высоту облака и подоблачного пространства, которая позволяет прогнозировать изменение гаммафона в дождливые дни. Для этого используется количество осадков, высота основания облака, концентрация радона в облаке и подоблачном пространстве с зависимостью от турбулентности [12]. Указанная работа осталась хорошим теоретическим исследованием и не нашла практического применения из-за множества входных данных и сложности их получения.
Д. Мориизуми с соавторами предложил использовать в дождевой воде соотношение Bi-214 к Pb-214 для определения времени зарождения и жизни облаков. Коллективом была установлена отрицательная корреляция этого времени с интенсивностью осадков [13]. В Канаде научная группа Дж.-Ф. Мерсье нашла связь между максимальным отклонением гамма-фона во время осадков и циркуляцией атмосферы, что позволяет предполагать «географическую родину» мигрирующей воздушной массы [14]. Наиболее результативное исследование взаимосвязи гамма-фона и интенсивности осадков было проведено в Италии группой К. Боттарди [15]. В исследовании была установлена связь между активностью осажденного Pb-214 и интенсивностью осадков. Результаты этой работы мало применимы при регистрации гамма-фона при помощи дозиметров из-за неспособности данных приборов разделять спектры излучений с выделением энергетических линий, принадлежащих Pb-214.
Объект исследования - реакция гамма-фона на жидкие атмосферные осадки.
Предмет исследования - связь между гамма-фоном и характеристиками осадков.
Цель диссертационной работы - разработка метода определения интенсивности осадков по измеренному гамма-фону, а также метода восстановления гамма-фона по измеренной интенсивности осадков.
Основные задачи работы:
1. Разработать математическую модель динамики активности дочерних продуктов распада радона, осажденных на земную поверхность жидкими атмосферными осадками.
2. Исследовать формы отклика гамма-фона на жидкие атмосферные осадки и определить характерные отличительные признаки влияния осадков.
3. Разработать метод реконструкции гамма-фона в атмосфере по измеренной интенсивности осадков.
4. Разработать математическую модель, описывающую связь между средними значениями интенсивности ливневых осадков и максимальными значениями мощности амбиентного эквивалента дозы приземной атмосферы.
5. Разработать метод определения среднего значения интенсивности осадков по измеренной динамике мощности амбиентного эквивалента дозы приземной атмосферы и плотности потока радона.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что:
1. Разработана математическая модель динамики активности дочерних продуктов распада радона, осажденных на земную поверхность жидкими атмосферными осадками, отличающаяся рассмотрением интегральных значений активностей в воздушном столбе. Модель позволяет определять естественную убыль радионуклидов радонового ряда из подоблачного пространства, а также будет полезна для исследования коэффициента вымывания аэрозолей осадками.
2. Разработан метод реконструкции гамма-фона, основанный на измерении интенсивности ливневых осадков, в котором вместо измерения вертикального градиента объёмной активности дочерних продуктов распада радона достаточно знать плотность потока радона с поверхности грунта. Метод сможет позволить во время выпадения осадков определять наличие техногенного радиоактивного загрязнения атмосферы.
3. Разработана математическая модель, описывающая связь между средними значениями интенсивности ливневых осадков и максимальными значениями мощности амбиентного эквивалента дозы гамма-излучения приземной атмосферы, которая позволяет определять суммарное количество осадков, выпавших за эпизод дождя.
4. Разработан метод определения средних значений интенсивности и общего количества осадков, основанный на измерении динамики мощности амбиентного эквивалента дозы гамма-излучения и плотности потока радона с поверхности земли. Метод позволяет отбирать случаи, для которых применима разработанная математическая модель.
Практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты могут быть использованы в разработке систем сбора и обработки данных о ливневых атмосферных осадках по измеренной динамике гамма-фона. Результаты работы используются в ряде дисциплин, преподаваемых в отделении ядерно-топливного цикла инженерной школы ядерных технологий ТПУ, а также внедрены для контроля состояния окружающей среды в институте мониторинга климатических и экологических систем сибирского отделения Российской академии наук, г. Томск. (Акты внедрения №15323/14-366 и №15323/14-367 от 20.10.2021).
