SEZONOWE ZMIANY AKTYWNOŚCI RADONU W

E C O LO GIC AL C H E M IS T R Y AN D E N GIN E E R IN G S
Vol. 15, No. 1
2008
Agnieszka DOŁHAŃCZUK-ŚRÓDKA*1, Zbigniew ZIEMBIK*, Ewa CHALECKA**
i Maria WACŁAWEK*
SEZONOWE ZMIANY AKTYWNOŚCI RADONU
W POMIESZCZENIACH MIESZKALNYCH
SEASONAL CHANGES IN 222Rn ACTIVITY IN APARTMENT ROOMS
Streszczenie: Przedstawiono wyniki pomiarów aktywności 222Rn wykonanych przez uczniów Gimnazjum
w Strzeleczkach, którzy pod kierunkiem nauczyciela chemii umieszczali w swoich domach (znajdujących się
na terenie gminy Strzeleczki) na okres 2 miesięcy detektory śladowe. Pomiary powtarzano dwukrotnie:
w sezonie zimowym i w letnim 2007 roku. Do pomiaru aktywności 222Rn wykorzystano metodę detektorów
śladowych, którymi były klisze typu LR-115 firmy Kodak, czułe na promieniowanie alfa. Pomiary wskazują,
Ŝe wszystkie z ww. mieszkań spełniają obowiązujące zalecenia Komisji Europejskiej z dn. 21.02.1990 r.
(Commission Recommendation 90/143/Euratom) dotyczące dopuszczalnych aktywności radonu.
Przeprowadzone pomiary umoŜliwiły ocenę zagroŜenia radonem w badanym regionie, dodatkowym efektem
przedsięwzięcia było rozpropagowanie wśród młodzieŜy i mieszkańców gminy wiedzy na ten temat.
Słowa kluczowe: radioaktywność, 222Rn, zalecenia Komisji Europejskiej
Radon jest radioaktywnym gazem szlachetnym, około 8-krotnie cięŜszym od powietrza. Spośród 27 znanych izotopów tego pierwiastka dwa, tj.: 222Rn i 220Rn, oba emitujące
promieniowanie alfa, mogą wnosić duŜy wkład do całkowitej dawki promieniowania
jonizującego. W wielu krajach, w tym w Polsce, oceniono, Ŝe 40÷50% całkowitej dawki
od naturalnych źródeł promieniotwórczych pochodzi od radonu i produktów jego rozpadu. Największą dawkę pochodzącą od radonu otrzymuje statystyczny mieszkaniec Polski
podczas przebywania w budynku [1].
Badania stęŜenia radonu i jego pochodnych w powietrzu wewnątrz domów prowadzone w wielu krajach przez ponad 40 lat wykazały duŜy zakres zmienności: od stęŜeń
spotykanych w powietrzu atmosferycznym, tj. kilku Bq/m3, do kilkudziesięciu tysięcy
Bq/m3. W tabeli 1 przedstawiono wartości średnie obliczone w wielu krajach wraz
z zalecanymi w tych krajach dopuszczalnymi wartościami stęŜeń radonu zarówno dla
budynków juŜ istniejących, jak i nowo wybudowanych.
*
Zakład Badań Fizykochemicznych, Katedra Biotechnologii i Biologii Molekularnej, Uniwersytet Opolski,
ul. kard. B. Kominka 4, 45-032 Opole
** Gimnazjum w Strzeleczkach, ul. H. Sienkiewicza 37, 47-364 Strzeleczki
1
Autor do korespondencji: [email protected].
62
Agnieszka Dołhańczuk-Śródka, Zbigniew Ziembik, Ewa Chalecka i Maria Wacławek
Tabela 1
Wartości średnie obliczone w wielu krajach wraz z zalecanymi w tych krajach dopuszczalnymi wartościami
stęŜeń radonu zarówno dla budynków juŜ istniejących, jak i nowo wybudowanych [1]
Kraj
Średnie stęŜenie radonu
[Bq/m3]
Polska
38
Findlandia
120
Niemcy
40
USA
65
Słowacja
Szwecja
800
Szwajcaria
60
Wielka Brytania
28
* zalecenia Komisji Europejskiej.
