La radioattività atmosferica di fondo.

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1 La radioattività atmosferica di fondo. Monitoraggio tramite radiosondaggi a Vigna di Valle 05/07/ Abstract This paper deals with the radioactivity measurement in the atmosphere performed in Italy by the Air Force Meteorological Service. A brief history ofsuch activity is followed by the instrumentation description currently in use at ReSMA (Vigna di Valle Rome) and by the monitoring activity details referred to the last three years. Introduzione e cenni storici Il Reparto di Sperimentazioni di Meteorologia Aeronautica (ReSMA) ed è un organo del Servizio Meteorologico dell Aeronautica Militare Italiana che, insieme ad altre attività d istituto, è preposto alla gestione, all accentramento, al controllo di qualità ed alla elaborazione delle misure di alcuni parametri atmosferici detti speciali, in quanto legati al monitoraggio della composizione chimico-fisica dell atmosfera ed alle caratteristiche del sistema climatico nel suo complesso. Tra questi parametri rientra la misura della radioattività di fondo dell atmosfera, sebbene non ancora inserita in nessuna componente specifica del programma di Veglia Atmosferica Globale (GAW), promosso dall Organizzazione Mondiale per la Meteorologia (WMO) [1]. L interesse per la misura della radioattività dell aria da parte dell Aeronautica Militare ha origine nel 1961, nel quadro della convenzione stipulata tra il Centro Nazionale delle Ricerche (CNR) ed il Ministero della Difesa- Aeronautica. Tale convenzione prevedeva la costituzione di un Gruppo Nazionale di Misura della Radioattività dell Aria (GNMRA), avvenuto nel 1964 in seguito ad un accordo tra CENFAM (Centro Nazionale per la Fisica dell Atmosfera e la Meteorologia, denominato in seguito IFA Istituto di Fisica dell Atmosfera) e ITAV (Ispettorato delle Telecomunicazioni e dell Assistenza al Volo) con il compito di effettuare ed analizzare misure sistematiche globali di radioattività dell aria. L utilizzo di tali dati era duplice: un primo aspetto era legato alla sorveglianza di tipo sanitario, il secondo era rivolto all indagine del moto delle masse d aria dalla

2 stratosfera agli strati più bassi, utilizzando la radioattività come tracciante naturale. Il monitoraggio della radioattività veniva effettuato tramite raccoglitori di particolato atmosferico a terra situati presso alcune stazioni dell A.M. (tra cui l OSSMA di Vigna di Valle, l attuale ReSMA) e tramite il lancio di radiosonde sperimentali dotate di contatori Geiger-Müller. Il lancio di tali sonde avveniva solo in concomitanza di esperimenti nucleari in atmosfera (es. Sinkiang Cina, nel 1967). Il GNMRA continuò ad operare, così come fu creato, sino al 1979; successivamente l attività prosegui con il solo personale dell IFA, sebbene le stazioni dell A.M. abbiano continuato ad effettuare i prelievi di particolato atmosferico fino alla fine degli anni 90, inviandoli ai preposti laboratori di analisi [2, 3]. Sotto l iniziativa diretta del ReSMA il monitoraggio della radioattività atmosferica riprese nel 1997, a partire dal quale, si è svolta una campagna biennale di misure, effettuata da sei stazioni distribuite uniformemente sul territorio nazionale, attraverso aerosondaggi equipaggiati da contatori Geiger-Müller [4]. Tale attività è stata poi completamente accentrata presso il ReSMA, dove sono stati effettuati aerosondaggi completi di sensore per la radioattività di ultima generazione fino a tutto il 2010, consentendo la valutazione dei profili atmosferici verticali relativi alla radiazione beta ed alla radiazione gamma. Il monitoraggio della radiazione beta e gamma in atmosfera, l individuazione di profili di riferimento e delle fluttuazioni riconducibili a fenomeni naturali, risulta di notevole importanza ai fini della riduzione del rischio di diffusione di falsi allarmi di