Problematika výskytu radonu (²²²₈₆Rn) v jeskyních

Stanislav Plachý

(Český kras 12; str.77—86; Beroun 1986)

 

---

 

Existence radonu, nuklidu ²²²Rn^*) v atmosféře je známa prakticky od objevení plynu v roce 1900 F. E. Dornem. Do atmosféry, půdního vzduchu či podzemních vod se radon dostává uvolňováním z hornin, kde vzniká přirozeným radioaktivním rozpadem rádia ²²⁶Ra. Prvotním zdrojem je však nuklid uranu ²³⁸U, který představuje 99,27 % celkového množství přírodního uranu. Tento radioaktivní prvek je v zemské kůře zastoupen cca 2—4.10⁻⁴ váhovými procenty. Většina uranu je v přírodě rozptýlena a nahromadění ložiskového charakteru je spíše výjimkou. Jeho zastoupení v horninách není stejné a závisí na typu horniny, jejím výskytu a podobně.

^*) Jako radon s.l. jsou označovány nuklidy atomového čísla 86. Z nuklidů přírodního původu je to především radon s.s. ²²²Rn, dále ²²⁰Rn – thoron, vznikající v thoriové rozpadové řadě. Ostatní nuklidy je možno z hlediska dané problematiky zanedbat z důvodů nepatrného množství mateřských prvků v přírodě (např. ²¹⁹Rn – aktinon, vznikající z ²³⁵U) či jejich umělého původu.

 

Přestože pro vznik radonu stačí i nepatrné množství uranu v mateřské látce, jsou jeho aktivity ve volné atmosféře poměrně nízké. LAMBERT (1984) například udává, že hodnoty koncentrací radonu v atmosféře nad kontinenty se v celosvětovém měřítku pohybují mezi 1,85—7,40 Bq.m⁻³; nad oceány je jeho zastoupení ještě zhruba o jeden až dva řády nižší (BĚLOUSOVA, ŠTUKKENBERG 1963). Ve větších výškách však tato zákonitost může být do jisté míry setřena vlivem přesunu vzdušných mas na velké vzdálenosti. Jedním z hlavních faktorů, který tuto skutečnost ovlivňuje je vedle srážek, teploty, barometrického tlaku apod. vzdušná turbulence a to jak vertikální, tak i horizontální. Tento činitel je však potlačen prakticky na minimum v uzavřených prostorách jako jsou jeskyně nebo doly (neuvažujeme umělou cirkulaci vzduchu – větrání) a tak se zde radon může vlivem relativně dlouhého poločasu rozpadu (T = 3,825 dní) hromadit – tzv. „sklepní efekt“. Jeho objemová aktivita zde podléhá vedle zákonitostí radioaktivního rozpadu i fyzikálně-chemickým podmínkám navozeným v dané prostoře, včetně podmínek vlastní emanace, t.j. uvolňování plynu z látek s obsahem uranu (rádia). Pod těmito fyzikálně-chemickými podmínkami je možno spatřovat celou škálu jak vlastních mikroklimatických podmínek uzavřených prostor (kryptoklimatu), tak i fyzikálně-chemický stav zdrojových látek – např. teplota, vlhkost, porózita, chemické složení horniny apod.

V jeskynním prostředí dochází k emanaci radonu prakticky ze všech typů hornin, případně jiných zdrojů – vody, stavebního materiálu za účelem zpřístupnění jeskyní apod., které se podílí na „stavbě“ jeskyně. Jeho objemová aktivita (včetně dceřiných produktů – d.p.) je pak narušována především přirozeným prouděním vzduchu v jeskynních prostorách – průvanem. Toto proudění může mít nejrůznější příčiny jako např. změny barometrického tlaku a teploty vně jeskyně, strhávání vzduchu proudící vodou, gravitační výměna vzduchu, vliv extrémního počasí vně jeskyně, změny objemu vzduchu v důsledku povodní apod. Vektor vzdušného proudění je pak ovlivňován typem jeskyně ve smyslu zda se jedná o jeskyni jedno- či vícevchodovou, dynamickou či statickou apod.

Přítomnost radonu v jeskyních je známa minimálně již od padesátých let (SAUL HARRIS 1954, in YARBOROUGH 1980).

