Cienc. Tec. 5(1,2):23-34,19~ VARIACION DE LA INTENSIDAD DE LA RADIACION IONIZANTE AWDSFERICA CON LA ALlURA SOBRE COSTA RICA H. MARENCO*W. FERNANDEZ** En este estudio se hace una evaluación de la radiación ionizante atmos férica en Costa Rica. Se discute la variación del campo de radiación ionizante con la altura en la atmósfera inferior y se determinan las contribuciones telúrica y cósmica. Una evaluación de la dosis absorbi da en aire (energía liberada en el aire por unidad de masa), a la cual se encuentra expuesta la población de Costa Rica, se hace tomando en cuenta las contribuciones de las diferentes fuentes y su variación con la altitud. In this study an evaluation of the atmospheric ionizing radiation in Costa Rica is made. The variation of the ionizing radiation field with height in the lower atmosphere is discussed and the teluric and cosmic contributions are determined. The results obtained in Costa Rica are compared with similar studies carried out by other authors in middle- latitudes. An evaluation of the absorbed doses in air (energy re- leased in the air per unit mass), to which the Costa Rican population is exposed, is made taking into account the contributions of the dif- ferent sources and their variation with altitude. * Departamento de Física, Universidad Nacional, Heredia y Unidad de Ra dioterapia, Hospital México, CCSS, San José. ** Escuela de Física y Centro de Investigaciones Geofísicas, Universidad de Costa Rica, San José. 24 CIENCIA Y TECNOLOGIA 1. INTRalXX:IOO En la atmósfera se encuentra presente una variedad de nucleídos radioactivos procedentes de diversas fuentes que se pueden dividir en dos campos: terrestre y extraterrestre. La radiación ionizante de origen extraterrestre (rayos cósmicos) está constituída por partículas y cuantos que poseen energías muy elevadas, abarcando desde 109 hasta 1021eV. Los rayos cósmicos primarios al interactuar con la atmósfera terrestre dan ori- gen a los rayos cósmicos secundarios, produciendo en esta interaccion nucleídos radioac- tivos que quedan en la atmósfera y que a su vez producen también una cantidad significa- tiva de radiaciones importantes. La mayor parte de los radioisótopos producidos por la radiación cósmica provienen de la interacción de neutrones secundarios de baja energía con los componentes de la atmósfera. Su velocidad de producción es proporcional al flu- jo de neutrones secundarios que es cerca de cuatro veces mayor en los polos geomagnéti- cos que en el Ecuador, debido a que los rayos cósmicos primarios están constituídos en su mayor parte por partículas cargadas (Junge, 1963). Existe una capa de máxima produ~ ción de radioisótopos que es el producto de la combinación de la disminución en la pro- ducóón del flujo de neutrones lentos al disminuir la altura y la distribución vertical de la densidad atmosférica. Esta zona de alto flujo neutrónico está entre 12 y 15 Km de pendiendo de la latitud. La intensidad de la radiación de origen cósmico en la atmósfe ra inferior (troposfera) prácticamente no varía con el tiempo; las modulaciones por el período de rotación solar en la radiación cósmica producen variaciones del 1% al nivel del mar y del 10% a 50 km de altitud. Las modulaciones por el ciclo solar de 11 años son efectivas sólo sobre la radiación cósmica de baja energía, menor de 30 GeV (Mejía, 1973) . La radioactividad natural en la troposfera es producida principalmente por sustancias MARENCO y FERNANDEZ: Variación de la intensidad 25 radioactivas provenientes de la masa sólida del globo terrestre, la cual contiene Uranio 238, Uranio 235 y Torio 232. El Rn222 (de la serie del Uranio 238) y el Th220 (de la serie del Torio 232) son los nuc1eídos radioactivos más importantes por ser gases que e- manan del suelo y sub-suelo con vida media relativamente larga y productos de desintegr~ ción que también son radioactivos. En general se adhieren a los aerosol es y caen con la lluvia. Las pruebas de armas nucleares han alterado en forma significativa, y en algunos casos radicalmente, la abundancia relativa de nuc1eídos radioactivos en la atmósfera. La ener gía nuclear liberada hasta el acuerdo internacional de suspensión de explosiones nuclea res en la atmósfera en 1958 era aproximadamente de 174 megatones (MT) de los 92 MT fueron por fisión y 82 MT por fusión. Como subproductos radioactivos de cuales estas pruebas quedaron en la atmósfera cerca de 4.5 toneladas de productos de fisión (cerca de 49 Kg por megatón). Por otra parte, la producción de Tritio como consecuencia de la fu- sión se estima en 50 Kg, que es cerca de 5 veces la cantidad de Tritio natural. El car- bono 14 es el segundo en importancia y ha alterado