tipo nucleare. Inoltre nel caso di rilevazione di valori anomali di radioattività, l osservazione dell altezza ed del movimento degli strati atmosferici contaminati, consentirebbe di prevederne lo spostamento ed il fall-out, quest ultimo riconducibile prevalentemente al trasporto con le precipitazioni. Scopo di questo lavoro è quello di presentare quanto osservato mediante l attività di monitoraggio della radioattività atmosferica di fondo finora svolta. Radioattività della materia (Richiami di fisica) La radioattività è un fenomeno peculiare delle caratteristiche costitutive della materia. E per questo che si può rilevare la sua manifestazione in tutto ciò che ci circonda: aria, acqua, terra, stelle, oggetti, esseri viventi e nei nostri stessi corpi. La materia con cui siamo a contatto, diretto o indiretto, é costituita da atomi, la maggior parte dei quali sono considerati stabili e non radioattivi ed altri instabili e quindi radioattivi. Un atomo consiste in un nucleo estremamente piccolo di carica positiva, circondato da una nuvola di elettroni di carica negativa. All'interno dell'atomo, il nucleo é costituito da protoni carichi positivamente e da neutroni privi di carica e perciò neutri (come dice il loro stesso nome). Negli atomi stabili non radiativi, il numero di protoni (carichi positivamente) é uguale al numero di elettroni (carichi negativamente), così che l'atomo é elettricamente neutro. Un atomo che, oltre al numero fisso di protoni del nucleo che lo caratterizza, possiede un numero non uguale di neutroni viene identificato come isotopo di quell elemento. Oltre agli isotopi da sempre presenti in natura (isotopi naturali), esistono oggi un gran numero di isotopi artificiali, cioè prodotti dall'uomo. Gli isotopi presenti in natura sono quasi tutti stabili. Tuttavia, alcuni isotopi naturali, e quasi tutti gli isotopi artificiali, presentano nuclei instabili, a causa di un eccesso di protoni e/o di neutroni. Tale instabilità provoca la trasformazione spontanea in altri isotopi, accompagnata da emissione di radiazioni ionizzanti. In presenza di questo fenomeno si parla di isotopi radioattivi. La trasformazione di un atomo radioattivo porta alla produzione di un altro atomo, che può essere anch'esso radioattivo oppure stabile. Essa é normalmente conosciuta come decadimento e, a seconda dei casi, può completarsi in tempi estremamente brevi o estremamente lunghi (tempo di vita media). Col trascorrere dei millenni, la maggior parte degli elementi naturali radioattivi, attraverso il processo di decadimento, hanno cessato di essere tali. Tuttavia, esistono ancora oggi in natura alcuni isotopi radioattivi, e non é cessato l'apporto esterno di radioattività prodotto dal bombardamento di raggi cosmici a cui siamo tuttora sottoposti. Ecco perché tutto quello che ci circonda é "naturalmente" radioattivo. Esistono tre diversi tipi di decadimenti radioattivi, che si differenziano il base alla particella emessa, dunque in base alla radiazione prodotta: Radiazione Alfa: riguarda emissioni di nuclei di elio (due protoni + due neutroni), da parte di atomi nei cui nuclei sono generalmente contenute quantità eccessive di protoni e neutroni. Ciò che rimane è un atomo dal cui nucleo mancheranno, ovviamente, due protoni e due neutroni rispetto a quello originario. Tale elemento