Z dostupných citací literatury zabývající se konkrétní problematikou radonu v jeskyních je to např. RÓNAKI (1973), kde jsou uváděny aktivity radonu i jeho zdroje (podzemní vody) ve vápencové jeskyni Abaliget v pohoří Mecsek (MLR).

Jednou z nejucelenějších studií koncentrací ²²²Rn představuje práce WILKENING, WATKINS (1976), kde autoři sledovali aktivitu radonu v Carlsbad Cavern v New Mexico (USA) a zabývali se především její závislostí na vnější teplotě a proudění vzduchu v jeskyni. Pro srovnání orientačně uvádějí výsledky z Cottonwood a Jurnigan Caves (Carlsbad Area).

Závislost koncentrace radonu a jeho dceřiných produktů (d.p.) v Carlsbad Cavern na vnějších teplotách a atmosférickém tlaku uvádí AHLSTRAND (1980).

V souvislosti s klimatickými charakteristikami jeskyní v Gruzii (SSSR) se o radioaktivitě a ionizaci vzduchu ve Sataplijskoj, Novoafonskoj a Cchaltubskoj peščerach zmiňuje TINTILOZOV (1976). Vedle uvedení konkrétních hodnot aktivity radionuklidů v ovzduší se však spokojuje pouze s jejich srovnáním s aktivitou vnější atmosféry (řádově X.10² MeV.l⁻¹).

SEYMORE et al. (1980) rozebírá koncentrace d.p. radonu ve vápencové jeskyni Howe Caverns (USA) v závislosti na ročním období.

MIKI, IKEYA (1980) vztahují velikost koncentrace na velikost jeskyně Akiyoshi (Jap.) v závislosti na emanaci a proudění vzduchu. Výsledky srovnávají s Mammoth Cave (USA).

Problematikou aktivit radonu a thoronu ve vybraných jeskyních národních parků USA – např. Mammoth Cave (Kent.), Round Spring Cave (Mont.), Oregon Cave (Oregon), Lehmon Cave (Nev.), Crystal Cave (Californ.) a další – se zabývá práce YARBOROUGH (1980). Je uváděna závislost na konfiguraci jeskyně, chodu vnějších sezónních i denních teplot apod.

ATKINSON, SMART a WIGLEY (1983) uvádějí měření přirozených radonových koncentrací v Castleguard Cave v Albertě (Can.).

LAMBERT (1984) udává jako běžné objemové aktivity radonu v jeskyních hodnotu kolem 3,7 Bq.l⁻¹.

 

Poznatky z rešeršního studia literatury je možno shrnout následovně:

• a) Nevětrané jeskyně pod povrchem mají udávány průměrné objemové aktivity radonu ²²²Rn v rozmezí 5—25.10⁴ MeV.l⁻¹ (cca 1,5—7,4 Bq.l⁻¹) za předpokladu absence anomálních koncentrací uranu nebo rádia v prostředí.
• b) Zřetelně se projevuje roční cyklus změn objemových aktivit radonu a jeho d.p. s výrazným maximem v létě a minimem v zimě – 4—6 krát více, extrémně 500 krát více v nevětrané jeskyni. Tato skutečnost je vysvětlována změnou proudění vzduchu v jeskyni vlivem rozdílného působení gravitačních a tlakových sil, vyvolaného např. rozdílnou hustotou vzduchu vně a uvnitř jeskyně (komínový efekt) či podmíněných konfigurací jeskyně (tvarem, sklonem apod.). Jinými slovy je objemová aktivita uvažovaných radionuklidů přímo úměrnou, resp. exponenciální funkcí vnější teploty.
• c) Objemové aktivity jsou závislé i na velikosti atmosférického tlaku, kdy s klesajícím tlakem (sestupnou tendencí) lineárně stoupá i aktivita radionuklidů.
• d) Rozdíl ve vertikální distribuci objemových aktivit není velký, pohybuje se v rozmezí 10 % mezi 25 a 100 cm nad podlahou jeskyně. Nicméně je doporučováno odebírat vzorky vzduchu min. 30 cm od podlahy či stěn, aby se eliminovala chyba ze zachycených d.p. Větších rozdílů lze naměřit na lokalitách poblíž vchodu, které mají větší vertikální rozměr (10 m). Zde se projevuje výměna vzduchu mezi jeskyní a venkovním prostředím tím, že vrstva vzduchu proudícího z jeskyně ven má vyšší objemovou aktivitu radonu (dvojnásobně i více).
• e) Objemová aktivita uvažovaných radioizotopů vzrůstá úměrně se vzdálenosti od vchodu a naopak klesá se vzrůstem rychlosti proudění vzduchu v jeskyni. Průměrná objemová aktivita je tím vyšší, čím je větší délka jeskyně.
• f) Aktivita jeskynní atmosféry (radonu a jeho d.p.) je vždy vyšší než u venkovního vzduchu i při zjištění nižších obsahů ²²⁶Ra v jeskynních stěnách oproti jejich obsahu v půdách vně jeskyně.
• g) Objemová aktivita zájmových nuklidů v jeskyni není závislá na hloubce jeskyně, resp. uvažované lokality pod povrchem.
• h) Denní oscilace venkovní teploty nemají na změny objemové aktivity radonu a jeho d.p. uvnitř jeskyně významný vliv.