Zalecane dopuszczalne wartości stęŜeń radonu
[Bq/m3]
Istniejące budynki
Nowe budynki
400
200*
800
200
150
10
500
500
800
140
800
800
400
80
Międzynarodowa Komisja Ochrony Radiologicznej podaje dwie wartości referencyjne (dla budynków mieszkalnych), powyŜej których naleŜy podjąć działania mające na
celu zmniejszanie stęŜenia radonu: 400 Bq/m3 - dla domów juŜ zbudowanych oraz
200 Bq/m3 dla domów nowo wybudowanych [2]. Badania statystyczne nad źródłami
radonu w powietrzu wewnętrznym budynków mieszkalnych wykazały dominującą rolę
podłoŜa gruntowego. W mniejszym stopniu za stęŜenia radonu odpowiedzialne są materiały budowlane oraz woda i spalany gaz ziemny [3]. Procentowy udział źródeł radonu
w powietrzu wewnątrz budynku przedstawiono w tabeli 2.
Tabela 2
Źródła radonu w powietrzu wewnątrz statystycznego budynku przy załoŜeniu wymiany powietrza
co godzinę [3, 4]
Źródło radonu
PodłoŜe gruntowe
Materiały budowlane
Powietrze atmosferyczne
Woda
Gaz ziemny
% udział
77,9
12,0
9,3
0,2
0,6
Radon przenika z podłoŜa i materiałów budowlanych do wnętrza budynków, co powoduje, Ŝe jego koncentracja w zamkniętych pomieszczeniach jest o wiele większa.
Wnika on do piwnic przez pęknięcia fundamentów, przez nieszczelności w osadzeniu rur
wodociągowych i kanalizacyjnych oraz systemy odwadniania. Nawet małe róŜnice ciśnień między gruntem pod fundamentem a wnętrzem pomieszczeń, wywołane przez wiatry i róŜnicę temperatur wewnątrz i na zewnątrz domu, powodują, Ŝe dom „zasysa” radon
z podłoŜa [5].
Metodyka pomiarów
Do pomiaru aktywności 222Rn wykorzystano metodę detektorów śladowych, którymi
były klisze typu LR-115 firmy Kodak, czułe na promieniowanie alfa. Cząstki alfa pozostawiają na swej drodze defekty strukturalne, które po wytrawieniu klisz w NaOH są
63
Sezonowe zmiany aktywności radonu w pomieszczeniach mieszkalnych
dobrze widoczne pod mikroskopem. Przy czterdziestokrotnym powiększeniu zliczano na
nich gęstość śladów.
Zaletą tego pomiaru jest rejestracja wartości średniej dla okresu ekspozycji, co jest
bardzo waŜne w przypadku radonu, którego stęŜenie w powietrzu jest zmienne w czasie.
Wyniki pomiarów i ich analiza
W pomiarach uczestniczyło 24 uczniów z Gimnazjum w Strzeleczkach, którzy pod
kierunkiem nauczyciela chemii umieszczali w swoich domach (znajdujących się na terenie gminy Strzeleczki) na okres 2 miesięcy detektory śladowe. Pomiary powtarzano
dwukrotnie: w sezonie zimowym i w letnim 2007 roku. Otrzymane dane zgromadzono
w tabeli, w której kolumny odpowiadały aktywności 222Rn (zmienna w skali ilorazowej)
oraz porze roku i rodzajowi pomieszczenia (zmienne nominalne). „Pora roku” była
zmienną o 2 poziomach („Lato” i „Zima”), a „rodzaj pomieszczenia” zawierał 3 poziomy
(„K” - kuchnia, „P” - piwnica i „Ł” - łazienka). Otrzymane wyniki pomiarów i zaleŜności
pomiędzy nimi były równieŜ analizowane za pomocą metod statystycznych. Do obliczeń
wykorzystano język R w wersji 2.6.1 [6].
W tabeli 3 przedstawiono dane charakteryzujące rozkład aktywności (a) 222Rn w budynkach mieszkalnych. Przedstawiono wartości minimalne (Q0), maksymalne (Q4),
kwartyle dolne (Q1), mediany (Q2), kwartyle górne (Q3) i wartości średnie (aśr).