el 1% de la abundancia del Carbono 12 natural existente. Debido a esto, en los organismos vivientes la abundancia de Carbono 14 ha aumentado sobre el contenido normal (Arno1d y Marte11, 1959), 10 cual altera signi ficativamente la precisión de la medición de edades por el conocido método del Carbono 14. La radiación que proviene de la radioactividad atm6sferica interactúa con la materia io- nizándo1a en varias formas; para las radiaciones alfa y beta por absorción, y para radi~ ciones X y garnma hay tres formas de interacci6n: dispersión Compton (o efecto Compton), efecto fotoeléctrico y producción de pares. En cua1qui.era de los casos anteriores, el efecto medible más significativo sobre la mate ria es la ionización, por 10 cual se le denomina radiaci6n ionizante. 26 CIENCIA Y TECNOLOGIA La ionización es el fen6meno que sirve como medida de la exposici6n a la radiación y es la que altera la estructura de los tejidos vivos produciendo diversos efectos que van desde imperceptibles hasta la destrucci6n total dependiendo de la cantidad de iones producidos. El presente trabajo tiene como objetivo estudiar la variaci6n del campode radiación io- nizante con la altitud en Costa Rica y determinar las contribuciones de origen terres- tre y extraterrestre. También tiene como objetivo hacer una evaluaci6n de la dosis (e- nergía depositada por unidad de masa) a que se encuentra expuesta la poblaci6n de Costa Rica. Un estudio sobre el mismo tema fue realizado por Marenco (1978) quien midió la radiaci6n ionizante ambiental en varias zonas pobladas de Costa Rica, con el objetivo de determinar el grado de exposici6n a que se encuentra sometida la poblaci6n. En su estudio, sin embargo, no fue posible determinar las contribuciones de origen c6smico y telúrico al campo de radiaci6n ionizante, lo cual constituye un aspecto importante del presente trabajo. Por otro lado el presente estudio tiene como objetivo principal de- terminar la variación de la intensidad de la radiaci6n ionizante con la altura mientras que Marenco (1978) consider6 principalmente su variación espacial en superficie y los posibles efectos en la poblaci6n. 2 • PIIXElIMIENlO Los datos fueron obtenidos con un único instrumento tipo Geiger-Mueller, mod~lo 491, de la compañía Victoreen, con el detector 491-30. La respuesta del detector al espectro energérico y la precisión del instrumento han sido discutidas por Marenco (1978). Las medidas en superficie se hicieron a 1 m sobre el suelo y fueron tomadas para inter- valos de 5 minutos. Se comprobó, sin embargo, que pequeñas variaciones en la altura s~ bre el suelo no producen diferencias significativas, sino solamente la variación aleato MARENCO y FERNANDEZ: Variación de la intensidad 27 ria esperada. Se escogieron varios lugares a diferentes altitudes, en los cuales se hicieron mediciones en superficie para determinar la variación de la intensidad del campo de radiaciónioniza~ te con la altitud. Con este objetivo se tomaron datos en varios lugares sobre la carrete ra hacia el Volcán Irazú. También, para complementar el estudio de Marenco (1978), se t~ maron datos en algunos lugares que no difieren mucho en altitud. Esto se hizo en l~pro- vincias de Heredia y Limón. Para evaluar las dos componentes principales de la radiación ionizante en la atmósfera, la de origen telúrico y la de origen cósmico, se tomaron datos en dos vuelos en avioneta que se hicieron sobre el Oceáno Pacífico. En el primer vuelo, la avioneta se elevó hasta alcanzar una altitud de 12000 pies (3658m), la cual fue la altitud máxima a que se pudo ascender. A partir de esa altitud se empezó a tomar mediciones conforme la avioneta descendía escalonadamente hasta 100 pies (30.5 m) sobre el nivel del mar. Las lecturas fueron hechas para intervalos de 5 minutos. El se- gundo vuelo se realizó en forma similar, excepto que en este caso se pudo alcanzar una al tura máxima de 25000 pies (7622 m) y se tomaron medidas conforme la avioneta descendía hasta aproximadamente 1200 pies (3658 m). Con los datos obtenidos, se calcularon dos cantidades importantes en relación a las radia ciones ionizantes. Estas son la exposición y la dosis absorbida. La exposición se define como la carga total de un signo por unidad de masa que es produc~ da en el aire cuando todos los electrones ( o positrones) liberados por fotones en un ele mento de volumen de aire son completamente recolectados. La unidad de exposición es el Roentgen (R). 28 CIENCIA Y TECNOLOGIA La dosis absorbida se define como la energía por unidad de masa depositada por la radia- ci6n ionizante en un elemento de volumen de la sustancia irradiada. La unidad de dosis absorbida es el rad (r). 