 

Tabulka 1: Objemové aktivity, resp. celková potenciální energie d.p. radonu ²²²Rn v jeskynní atmosféře (podle citované literatury).

Jeskyně	Měsíc	.104 MeV.l−1			kBq.m−3
		min	⌀	max	min	⌀	max
Abaliget	IV VI VIII	12,25	17,64	36,48	3,55	5,11	10,57
	X III	0,38	2,85	7,65	0,11	0,83	2,22
Carlsbad Caverns	I	1,66	1,78	2,04	0,48	0,52	0,59
	II	1,90	2,04	2,29	0,55	0,59	0,66
	VIII	4,59	6,12	7,02	1,33	1,77	2,04
	X	2,42	4,59	5,87	0,70	1,33	1,70
Cottonwood	XI	1,02—5,10			0,30—1,48
Jurnigan	III
Sataplijskaja	VIII	4,86—10,76			1,41—3,12
Novoafonskaja		0,26—1,07			0,89—3,69
Cchaltubskaja		24,45			7,10
Howe Caverns	II—IV	1,78	3,06	4,08	0,52	0,89	1,18
Akiyoshi	III	0,07	0,49	0,71	0,002	0,01	0,02
	VIII	1,68			0,49
Mammoth		12,75			3,69
Castleguard		0,13		1,27	0,04		0,37

Poznámka: Hodnoty celkové potenciální energie d.p. ²²²Rn v jednotkách MeV.l⁻¹ jsou převoditelné na jednotky SI objemové aktivity Bq.m⁻³ podle vztahu 1 MeV.l⁻¹ ≐ 2,9.10⁻² Bq.m⁻³ za předpokladu radioaktivní rovnováhy.

 

 

Z tabulky č.1 jsou dobře patrné sezónní variace objemových aktivit ²²²Rn a jeho d.p. Poměrně vysoké hodnoty v jesk. Abaliget vyplývají ze značného obohacení podzemních vod radonem, které je doloženo obsahem radioaktivních prvků ve vodách a půdách okolních geologických formací (RÓNAKI 1973).

Citované práce, zabývající se výskytem radonu v jeskynních systémech, naznačují možná vysvětlení časových i prostorových změn objemových aktivit. Menší pozornost je však všeobecně věnována otázkám provenience plynu. Většinou jsou uváděny jen kvantitativní údaje týkající se obsahu přírodního uranu v okolních karbonátových horninách, kdy většina hodnot se pohybuje kolem světového průměru 2,2 ppm přír. U, jak jej udává PARKER (1967) pro vápence. Na tento údaj vztahují i ATKINSON, SMART a WIGLEY (1983) výpočet teoretických objemových aktivit radonu v jeskynních prostorách ideálně kruhového průřezu za předpokladu uvolňování radonu pouze z vápenců s koeficientem emanace = 100 %. Podle citovaných autorů by za těchto podmínek bylo dosaženo objemových aktivit řádově 0,X—X.10⁴ MeV.l⁻¹ v dutinkách o poloměru 0,1—1 cm.

