La radioattività ambientale e il fondo naturale

La radiazione di fondo è la radiazione ionizzante “normalmente” presente nell’ambiente, derivante da una varietà di fonti, sia naturali che artificiali: radiazioni cosmiche e radioattività ambientale, come ad es. quella prodotta dai materiali radioattivi naturali (ad es. radon e radio), dai test storici delle bombe atomiche e nucleari, dagli incidenti verificatisi in passato in alcune centrali nucleari, etc.

In pratica, se nessuna fonte specifica di radiazioni ionizzanti risulta preoccupante, la misura totale della dose di radiazioni presa in un determinato sito è generalmente chiamata radiazione di fondo, e questo è di solito il caso in cui viene misurato il tasso di dose ambientale (o intensità della dose) a fini ambientali, che è la quantità di radiazione alla quale si è esposti in un’ora, espressa in microSievert all’ora. La radiazione di fondo varia, comunque, sia con la posizione sia con il tempo.

Più in generale, la radiazione di fondo è quella dovuta a tutte le fonti diverse da quella che vogliamo misurare. La misurazione del fondo è dunque importante quando le misure di radiazione sono prese per una sorgente di radiazione specifica e lo sfondo può influenzare tale misurazione. Un esempio può essere la rilevazione di una contaminazione radioattiva in un fondo di raggi gamma, il quale potrebbe aumentare la lettura totale rendendola superiore a quella dovuta alla sola contaminazione.

La radiazione di fondo naturale

La radiazione di fondo naturale è prodotta dalle radiazioni cosmiche e dalla radioattività ambientale naturale. L’esposizione alle radiazioni provenienti dalle fonti naturali è una caratteristica inevitabile della vita quotidiana sia negli ambienti lavorativi che negli ambienti pubblici. Questa esposizione è nella maggioranza dei casi poco o nessuna preoccupazione per la società, in quanto tutti gli esseri viventi si sono adattati evolutivamente nel corso del tempo a tale livello di esposizione.

La radioattività ambientale naturale è dovuta al materiale radioattivo che si trova in tutta la natura. Quantità rilevabili di radioattività naturale si possono infatti misurare nel suolo, nelle rocce, nell’acqua, nell’aria e nella vegetazione, ed in ciò che viene inalato e ingerito dal nostro corpo. Oltre a questa esposizione interna, gli esseri umani hanno un’esposizione esterna ai materiali radioattivi che rimangono al di fuori del proprio corpo e alle radiazioni cosmiche provenienti dallo spazio.

La media mondiale della dose equivalente assorbita dagli esseri umani dovuta alla radiazione di fondo naturale è di circa 2,4 millisievert (mSv) all’anno. Questo valore deve costituire il riferimento per stimare eventuali valutazioni di rischio radioprotezionistico. Tuttavia il livello del fondo naturale di radioattività varia significativamente da luogo a luogo. In Italia, ad esempio, la dose equivalente media valutata per la popolazione è di 3,3 mSv/anno, ma varia molto da regione a regione.

La dose efficace individuale media annuale per la popolazione italiana risente del contributo della esposizione al radon indoor, superiore alla media mondiale, e della esposizione a radiazioni gamma terrestri, legate entrambe alla presenza di radionuclidi di origine naturali presenti nella crosta terrestre. Nella tabella qui sotto è possibile vedere i singoli contributi.

Stima dei contributi della radiazione di fondo naturale alla dose efficace media individuale annua della popolazione italiana (fonte: ISPRA).

La dose equivalente di 2,4 mSv/anno che si ha, in media, a livello mondiale è pari a quattro volte la media mondiale della dose equivalente dovuta invece alle radiazioni ionizzanti artificiali, che nel 2008 ammontava a circa 0,6 mSv all’anno. In alcuni paesi ricchi – come gli Stati Uniti e il Giappone – la dose equivalente annua dovuta alla radiazione artificiale è in media superiore a quella dovuta alla radiazione naturale, a causa di un maggiore accesso della popolazione all’imaging medico.