Методы исследования: При проведении исследований были использованы теоретические методы, такие как анализ и обобщение знаний справочной и научной литературы; эмпирический метод, заключающийся в наблюдении - получении и обработке сигналов, содержащих информацию о величине мощности дозы гамма-излучения, интенсивности, а также времени начала и окончания осадков и плотности потока Rn-222; математические методы исследования - моделирование с использованием пакета прикладных программ Geant4, Wolfram Mathematica.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель динамики активности дочерних продуктов распада радона, осажденных на земную поверхность жидкими атмосферными осадками, отличающаяся рассмотрением интегральных значений активности радионуклидов в воздушном столбе, учитывающая, что вымывание аэрозольных радионуклидов происходит только из подоблачного пространства.
2. Новый метод реконструкции гамма-фона, основанный на измерении интенсивности жидких атмосферных осадков, в котором вместо определения вертикального распределения объёмной активности дочерних продуктов распада радона по всей высоте подоблачного пространства достаточно определить величину плотности потока радона с поверхности грунта.
3. Математическая модель, описывающая связь между средними значениями интенсивности ливневых осадков и максимальными значениями мощности амбиентного эквивалента дозы гамма-излучения в приземной атмосфере, которая позволяет определять суммарное количество осадков, выпавших за эпизод дождя.
4. Основанный на измерении динамики мощности амбиентного эквивалента дозы гамма-излучения и плотности потока радона с поверхности земли оригинальный метод определения характеристик ливневых осадков: времени начала и окончания, среднего за один случай значения интенсивности, общего количества осадков.
Личный вклад автора заключается в участии на всех этапах работы: формулировка цели и задач работы; проведение теоретических и экспериментальных исследований; обработка и интерпретация полученных результатов; верификация, дополнение математических моделей, разработка метода; формулировка заключений и выводов; подготовка научных публикаций по теме исследования.
Достоверность результатов обеспечивается большим объемом экспериментальных данных, сходимостью теоретических и экспериментально полученных зависимостей, корректностью постановки задач и их физической обоснованностью, получением результатов, не противоречащих физике исследуемых процессов.
Апробация работы.
Материалы, вошедшие в диссертацию, были обсуждены на следующих российских и международных конференциях:
- V Международная научно-практическая конференция. «Физикотехнические проблемы атомной энергетики и промышленности» (2010, Томск, Россия);
- V и X Юбилейные международные конференции. «Солнечно-земные
связи и физика предвестников землетрясений» (2010, 2019 с. Паратунка,
Камчатский край);
- V Международной научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. «Изотопы: технологии, материалы и применение» (2018, Томск, Россия);
- «Аэрозоли Сибири» (2019, 2020 Томск, Россия);
- «Физико-технические проблемы в науке, промышленности и медицине. Российский и международный опыт подготовки кадров» (2020, Томск, Россия);
- XXII Всероссийская научная конференция с международным участием «Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии» (2021, Томск, Россия).
Публикации: по тематике исследования опубликовано 8 работ, в том числе 5 статей в журналах из перечня ВАК, 3 статьи в международных журналах, индексируемых в базах данных Scopus и Web of Science, из них 2 статьи в журналах первого квартиля.
Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, двух приложений и списка цитируемой литературы, содержащего 111 библиографических ссылок. Объем работы составляет 109 страниц и включает 38 рисунков, 13 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность тематики исследования, сформулированы цель и задачи исследования, представлены основные защищаемые положения, научная новизна и практическая значимость работы, обозначена структура научно-квалификационной работы.
В первой главе описываются существующие методы определения характеристик осадков: механические, оптические, термические, конденсаторные, акустические, вибрационные, дистанционного зондирования с использованием волн электромагнитного излучения с длиной от нескольких десятков нанометров до десятков метров; а также методы, основанные на измерении содержания влаги в почве. Приводятся результаты анализа существующих методов регистрации осадков. Делается вывод о целесообразности разработки метода определения характеристик осадков по гамма-фону.