V naší literatuře se výskytem radonu v jeskyních zabývá např. práce FIALA, VALÁŠEK (1985). Autoři dokladují stoupající aktivitu se vzrůstající vzdáleností měřeného místa od vchodu do jeskyně (na příkladu některých jeskyní Moravského krasu). Na Slovensku se touto problematikou zabývají pracovníci Krajské hygienické stanice v Košicích, kde za sledované období 1979—1984 se průměrné hodnoty koncentrace d.p. radonu pohybovaly v hodnotách řádově 0,0—X0,0.10⁴ MeV.l⁻¹ (STROMP, DOBIÁŠOVÁ 1984). Blízkou problematiku řeší i práce PÍŠE, STANĚK (1973), kde se autoři zabývali radiochemickým rozborem vod Punkvy (stanovení ²²⁶Ra a přír. U). Z jejich výzkumů vyplynulo, že se jedná o vzorky s malou aktivitou sledovaných prvků, jakož i nízkým přirozeným radioaktivním pozadím, kdy voda je průtokem podzemím Moravského krasu o radionuklidy spíše obohacována. Expoziční příkon ve zpřístupněných jeskyních ČSSR měřili SPURNÝ, ŠULCOVÁ, KOČÍ (1982), specielně v Gombasecké jeskyni se touto problematikou zabýval RAJMAN, RODA a KLINCKO (1971). Změřené hodnoty se pohybují řádově kolem X,0 nC.kg⁻¹.h⁻¹.

Konkrétně v případě jeskyní Moravského krasu byla pozornost na aktivitu radonu a jeho d.p. zaměřena v první polovině osmdesátých let a výzkumy i nadále pokračují. Objemové aktivity, které byly dosud zjištěny, se zde pohybují v mezích 0,X—X0,0.10⁴ MeV.l⁻¹. Maximální hodnota 17,69.10⁴ MeV.l⁻¹ byla změřena v říjnu 1984 v H-chodbě ve Sloupsko-Šošůvské jeskyni, běžně se výsledky pohybují do hodnot kolem 10.10⁴ MeV.l⁻¹. Přehled výsledků měření a jejich diskusi podává práce PLACHÝ, ŠTELCL, KOMÁR (1986). Závěry autorů jsou víceméně ve shodě s poukázanými skutečnostmi, z významnějších uvádíme:

• a) Nárůst koncentrace se stoupající vzdáleností od vchodu je složitější, než uvádí dřívější práce; tento jev lze očekávat a teoreticky zdůvodnit především u statických jeskyní, nedostatečně provětrávaných, zatímco u jeskyní dynamických bývá zcela setřen.
• b) Dosavadní výsledky nepotvrdily závislost objemové aktivity d.p. radonu na velikosti prostory, resp. celkovém objemu vzduchu, t.j. u větších prostor nelze vždy očekávat snížení objemových aktivit v důsledku jejich „zředění“ ve větším množství vzduchu.
• c) Značnou roli může sehrát i nasycení pokryvných útvarů a puklin či dislokací vodou. Např. po dlouhodobých deštích se v jeskyni zvýšila objemová aktivita d.p. ²²²Rn.
• d) Výrazně se může projevit i náhlá změna počasí (přechod fronty apod.), která omezí proudění vzduchu z jeskyně a tím i zapříčinit rapidní vzrůst objemových aktivit na některých lokalitách. Problematikou závislosti aktivity vzdušných radionuklidů v jeskyních Moravského krasu na vybraných makroklimatických prvcích se zabývá práce PLACHÝ, PLÁNKA (1986).

 

Otázkou provenience radonu v jeskyních Moravského krasu se zabývá práce PLACHÝ (1987), kde z výsledků gamaspektrometrických analýz jednotlivých vzorků hornin vyplývá, že pravděpodobně nejpodstatnějším zdrojem jsou alochtonní sedimenty fluviálního původu, především štěrky s valounovým materiálem kulmských drob a nezpevněné peliticko-psamitické sedimenty – jeskynní hlíny.

Závěrem je možno konstatovat, že výskyt radonu a jeho d.p. v jeskyních je jev naprosto přirozený, závislý na množství rádia v horninách, případně jiných zdrojích. Jeho objemová aktivita v ovzduší je vedle tohoto faktoru ovlivňována především přirozenou výměnou vzduchu v jeskyni.

Ačkoliv se dnes toxicita ionizujícího záření považuje za bezprahovou veličinu (tzn. že zdravotně škodlivé může být i byť jediné kvantum zářivé energie) zejména ve svých pozdních účincích (viz např. VANCL 1982), objevují se zvláště v poslední době i práce dokazující pozitivní vliv malých dávek radiace (o které se zde bezesporu jedná) na lidský organismus – např. SPURNÝ (1984), LUCKEY (1982).