3 potrà rimanere un isotopo ancora instabile o raggiungere la stabilità. Le radiazioni alfa, per loro natura, sono poco penetranti e possono essere completamente bloccate da un semplice foglio di carta o dalla pelle. Radiazione Beta: consiste nell emissione di elettroni da parte di atomi nei cui nuclei sono contenute quantità eccessive di neutroni. In particolare, uno dei neutroni del nucleo si disintegra in un protone e nell elettrone che viene emesso assieme ad un neutrino (beta +) o ad un antineutrino (beta -). Tale disintegrazione trasforma l atomo interessato in un isotopo con un protone (in più) che ha preso il posto di un neutrone (in meno) all interno del suo nucleo. Le radiazioni beta sono più penetranti di quelle alfa, ma possono essere completamente bloccate da piccoli spessori di materiali metallici (ad esempio, pochi millimetri di alluminio). Radiazione Gamma: a differenza delle radiazioni alfa e beta, che sono di tipo corpuscolare e dotate di carica (positiva le alfa, negativa le beta), la radiazione gamma risulta essere l emissione di un onda elettromagnetica (fotone) molto più energetica della luce o dei raggi X. Spesso la radiazione gamma accompagna una radiazione alfa o una radiazione beta. Infatti, dopo l'emissione alfa o beta, il nucleo, ancora eccitato per lo squilibrio energetico subito, si libera rapidamente del surplus di energia attraverso l'emissione di una radiazione gamma tale da fargli raggiungere una situazione di equilibrio. Al contrario delle radiazioni alfa e beta, la grande energia contenuta nelle radiazioni gamma le rende molto penetranti, e per bloccarle occorrono rilevanti spessori di materiali ad elevata densità come il piombo. I meccanismi di interazione delle suddette radiazioni con la materia sono diversi a seconda del tipo di radiazione, della sua energia e delle caratteristiche del materiale attraversato. Ne segue una diversa capacità di penetrazione dei vari tipi di radiazioni nei vari materiali. Sostanzialmente la radiazione interagisce con la materia trasferendo ad essa energia attraverso ionizzazioni ed eccitazioni degli atomi e delle molecole del mezzo attraversato. Fig. 1 - Schema della capacità di penetrazione delle radiazioni Alfa, Beta e Gamma In atmosfera, la radioattività ha tre fonti principali: raggi cosmici, radioattività atmosferica naturale, radioattività prodotta da attività umane. Le prime due fonti costituiscono la radioattività atmosferica di fondo che viene rilevata in ogni radiosondaggio; una fonte artificiale può generarne variazioni anche notevoli. Mediamente, al livello del suolo, l intensità della radiazione naturale varia da a 0.09 µgy/h, cresce con l altezza fino a raggiungere valori compresi tra 5 e 8 µgy/h per poi tornare a decrescere [5, 6, 7]. Unità di misura della radioattività Nel Sistema Internazionale (SI) l unità di misura dell intensità della radiazione è il Grays per ora (Gy/h), dove il Gray, espressione di una forza su una massa (Joule/Kg), è l unità di misura della dose di radiazione assorbita dalla materia se sottoposta a radiazione ionizzante. La misura della radioattività in termini di Gy/h, riferendosi alla quantità di energia assorbita dalla materia, prescinde dalla valutazione degli effetti che tale energia determina su di essa. A tale scopo è stato definito il fattore RBE (Relative Biological Effectiveness) che,

4 moltiplicato per la quantità di dose assorbita, fornisce una nuova unità di misura: il Sievert (Sv), detta dose equivalente assorbita (1 Sv = 1 Gy*RBE). Il fattore RBE varia a seconda del tipo di radiazione: per raggi gamma, raggi X e raggi beta il fattore RBE risulta pari ad 1, mentre per particelle alfa il fattore può assumere un valore compreso tra 10 e 20. Un altra unità di misura della radioattività del SI che non tiene conto né dell energia, né dei suoi effetti sulla materia, è il Becquerel (Bq), ovvero il numero di decadimenti al secondo. Lo strumento più comune per misurare il numero di eventi ionizzanti in un volume è il contatore Geiger- Müller (GM). Esso tuttavia non può misurare l energia delle particelle rilevate, né la quantità di carica da esse prodotte. Dunque, in generale, risulta improprio riferire una misura effettuata da un contatore GM ad una intensità di dose di esposizione (o di esposizione equivalente) assorbita. Tuttavia in laboratorio si possono determinare delle curve sperimentali di equivalenza riferendosi ad un elemento specifico, come ad esempio il