Tabela 3
Dane charakteryzujące rozkład aktywności 222Rn w budynkach mieszkalnych
(a) 222Rn
w łazience [Bq/m3]
(a) 222Rn
w kuchni [Bq/m3]
(a) 222Rn
w piwnicy [Bq/m3]
Sezon zimowy
Sezon letni
Sezon zimowy
Sezon letni
Sezon zimowy
Sezon letni
Q0
3,90
1,00
1,00
1,00
7,80
3,90
Q1
41,9
6,83
40,9
3,90
66,3
11,7
Q2
66,3
13,6
54,6
7,80
74,1
27,3
Q3
83,8
24,4
66,3
28,3
91,6
38,0
Q4
222
62,4
250
46,8
230
265
aśr.
69,2
18,7
58,7
15,4
79,4
39,5
Na podstawie otrzymanych danych sporządzono wykresy ramkowe pokazujące obliczone parametry rozkładu aktywności radonu w róŜnych pomieszczeniach i z uwzględnieniem róŜnych pór roku (rys. 1). Podpisy pod ramkami oznaczają określone kombinacje zmiennych nominalnych.
Na rysunku zaznaczono wartość minimalną (odpowiadającą kwantylowi Q0), maksymalną (Q4) i medianę (Q2). Krawędzie górna i dolna ramki są wyznaczane przez wartości kwantyli 0,75 (Q3) i 0,25 (Q1), jeŜeli liczebność zbioru danych n jest liczbą nieparzystą. JeŜeli n jest parzyste, to dolna krawędź jest medianą sortowanego rosnąco zbioru
danych od 1 do n/2, a górna jest medianą posortowanego zbioru od n/2 + 1 do n. Tak
obliczone wartości wyznaczające połoŜenia krawędzi zwykle niewiele róŜnią się od Q1
64
Agnieszka Dołhańczuk-Śródka, Zbigniew Ziembik, Ewa Chalecka i Maria Wacławek
i Q2. Końce „wąsów” pokazują połoŜenia punktów Q0 i Q4, których odległość od mediany nie przekracza 1,5 róŜnicy połoŜeń krawędzi górnej i dolnej. „Nacięcia” na ramkach pozwalają na przybliŜoną ocenę statystycznej istotności hipotezy o równości pary
median. JeŜeli „nacięcia” dwóch ramek nakładają się, to na poziomie istotności 0,05 nie
moŜna odrzucić hipotezy o równości odpowiednich median, np. nie moŜna odrzucić hipotezy równości median aktywności radonu w kuchni i łazience zimą, ale tę samą hipotezę moŜna odrzucić dla median aktywności radonu w kuchni i piwnicy zimą [7]. JeŜeli
wartość „nacięcia” przekracza wartość Q0 lub Q4, to jest ono „zawijane”
w kierunku linii oznaczającej medianę (np. ramka przedstawiająca aktywność radonu
w kuchni latem).
Rys. 1. Wykresy ramkowe pokazujące obliczone parametry rozkładu aktywności radonu w róŜnych
pomieszczeniach i z uwzględnieniem róŜnych pór roku
Rys. 2. Histogram gęstości rozkładu prawdopodobieństwa aktywności radonu
Sezonowe zmiany aktywności radonu w pomieszczeniach mieszkalnych
65
Za pomocą testów Lillieforsa i Shapiro-Wilka zbadano istotność hipotezy normalności rozkładu zmiennej losowej. Do rozwaŜań przyjęto krytyczną wartość αkr równą 0,05.
Na rysunku 2 przedstawiono histogram gęstości rozkładu prawdopodobieństwa p
aktywności radonu. Pokazano takŜe krzywą rozkładu normalnego o wartości średniej
i odchyleniu standardowym obliczonymi z danych pomiarowych.