 

Literatura:

• Ahlstrand G.M. (1980): Alpha Radiation Levels in Two Caves Related to External Air Temperature and Atmospheric Pressure. – Bulletin of the National Speleological Society, 42/3: 39—41. Huntsville, Alabama.
• Atkinson T.C., Smart P.L., Wigley T.M.L. (1983): Climate and natural radon levels in Castleguard Cave, Columbia icefields, Alberta, Canada. – Arctic and Alpine Research, 15/4: 487—502. Colorado.
• Bělousova I.M., Štukkenberg J.M. (1963): Přirozená radioaktivita. – Státní zdravotnické nakladatelství: 1—168. Praha.
• Fiala E., Valášek J. (1986): Objemové aktivity dceřiných produktů radonu v jeskyních Moravského krasu. – Československý kras, 36: 23—28. Praha.
• Lambert G. (1984): La radioactivité atmosphérique. – La Recherche, 157 (Juillet/Aout): 938—948. Paris.
• Luckey T.D. (1982): Physiological benefits from low levels of ionizing radiation. – Health Physics, 43/6: 771—789. Pergamon Press, USA.
• Miki T., Ikeya M. (1980): Accumulation of atmospheric radon in calcite caves. – Health Physics, 39/2: 351—354. Pergamon Press, USA.
• Parker R.L. (1967): Data of Geochemistry. Sixth Edition, Chapter D.: Composition of the Earth's Crust. – Geological Survey Professional Paper, 440-D: 1—19. Washington.
• Píše J., Staněk Z. (1973): Zhodnocení radiochemických rozborů povrchových vod v povodí Punkvy. – Speleologický věstník, 3: 7—12. Brno.
• Rajman L., Roda Š., Klincko K. (1971): Možnosti speleoklimatickej terapie v Gombaseckej jaskyni. – Osveta: 1—109. Martin.
• Rónaki L. (1973): Radiological Measurements in the Caves of Mecsek Region. – Karszt és Barlangkutatás, 7 (1972): 127—135. Budapest.
• Plachý S. (1987): Příspěvek k problematice zdrojů radonu v jeskyních Moravského krasu. – Československý kras, 38: 7—21. Praha.
• Plachý S., Štelcl O., Komár Z. (1986): Výsledky měření dceřiných produktů radonu v turisticky přístupných jeskyních Moravského krasu. – Regionální sborník okresu Blansko, '86: 80—92. Blansko.
• Plachý S., Plánka L. (1986): Předběžné hodnocení závislosti aktivity vzdušných radionuklidů v jeskyních Moravského krasu na vybraných makroklimatických prvcích. – Referát na Sympoziu o speleoterapii, 20.—24. února 1986, Blansko.
• Seymore F.W., Ryan R.M., Corelli J.C. (1980): Radon and radon daughter levels in Howe Caverns. – Health Physics, 38/5: 858—859. Pergamon Press, USA.
• Spurný Z. (1984): Atmospheric ions and probable indirect biological effect of low-level radiation. – Jaderná energie 30/4: 138—142. Praha.
• Spurný Z., Šulcová J., Kočí J. (1982): Radioaktivita v jeskyních československého krasu. – Československý kras, 32: 7—11. Praha.
• Stromp L., Dobiášová N. (1984): Výsledky meraní dcérskych produktov radónu v Slovenských jaskyniach. – Sborník abstrakt XII. Radiohygienických dnů (3.—7.12.1984): 131. Hrubá Skála.
• Tintilozov Z.K. (1976): Karstovyje peščery Gruzii (Morfologičeskij analiz). – Izdateľstvo Mecniereba: 1—275. Tbilisi. [Тинтилозов З.К. (1976): Карстовые пещеры Грузии (морфологический анализ). – Мецниереба: 1—275. Тбилиси.]
• Vancl V. (1982): Dozimetrie ionizujícího záření v čs. uranovém průmyslu. – Čs. uranový průmysl: 1—104. Příbram.
• Wilkening M.H., Watkins D.E. (1976): Air exchange and ²²²Rn concentrations in the Carlsbad Caverns. – Health Physics, 31/2: 139—145. Northern Ireland.
• Yarborough K.A. (1980): Radon- and thoron-produced radiation in National Park Service Caves. – In: Gessel T.F., Wayne L.: Natural Radiation Environment III (sborník mez.sympozia 22.—28. 4. 1978), 2: 1371—1395. Houston.