La radiazione cosmica secondaria

La Terra e tutti gli esseri viventi sono costantemente bombardati dalla radiazione proveniente dallo spazio – nota come radiazione cosmica – costituita principalmente da ioni carichi positivamente che vanno dai singoli protoni fino al ferro ed a nuclei più grandi provenienti da sorgenti esterne al nostro Sistema Solare.

Questa radiazione cosmica interagisce con gli atomi presenti nell’atmosfera terrestre creare una pioggia di radiazioni secondarie, tra cui raggi X, muoni, protoni, particelle alfa, pioni, elettroni e neutroni. La dose immediata prodotta dalla radiazione cosmica è dovuta in gran parte ai muoni, ai neutroni ed agli elettroni, e varia nelle diverse parti del mondo a seconda del campo geomagnetico e dell’altitudine.

Ad esempio, a 1650 metri si riceve una dose raggi cosmici circa doppia rispetto a quella al livello del mare. La radiazione cosmica al livello del mare si manifesta solitamente come raggi gamma di 511 keV di energia prodotti dall’annichilamento dei positroni creati dalle reazioni nucleari di particelle ad alta energia e raggi gamma. Alle alte quote c’è anche il contributo dello spettro continuo di bremsstrahlung.

La maggior parte del fondo naturale di neutroni è un prodotto dei raggi cosmici che interagiscono con l’atmosfera. L’energia dei neutroni raggiunge circa 1 MeV e scende rapidamente al di sopra. A livello del mare, la produzione di neutroni è di circa 20 neutroni al secondo per chilogrammo di materiale che interagisce con i raggi cosmici (o circa 100-300 neutroni per metro quadrato al secondo). Il flusso dipende dalla latitudine geomagnetica, con un massimo vicino ai poli magnetici.

La radiazione cosmica secondaria è molto più intensa nella troposfera superiore, a circa 10 km di altitudine, ed è quindi di particolare preoccupazione per gli equipaggi delle compagnie aeree e per i passeggeri che trascorrono molte ore all’anno sugli aerei. Durante i loro voli, gli equipaggi delle compagnie aeree hanno in genere una dose aggiuntiva dell’ordine di 2,2 mSv all’anno.

Allo stesso modo, i raggi cosmici primari causano un’esposizione di fondo più elevata negli astronauti rispetto agli esseri umani che vivono sulla superficie della Terra. Gli astronauti che operano in orbite basse – come avviene nella Stazione Spaziale Internazionale o in navette tipo lo Space Shuttle – sono parzialmente schermati dal campo magnetico della Terra, ma soffrono anche della “fascia di Van Allen”, che accumula i raggi cosmici ed è prodotta dal campo magnetico terrestre.

Al di fuori della bassa orbita terrestre – come sperimentato dagli astronauti Apollo che hanno viaggiato verso la Luna – questa radiazione di fondo è molto più intensa e rappresenta un notevole ostacolo alla potenziale futura esplorazione umana a lungo termine della Luna stessa o di Marte.

La radioattività ambientale naturale

Una componente della radioattività ambientale naturale è dovuta agli stessi raggi cosmici secondari, i quali causano anche la trasmutazione di elementi chimici presenti nell’atmosfera, combinandosi con nuclei atomici che si trovano in essa e generando così diversi nuclidi, ad un tasso considerato praticamente costante su lunghe scale di tempo, da migliaia a milioni di anni.

In tal modo, possono essere prodotti molti cosiddetti “nuclidi cosmogeni”, ma probabilmente il più notevole di questi è il carbonio-14, un isotopo di carbonio debolmente radioattivo. Questi nuclidi raggiungono la superficie terrestre e possono venire incorporati dagli organismi viventi. L’incorporazione in organismi e l’emivita relativamente breve del carbonio-14 sono i principi utilizzati nell’analisi al carbonio per datare antichi materiali biologici, quali manufatti in legno o resti umani.