MoŜna zauwaŜyć, Ŝe rozkład ten znacznie odbiega od normalnego. Metody
statystyczne, które umoŜliwiają dokładniejszą ocenę wpływu czynników na aktywność
radonu, zwykle wymagają normalnego (lub niezbyt odbiegającego od normalnego)
rozkładu zmiennej losowej. Aby umoŜliwić zastosowanie tych metod do oceny związków
pomiędzy otrzymanymi aktywnościami radonu, zastosowano przekształcenie Box-Coxa
[8]. Jest ono definiowane za pomocą zaleŜności:
a' = (aw – 1)/w dla w ≠ 0 i a' = log(a) dla w = 0
(1)
gdzie a' jest transformowaną aktywnością a. Wykorzystując odpowiednie funkcje języka
R, stwierdzono, Ŝe najlepszym oszacowaniem wartość parametru w jest 0,28. Na rysunku
3 przedstawiono histogram gęstości rozkładu transformowanej aktywności radonu.
Rys. 3. Histogram gęstości rozkładu transformowanej aktywności radonu
MoŜna zauwaŜyć, Ŝe rozkład przedstawiony na rysunku 3 bardziej przypomina
normalny niŜ rozkład z rysunku 2. Testy Lillieforsa i Shapiro-Wilka jednak wykazały, Ŝe
rozkładu a' nie moŜna uznać za normalny na poziomie istotności 0,05. Jednak dalsze
obliczenia wykonywano z wykorzystaniem zmiennej a', uznając, Ŝe spełnia ona lepiej
wymagania wykorzystywanych metod obliczeniowych niŜ zmienna a.
Do oceny związków pomiędzy porą roku i rodzajem pomieszczenia na średnią
transformowaną aktywność radonu wykorzystano test t prób zaleŜnych. W tabeli 4
przedstawiono wyniki porównania a' zimą i latem. Średnią róŜnicę pomiędzy a' (we
wszystkich pomieszczeniach) zimą i latem oznaczono ∆a'śr, t oznacza wartość funkcji
66
Agnieszka Dołhańczuk-Śródka, Zbigniew Ziembik, Ewa Chalecka i Maria Wacławek
t Studenta, t0,95 jest 95% przedziałem ufności ∆a' i α jest prawdopodobieństwem
odpowiadającym wartości t.
Tabela 4
Wyniki porównania a' zimą i latem
∆a'śr
3,3
t
9,6
t0,95
2,6÷4,0
α
1,8·10–14
Dane przedstawione w tabeli 4 jednoznacznie wskazują na wzrost przeciętnej aktywności radonu w badanych pomieszczeniach mieszkalnych w okresie zimowym. Przeciętną wartość tego wzrostu ∆aśr moŜna oszacować, obliczając (∆a'śr)1/0,28. Wynosi ona
w przybliŜeniu 12 Bq/m3, co stanowi około 50% przyrost w stosunku do średniej letniej.
W tabeli 5 przedstawiono wyniki porównania a' w kuchni i łazience niezaleŜnie od
pory roku. MoŜna zauwaŜyć nieco mniejszą wartość a' w kuchni niŜ w łazience, jednak
ze względu na α > αkr naleŜy uznać, Ŝe nie jest to róŜnica statystycznie istotna.
Tabela 5
Wyniki porównania a' w kuchni i łazience niezaleŜnie od pory roku
∆a'śr
t
t0,95
α
–0,63
–1,9
–1,3÷0,0
0,06
W tabeli 6 przedstawiono wyniki porównania a' w kuchni i piwnicy niezaleŜnie od
pory roku. Wartość a' w piwnicy jest większa niŜ w kuchni. Przeciętna wartość tej róŜnicy to 6,5 Bq/m3, co stanowi około 18% aktywności radonu w kuchni.
Tabela 6
Wyniki porównania a' w kuchni i piwnicy niezaleŜnie od pory roku
∆a'śr
t
t0,95
α
–1,8
–6,1
–2,4÷–1,2
1,9·10–7
W tabeli 7 przedstawiono wyniki porównania a' w łazience i piwnicy niezaleŜnie od
pory roku. a' w piwnicy jest takŜe większa niŜ w łazience. Przeciętna wartość tej róŜnicy
to 4,2 Bq/m3, co stanowi niecałe 10% aktywności radonu w łazience.