Во второй главе описаны переменные компоненты гамма-фона, такие как космическое излучение, радиоактивность почв, динамика плотности потока радона и как следствие изменение объемной активности Pb-214 и Bi-214 в приземной атмосфере, увеличение фона, связанное с выпадением осадков.
В третьей главе показано влияние турбулентного перемешивания и вертикального движения воздуха на концентрацию радионуклидов Pb-214 и Bi- 214 в атмосфере, представлена модель динамики осажденных на земную поверхность продуктов распада радона, а также алгоритм и метод восстановления мощности дозы гамма-излучения по интенсивности осадков и плотности потока радона.
В четвертой главе представлена математическая модель, описывающая связь между средними значениями интенсивности осадков и максимальными значениями мощности амбиентного эквивалента дозы в приземной атмосфере и метод определения средних за случай значений интенсивности и количества осадков.
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.
Автор выражает глубокую признательность и огромную благодарность научному руководителю д. т. н., профессору Валентине Станиславовне Яковлевой за предоставленные данные по плотности потока радона, неоценимую помощь при проведении диссертационного исследования и поддержку при подготовке к защите. Автор благодарит творческий коллектив соавторов научных работ, за слаженную работу; коллектив из Института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН за предоставленные данные по осадкам и бесценные консультации по климатическим системам; Андрея Леонидовича Полюдина за консультации по климатическим и экологическим вопросам; а также коллег из Госкорпорации «Росатом», родных и близких за понимание и поддержку.

Купить

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили получить:
1. Компенсацию воздействия фоновых источников радиации на получаемый результат при помощи измерений мощности амбиентного эквивалента дозы за несколько минут перед началом реакции гамма-фона на осадки (следующей серии осадков).
2. Корректировку суточной вариации Pb-214 и Bi-214 подоблачного пространства, связанной с изменением адвекции радона, при помощи регистрации плотности потока Rn-222 с поверхности почвы.
3. Классификацию форм отклика гамма-фона на жидкие атмосферные осадки, позволяющую минимизировать грубые промахи при анализе случаев осадков.
4. Время начала и окончания ливневых осадков, а также максимальное зарегистрированное значение мощности дозы гамма-излучения по форме отклика гамма-фона.
5. Новую математическую модель динамики активности дочерних продуктов распада радона, осажденных на земную поверхность жидкими атмосферными осадками. Которая позволяет определять естественную убыль радионуклидов радонового ряда из подоблачного пространства, а также будет полезна для исследования коэффициента вымывания аэрозолей осадками.
6. Новый метод восстановления мощности дозы гамма-излучения по интенсивности осадков и плотности потока радона. В нем входными параметрами являются: интенсивность осадков, ПНР, дозовые коэффициенты. Метод сможет позволить определять наличие техногенного радиоактивного загрязнения предливневой атмосферы.
7. Высокий коэффициент детерминации (R2 = 0,81-0,99) между
экспериментально измеренной и воссозданной мощностью эквивалента дозы окружающей среды во время единичных и повторяющихся в течение суток дождей.
8. Систему уравнений, удобную для реализации алгоритма восстановления временной эволюции мощности амбиентного эквивалента дозы, включающую последовательные этапы вычисления активности продуктов распада радона в атмосферном столбе и на поверхности почвы.
9. Новую математическую модель, описывающую связь между средними значениями, интенсивности осадков и максимальными значениями мощности амбиентного эквивалента дозы гамма-излучения приземной атмосферы. Эта модель позволяет определять суммарное количество осадков, выпавших за эпизод дождя.
10. Новый метод определения средних за случай значений интенсивности, количества, а также вымывающей способности осадков по измеренной динамике мощности амбиентного эквивалента дозы в приземной атмосфере и плотности потока радона. Методом на основе форм гамма-всплеска производится выбор случаев, для которых применима разработанная математическая модель, чем исключаются грубые промахи.
11. Использование разработанных методов в практических целях контроля
состояния окружающей среды, что подтверждается актами внедрения в институте мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук, г. Томск. (№15323/14-367, №15323/14-366 от
20.10.2021).
Купить