3. RESlLTAOOS Los datos tomados en vuelo sobre el Océano Pacífico, a aprox imadamente 9° N, se muestran en la Tabla 1 y se encuentran graficados en la Fig. 1. En esta figura también se inclu- yen, para fines de comparación, los datos tomados por Lowder y Beck (1966) a 500N. Se ob serva que sobre 2.8 Km aproximadamente la dosis absorbida en aire a 9°N es ligeramente menor que la obtenida a aproximadamente 500N, 10 cual es consistente con la disminución producida por el campo magnético terrestre. Para alturas menores de 2.8 Km, los valo- res a 9° N son ligeramente mayores que los valores correspondientes a 500N. Esto podría, sin embargo, estar relacionado con la retrodispersión en la superficie terrestre y el mar, la cual no ha sido considerada en este trabajo debido a limitaciones técnicas. En la Fig. 2 se comparan los valores de la dosis absorbida obtenidos con los datos toma- dos en superficie en lugares que difieren en altitud (perfil 3) con los valores correspo~ dientes obtenidos con los datos tomados en vuelo (perfil 1). Al ~azar el perfil 3 se han incluido los datos tomados por los autores sobre la carretera al Volcán Irazú así como otros datos obtenidos por Marenco (1978) en diferentes partes de Costa Rica. Debido a que los datos en vuelo fueron tomados sobre el Océano Pacífico, ellos representan la con tribución de origen cósmico, ya que la contribución del oceáno es insignificante. La di ferencia a una misma altitud entre los perfiles 3 y 1 es la contribución de origen te1ú- rico (perfil 2). Esta radiación ionizante te1úrica mantiene una relación prácticamente lineal con la altura para el rango de alturas considerado en la Fig. 2. Esta relación se puede expresar como DAAT = 22.5 (mr/año) x h (Km) + 27.5 (mr/año) Kii1 MARENCO y FERNANDEZ: Variación de la intensidad 29 TABLA 1 Intensidad del campo de radiación ionizante (cPllr)~ex-posición (mR/año) y dosis absorbida en aire (mr/año) contra altura sobre el Oceáno Pacífico, Costa Rica. En la última columna se incluyen los datos obtenidos por Lowder y Beck (1966) a 500N ALTURA INTENSIDAD EXPOSICION DOSIS DOSIS 500N (Km) cpm mR/año mr/año mr/año 0.3 6.5 37.5 33 28 0.5 7.5 43.2 38 30 1.0 9.2 53.4 47 35 1.5 9.6 55.7 49 44 2.0 10.2 59.1 52 56 2.5 11.8 68.2 60 68 3.0 14.3 82.9 73 84 3.5 18.6 108.0 95 104 4.0 23.4 136.3 120 130 4.5 29.3 170.0 150 165 5.0 35.2 204.0 180 200 5.5 39.1 227.0 200 240 6.0 47.0 272.7 240 290 6.5 52.9 306.8 270 345 7.0 59.8 347.0 306 420 7.5 66.6 386.0 340 500 NOTA: En el vuelo 1 se tomaron datos desde 3.5 Km hasta 0.3 Km. En el vuelo 2 los datos se tomaron desde 7.5 Km hasta 3.5 Km. , 30 CIENCIA Y TECNOLOGIA (W)I) lfHn.l1" o O 10 s ~ O O q' -Os teO rf) ..•.. '-e-8 &&Jrf) a:e o z 10 &&J N CIo 8 ma: N OCDm el ~ ~en Oo O º O 10 MARENCO y FERNANDEZ: Variación de la intensidad 31 donde DAAT es la dosis absorbida en aire debido a la radiación de origen telúrico y h es la altitud. El incremento con la altura de la radiación telúrica se podría explicar por el hecho de que conforme incrementa la altitud el grosor de la corteza terrestre (y en general la cantidad de material radioactivo) incrementa. Por otra parte el espesor de los sedimentos de mate- ria orgánica es mayor a menores altitudes; este material es de un contenido de radioactivi- dad menor que la corteza rocosa de la tierra. En la provincia de Heredia se tomaron mediciones en varios poblados que no difieren mayor- mente en altitud (Ver Tabla 2). En uno de los casos (Universidad Nacional) se tomaron medj das adentro y afuera de un edificio. Se puede notar que hay una pequeña diferencia en el interior de un edificio y fuera del mismo como lo demuestra el dato de la Universidad Nacio nal (ver tabla 2). La exposición interior es un poco mayor debido a los materiales de cons trucción que contienen trozos de elementos radioactivos que producen variacionesdetectables del nivel normal de radiación de fondo. y que en ciertos casos deben tomarse en cuenta en el campo de la Protección Radiológica. La variación de los datos en los diferentes pobl~ dos de Heredia posiblemente se deba a la pequeña variación en la altitud. Las mediciones realizadas en la parte costera de la provincia de Limón se muestran en laTa bla 3. Estos valores son similares a aquellos obtenidos por Marenco (1978) en las costas d~ Pacífico de Costa Rica. 4. CXNlJJSIOOES Las principales conclusiones de este estudio son: a. La variación del campo de radiación ionizante atmosférica local depende de la altitud. de tal forma que la exposición en el Valle Central (altitud aproximada de 1000 m) es aproximadamente el doble de la exposición en las playas (ver el perfil 3 de la Fig. 2). 32 -O 1&0te O.•..• ••• E 12&- '"c:E-