Cesio 137. La misura ottenuta con un contatore GM può essere invece riferita ad un equivalente valore in Becquerel, se è nota la sensibilità del contatore. Tale sensibilità dipende in modo proporzionale dal volume del sensore e dalla trasparenza delle sue pareti. Metodologia della misura La misura della radioattività atmosferica, eseguita presso ilresma in località Vigna di Valle (42 06 N, E), è stata effettuata tramite radiosonde RS92 SPG Vaisala (misura dei parametri standard: temperatura, umidità, pressione, direzione e velocità del vento), integrate da uno specifico sensore (NSS921), costituito da due tubi Geiger-Muller (G-M). Il primo misura solo la radiazione gamma, mentre l altro misura sia la gamma che la beta (> 0.25 MeV). La radiazione che attraversa le pareti del tubo, interagisce con il gas in esso contenuto producendo particelle ionizzate che vengono rilevate in base alle piccole scariche elettriche da esse prodotte ed opportunamente amplificate. Il livello di radiazione è fornito dal numero di particelle ionizzate, rilevate al secondo (count per second - cps) [8, 9]. La sonda completa di sensore per la radioattività viene rilasciata in atmosfera agganciata ad un pallone di lattice biodegradabile gonfiato con una quantità di elio sufficiente a far salire il tutto ad una velocità approssimativamente costante pari a 5 m/s. A terra il sistema DigiCORA III MW 21 permette la ricezione e l elaborazione dei dati. Un andamento tipico del profilo verticale beta e gamma è illustrato in fig. 2. Il grafico proposto mostra in tempo reale le misure di temperatura, radiazione gamma e radiazione beta, effettuate della sonda lanciata alle ore 13:00 del 15 dicembre Nello specifico caso, tale aerosondaggio raggiunse l altezza massima di metri (6 hpa) in 6836 secondi.

5 Fig. 2 - Sondaggio del (ore 13:00): profili verticali di temperatura, radiazione gamma e radiazione beta, ottenuti in tempo reale dal sistema Digicora III MW 21. Analisi dei dati Nei radiosondaggi effettuati dal 2006 al 2010, l altezza massima raggiunta in atmosfera dalla radiosonda è stata di metri (sondaggio del 12 ottobre 2010); mediamente l altezza raggiunta dagli altri sondaggi presi in esame è pari a metri. Dai dati raccolti ed analizzati si è potuto constatare che la radiazione beta raggiunge il suo massimo intorno ai 5 cps, mentre quella di tipo gamma ha il suo massimo intorno ai 10 cps. Entrambi i massimi si raggiungono ad una quota compresa tra i 15 Km ed i 22 Km. Tali profili verticali,in base alla curva sperimentale di relazione tra cps e Gy/h (riferita al Cesio 137) fornita dalla Vaisala, risultano consistenti con la distribuzione della radiazione naturale di fondo prevalentemente originata dai raggi cosmici [8]. Il contributo più ingente dei raggi cosmici che, dallo spazio attraversano l atmosfera, dipende dall altitudine in ragione delle due componenti denominate radiazione primaria e secondaria. La radiazione cosmica primaria è costituita da particelle di carica positiva emesse dai corpi stellari, in gran parte protoni e positroni (elettroni con carica positiva), dirette verso la terra percorrendo traiettorie più o meno lunghe a seconda dell energia a disposizione. In prossimità della terra esse sono soggette all'azione deviante del campo magnetico terrestre il quale permette solo a quelle dotate di elevata energia di giungere al livello del suolo. I raggi cosmici secondari sono generati dall'interazione di quelli primari con l'atmosfera terrestre. Gli urti tra le particelle ad alta energia e gli atomi presenti nell'aria, producono sciami di radiazioni secondarie (mesoni, elettroni, fotoni, protoni e neutroni). A loro volta le nuove particelle possono creare altre radiazioni cosicché da un singolo raggio primario si può formare uno sciame di milioni di particelle secondarie. I raggi cosmici primari vengono quasi totalmente assorbiti nello strato