Tabela 7
Wyniki porównania a' w łazience i piwnicy niezaleŜnie od pory roku
∆a'śr
t
t0,95
α
–1,2
–4,4
–1,7÷–0,6
6,4·10–5
Aby ocenić łączne wpływy pory roku i rodzaju pomieszczenia na a', wykonano analizę wariancji za pomocą modeli bez uwzględnienia (M1) i z uwzględnieniem interakcji
(M2) pomiędzy czynnikami. Otrzymane wyniki dla modelu M1 przedstawiono w tabeli 8. Parametr a'0 jest związany ze średnią aktywnością radonu w kuchni latem. Jego war-
67
Sezonowe zmiany aktywności radonu w pomieszczeniach mieszkalnych
tość wynosi 3,43, a odchylenie standardowe 0,38. Oszacowanie średniej wartości aktywności dla wskazanych wartości zmiennych opisujących rodzaj pomieszczenia
i porę roku moŜe być obliczone z zaleŜności a' = a'0 + ∆a'. Odchylenie standardowe
oznaczono jako s∆a'.
Tabela 8
Otrzymane wyniki dla modelu M1
Parametr i jego wartość
Pomieszcz. = Ł
Pomieszcz. = P
Pora = Zima
∆a'
0,63
1,82
3,31
s∆a'
0,47
0,47
0,38
t
1,3
3,9
8,7
α
0,18
1,7·10–4
1,1·10–14
Wyniki przedstawione w tabeli 8 pozwalają na stwierdzenie, Ŝe pomiędzy aktywnościami radonu w kuchni i łazience nie ma statystycznie istotnych róŜnic. Wzrost aktywności moŜna zaobserwować w piwnicy. MoŜna zauwaŜyć, Ŝe największy wpływ na a' ma
pora roku, np. zimą następuje znaczny wzrost aktywności radonu w pomieszczeniach.
2
Współczynnik wyznaczenia rM1
wynosi 0,39.
Wyniki obliczeń modelu M2 uwzględniającego moŜliwość interakcji pomiędzy czynnikami są przedstawione w tabeli 9. Dwa ostatnie wiersze tabeli opisują moŜliwy wpływ
interakcji pomiędzy czynnikami na a'. Wartość parametru a'0 wynosi 3,34,
2
a odchylenie standardowe 0,47. Współczynnik wyznaczenia rM2
wynosi 0,40.
Tabela 9
Wyniki obliczeń modelu M2 uwzględniającego moŜliwość interakcji pomiędzy czynnikami
Parametr i jego wartość
Pomieszcz. = Ł
Pomieszcz. = P
Pora = Zima
Pomieszcz. = Ł
Pora = Zima
Pomieszcz. = P
Pora = Zima
∆a'
0,52
2,21
3,50
s∆a'
0,67
0,67
0,67
t
0,78
3,32
5,25
α
0,44
1,2·10–3
5,6·10–7
0,23
0,94
0,25
0,80
–0,78
0,94
–0,83
0,41
Wnioski, które moŜna podać na podstawie wyników przedstawionych w tabeli 9, są
podobne do tych, które opisano przy analizie wyników z tabeli 8. MoŜna takŜe zauwa2
Ŝyć, Ŝe wpływ interakcji pomiędzy czynnikami jest nieistotny. Wartość rM2
wskazuje na
niewielki wzrost moŜliwości opisu danych pomiarowych przez model M2 w porównaniu
do M1. Jednak porównanie wariancji obu modeli wskazuje, Ŝe ich róŜnica nie jest statystycznie istotna (F = 0,64; αF = 0,53).
Wnioski
Zaobserwowano zróŜnicowane aktywności 222Rn w badanych budynkach mieszkalnych, które mieściły się w przedziale od 1 do 265 Bq/m3.. Uzyskane wyniki są zbliŜone
do danych otrzymywanych przez Centralne Laboratorium Ochrony Radiologicznej dla
68
Agnieszka Dołhańczuk-Śródka, Zbigniew Ziembik, Ewa Chalecka i Maria Wacławek
mieszkań w Polsce, zawartych w przedziale od 4 do 600 Bq/m3, przy średniej wartości
38 Bq/m3 [9]. RóŜnice te mogą być związane z lokalnymi właściwościami gruntu, właściwościami wykorzystanych materiałów budowlanych i sposobem wentylacji.