Tuttavia, la componente principale della radioattività ambientale naturale è quella di origine terrestre. Le radiazioni terrestri comprendono solo fonti che restano esterne al corpo. I principali radionuclidi di preoccupazione sono il potassio, l’uranio e il torio ed i loro prodotti di decadimento, alcuni dei quali – come radio e radon – sono fortemente radioattivi ma si presentano in basse concentrazioni.

La più grande fonte di radiazioni del fondo naturale è il radon, un gas radioattivo che emana dal suolo e si propaga nell’aria. Il radon ed i suoi prodotti di decadimento contribuiscono a una dose media inalata di 1,26 mSv/anno. Il radon è distribuito in modo non uniforme e la sua distribuzione varia con il tempo, per cui si possono ricevere dosi molto più elevate in molte aree del mondo, dove rappresenta un pericolo per la salute, essendo la seconda causa di cancro polmonare dopo il fumo.

La maggior parte del fondo atmosferico naturale è causata dal radon e dai suoi prodotti di decadimento. Lo spettro gamma mostra picchi prominenti a 609, 1120 e 1764 keV, appartenenti al bismuto-214, un prodotto di decadimento del radon. Il fondo atmosferico, comunque, varia notevolmente con la direzione del vento e con le condizioni meteorologiche. Il radon può essere rilasciato dal suolo anche in episodi improvvisi, formando “nubi di radon” in grado di viaggiare per decine di chilometri.

Il radon viene prodotto di continuo con un decadimento radioattivo dell’isotopo Rn-222 presente nelle rocce. Pertanto, anche alcune sorgenti di acqua sotto terra contengono quantità significative di radon. Per essere classificata come acqua minerale con radon, la concentrazione del radon deve essere superiore ad un minimo di 2 nCi/L (o, equivalentemente, a 74 Bq/L). In Italia, l’attività dell’acqua minerale con radon raggiunge i 2.000 Bq/L a Merano e 4.000 Bq/L nel villaggio di Lurisia, nelle Alpi Ligure.

Il torio e l’uranio (e i loro prodotti di decadimento) sono sottoposti principalmente a decadimento alfa e beta e non sono facilmente rilevabili. Tuttavia, molti dei loro prodotti di decadimento sono forti emettitori di gamma. Il livello di radioattività naturale di origine terrestre tende ad essere, sul mare e su altri grandi corpi d’acqua, circa un decimo del fondo naturale terrestre. Viceversa, le zone costiere e intorno ai corpi d’acqua possono avere un ulteriore contributo dal sedimento disperso.

Alcuni degli elementi essenziali che compongono il corpo umano – principalmente il potassio e il carbonio – presentano isotopi radioattivi che aumentano significativamente la nostra dose di radiazioni di fondo. Un essere umano medio contiene circa 30 milligrammi di potassio-40 e circa 10 nanogrammi di carbonio-14, che ha una durata di decadimento di 5.730 anni. Escludendo la contaminazione interna da materiale radioattivo esterno, la componente più grande dell’esposizione interna delle radiazioni da componenti biologicamente funzionali del corpo umano è da potassio-40.

Tuttavia, un atomo di carbonio-14 si trova nel DNA di circa la metà delle cellule, mentre il potassio non è una componente del DNA. Il decadimento di un atomo di carbonio-14 nel DNA di una persona succede circa 50 volte al secondo, trasformando un atomo di carbonio in uno di azoto. La dose interna media globale da radionuclidi diversi dal radon e dai suoi prodotti di decadimento è di 0,29 mSv/anno (di cui 0,17 mSv/anno da potassio-40, 0,12 mSv /anno dalla serie di uranio e torio e 12 μSv/anno dal carbonio-14).

 

Riferimenti bibliografici:

• Background radiation, https://en.wikipedia.org/wiki/Background_radiation
• Annuario dei dati ambientali, ISPRA (2006), http://annuario.isprambiente.it/sites/default/files/pdf/2005-2006/versione_integrale/Radiazioni%20ionizzanti.pdf