più alto dell'atmosfera dove, a causa della bassissima densità dell aria, la moltitudine di particelle, sebbene altamente energetiche, hanno a disposizione poche molecole con cui collidere per produrre radiazione ionizzata. Intorno ai 20 km dal livello del mare, i raggi cosmici sono quasi interamente di natura secondaria. La dose generata dai raggi cosmici aumenta quindi dall'estremo limite dell'atmosfera fino a raggiungere un massimo intorno alla quota di 20 km, (dove si ottimizza l interazione dovuta alla presenza di particelle energetiche e la densità di molecole ionizzabili) dovuto alla crescita della componente secondaria pur considerando la suddetta diminuzione di intensità della

6 radiazione primaria. Sotto i 20 km anche le particelle secondarie subiscono una progressiva attenuazione sia in numero che in energia e, pur aumentando la presenza di molecole ionizzabili, la dose decresce. In fig. 3 sono rappresentati i profili verticali della radiazione beta (linee tratteggiate) e della radiazione gamma (linee continue) rilevati in sei sondaggi effettuati tra il 2008 ed il In tale grafico l atmosfera è stata suddivisa in strati di spessore pari a 80 metri e, per ogni strato, è stato riportato il valore mediano in esso calcolato, relativamente ai due tipi di radiazione. Tale operazione ha permesso di rappresentare tutti i sondaggi rispetto ad un unico asse verticale, nonché di migliorare la leggibilità del grafico stesso. L uso della mediana, anziché della media, permette di avere, in ogni strato, una statistica robusta. Fig. 3 Profili verticali della radiazione beta (linee tratteggiate) e della radiazione gamma (linee continue) rilevati in alcuni sondaggi effettuati tra il 2008 ed il Conclusioni I sondaggi atmosferici effettuati a Vigna di Valle dal 2008 al 2010 evidenziano un andamento molto regolare e stabile della radioattività atmosferica di fondo. Le differenze tra le misure ottenute nei vari sondaggi risultano essere di entità minima e pertanto i profili verticali della radiazione, finora acquisiti, possono essere utilizzati per definire un profilo medio di riferimento rappresentativo della radiazione atmosferica di fondo di tipo beta e gamma. Un monitoraggio continuo di suddetti parametri, grazie al confronto con il profilo di riferimento, consentirebbe una tempestiva valutazione del rischio nucleare e delle sue eventuali ricadute sulla popolazione. Ringraziamenti Per le preziose informazioni di carattere storico citate nel primo paragrafo, gli autori desiderano ringraziare il Sig. Luigi Spadacenta, membro del Servizio Meteorologico dell Aeronautica Militare. Reparto di Sperimentazioni di Meteorologia Aeronautica PDC: Cap. Vergari Stefania (vergari@meteoam.it)

7 to contct: Bibliografia [1] [2] Pavesi B. e al., Il pulviscolo atmosferico inquinante e tracciante: indirizzi, metodi di lavoro e risultati di alcune indagini sperimentali. Rivista di Meteorologia Aeronautica, Vol. XXXV, N.4 (1975). [3] Dietrich E. e al., Radioattività atmosferica: cenni di misure ed analisi effettuate in Italia negli ultimi 25 anni. Atti del convegno sulle attività di sorveglianza dell inquinamento atmosferico in Italia. Aeronautica Militare, OSSMA, Vigna di Valle (1984). [4] Giannoccolo S. e al., Contributo al monitoraggio del sistema climatico ad allo studio dell atmosfera. Rivista di Meteorologia Aeronautica - Sommario Climatologico, Anno 59, supplemento ai NN. 3-4 (1999). [5] Hodgson P. E. & al., Introductory Nuclear Physics. Clarendon Press, [6] Knoll G. F., Radiation Detection and Measurement. John Wiley & Sons, [7] Turner J. E., Atoms, Radiation, and Radiation Protection. Wiley-VCH, [8] Vaisala, Radioactivity Sounding with Digital Vaisala Radiosonde RS92 - USER'S GUIDE. Ref. Code M210616EN-A, [9] Vaisala, User s Guide for RS92 SGP Radiosondes. Ref. Code M210295en-A, June Autore : Magg. Foti F., Cap. Vergari S., M.llo Pascucci L.