Metody statystyczne zastosowane do interpretacji danych pomiarowych prowadzą do
podobnych wniosków. Największy wpływ na aktywności radonu w badanych mieszkaniach ma pora roku, co najprawdopodobniej wynika ze zróŜnicowanego sposobu ogrzewania i wentylacji mieszkań. Nie ma istotnych róŜnic w aktywności radonu w łazienkach
i kuchniach, ale w piwnicach aktywność ta jest znacząco większa. Jest to związane z tym,
Ŝe piwnice są ulokowane poniŜej poziomu gruntu i stanowią pierwszy zbiornik przemieszczającego się z głębi ziemi radonu. Zwykle są to pomieszczenia słabo wietrzone.
Opisy obserwacji podobnych do naszych moŜna znaleźć w literaturze, takŜe tej, która
dotyczy odległych od Polski regionów świata, np. [10, 11].
Najłatwiejszym i niedrogim sposobem ochrony przed nadmierną dawką, jaką moŜemy otrzymać od radonu jest częsta wymiana powietrza poprzez wietrzenie pomieszczeń.
Aktywność 222Rn w powietrzu atmosferycznym jest rzędu tylko kilku Bq/m3.
Literatura
[1] Biernacka M., Isajenko K., Mamont-Cieśla K. i śak A.: Badanie radiologiczne w otoczeniu składowiska
fosfogipsów w Wiślince. CLOR, Warszawa 2005.
[2] Zalecenia Międzynarodowej Komisji Ochrony Radiologicznej, Publikacja 39, 1984.
[3] Pawula A.: Kryteria radiologiczne w ocenie przydatności terenu pod budownictwo. Materiały II Ogólnopolskiego Sympozjum w Kietrzu k. Poznania, 28-30 maja 1998, WIND, Wrocław 1998, 81-87.
[4] UNSCEAR, Sources, Effect and Risks of Ionizing Radiation. New York 1988.
[5] Hrynkiewicz A.: Promieniotwórczość naturalna w środowisku. Post. Fiz., 1993, 44(5), 439-461.
[6] R Development Core Team (2007). R: A language and environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria. http://www.R-project.org
[7] Crawley M.R.: Statistics. An Introduction using R. John Wiley & Sons, Chichester 2005.
[8] Rawlings J.O., Pantula S.G. i Dickey D.A.: Applied Regression Analysis. A Research Tool. Springer
Verlag, New York 1998, s. 410.
[9] Turło J., Szumińska K., Gosik A., Rybicki J. i Karbowski A.: Radon w naszych domach - badania
o charakterze edukacyjnym. Materiały Konferencyjne XVII Szkoły Jesiennej Polskiego Towarzystwa
Badań Radiacyjnych, Zakopane, 22-26.09.1997, 163-166.
[10] Hadad K., Doulatdar R. i Mehdizadeh S.: Indoor radon monitoring in Northern Iran using passive and
active measurements. J. Environ. Radioact., 2007, 95, 39-52.
[11] Kam E. i Bozkurt A.: Environmental radioactivity measurements in Kastamonu region on northern
Turkey. Appl. Radiat. Isotopes, 2007, 65, 440-444.
SEASONAL CHANGES IN 222Rn ACTIVITY IN APARTMENT ROOMS
Summary: The results of 222Rn activity measurements in apartment rooms were described. The data were
obtained by pupils from junior high school in Strzeleczki, Opole Silesia, Poland, who under guidance of chemistry teacher placed trace detectors in their apartments. The 2 month measurements were repeated twice, first
time in winter and second time in summer 2007. For 222Rn activity measurements the trace detectors method
was chosen, using Kodak LR-115 films. The results showed that in all of apartments examined the Rn activity
did not exceed the European Commission recommendations (Commission Recommendation 90/143/Euratom,
21.02.1990). The measurements performed allowed to assess the Rn risk in the region investigated. Additionally, the knowledge about Rn hazard was distributed among commune citizens.
Keywords: radioactivity, 222Rn, European Commission recommendations