По статье в ArcNews, осень 2003 г.
26 апреля 1986 г. в 1 ч 23 мин ночи на Чернобыльской АЭС возникла неуправляемая ядерная реакция, которая привела к взрыву и разрушению реактора. Радиоактивные частицы находились в атмосфере в течение многих дней. Из Чернобыля, с территории бывшего СССР (современной Украины), они распространились по Европе, достигли Скандинавии, Великобритании и Греции (рис. 1). Пожалуй, это была самая чудовищная промышленная катастрофа за всю историю планеты Земля.
Поскольку период полураспада радиоактивного цезия (цезия-137) – основного отложившегося на территории Европы радионуклида, составляет около 30 лет, его воздействие не ограничивается временем непосредственного влияния на здоровье человека. Многие годы он будет влиять на сельскохозяйственную продукцию и поступать в организм вместе с продуктами питания.
В связи с этим, очень важно оценить вероятные последствия воздействия цезия-137 на людей. ГИС и методы пространственной статистики являются ценными средствами для определения долгосрочного влияния радиоактивного заражения местности на живые организмы. Далее показано использование ArcGIS с дополнительным модулем Geostatistical Analyst для всестороннего анализа радиационного загрязнения и выявления его связи с состоянием здоровья населения.
Рис. 1. Направление ветра на территории Белоруссии 27-30 апреля 1986 г. Цветом на административной карте Белоруссии показана вероятность заболевания раком щитовидной железы (более 1 случая на 10 тыс. детей). Красным цветом окрашены районы наибольшей вероятности заболевания, синим – наименьшей. (Данные Института радиоэкологии имени Сахарова, Минск, Белоруссия).
Радиоактивное заражение и здоровье человека
Поскольку радиоактивное загрязнение невидимо, выброс радиоактивных изотопов в окружающую среду на первый взгляд не кажется таким уж страшным. Однако, каждая радиоактивная частица, попавшая в атмосферу, может привести к изменениям ДНК и иммунной системы, которые, в свою очередь, окажут определяющее воздействие на возможность каждого конкретного человека справиться даже с низким уровнем облучения. Радиоактивные атмосферные осадки накапливаются в почве, попадают в растения и далее в пищевые цепи и, тем самым, повышают вероятность заболевания раком. В случае химического загрязнения окружающей среды риск серьезных заболеваний может существенно возрасти.
Радиоактивный дождь в Швеции
В первые часы после аварии, сопровождающейся выбросом большого объема химических или радиоактивных веществ, очень важны детальные метеорологические данные. Так, еще не имея непосредственных измерений радиоактивного загрязнения грунта, для оперативного определения территории, на которой следует предпринять срочные меры, могут быть использованы данные об атмосферных осадках. В 1986 г. метеорологическая сеть Швеции насчитывала более 700 станций наблюдения. Принимая в расчет направление ветра и расстояние от Чернобыля до шведской границы, можно было допустить, что через несколько дней после аварии дождевые осадки в Швеции станут радиоактивными (рис. 2).
Рис. 2. Карта атмосферных осадков (в мм), выпавших в Швеции через три дня после аварии на Чернобыльской АЭС. Составлена по данным European Commission’s Institute for Environmental and Sustainability (Испра, Италия).
Независимо от густоты сети мониторинга, существует множество районов, не охваченных наблюдениями. В то же время, чтобы выявить затронутые радиацией районы, требуется дать прогноз и для местностей, откуда не были отобраны образцы грунта. При этом важно учитывать следующий аспект: каждый прогноз имеет погрешность, которая может оказаться критической при принятии решения. Один из возможных путей совместного учета прогнозов и прогнозных погрешностей заключается в создании карты вероятности превышения атмосферными осадками заданной пороговой величины.
Геостатистическая модель пространственных данных для количественной оценки их пространственной корреляции использует вариограмму (семивариограмму), функцию расстояния между парами точек и направления вектора, соединяющего эти точки. Вариограмма используется для определения в системе кригинга веса каждой точки с данными при прогнозе новых значений исследуемого параметра. Кригинг относится к методам геостатистической интерполяции, которые используют статистические свойства данных непосредственных наблюдений. Эти геостатистические методы позволяют получить количественную оценку пространственной автокорреляции между точками измерений с учетом пространственной конфигурацию опорных точек относительно точки, для которой делается прогноз. Кригинг имеет некую меру прогнозной погрешности, что позволяет определить степень точности прогноза.
В модуле Geostatistical Analyst применяются разные модели для картографирования вероятности, каждая из которых базируется на различных допущениях. Используя эти модели, автор (контактная информация в конце статьи) показал, что дождь, прошедший 29 апреля 1986 г., послужил причиной загрязнения почвы изотопом цезия в центральных и восточных районах Швеции (рис. 3). Загрязнение других районов Швеции произошло в результате дождей, прошедших в последующие несколько дней. Очевидно, что дождь был единственным возможным источником выпадения радиоактивных осадков, а надежные метеорологические данные позволили властям немедленно принять контрмеры, не дожидаясь фактических данных о загрязнении радионуклидами почвы и воздушного бассейна.
Рис. 3. Вероятность того, что 29 апреля 1986 г. в Швеции выпало более 6 мм атмосферных осадков. Чтобы наглядно представить различия в плотности населения страны, на карте изображены железные дороги и основные автомобильные дороги. Хотя расстояние между Чернобылем и Стокгольмом превышает 1000 миль, вследствие выпадения радиоактивного дождя Швеция оказалась более загрязненной, чем многие соседние с СССР страны.
Показатели детской заболеваемости раком щитовидной железы в Белоруссии
В течение первых дней после Чернобыльской аварии население Белоруссии получило большую коллективную дозу облучения через щитовидную железу при вдыхании зараженного воздуха и потреблении зараженных продуктов, главным образом коровьего молока и сырых овощей. Население не было оповещено об опасности и необходимости для профилактики принимать препараты йода. Эта профилактика очень эффективна и проста: человек принимает таблетку, содержащую йод, который поглощается щитовидной железой, что предупреждает абсорбцию радиоактивного йода извне.
До аварии на территории Белоруссии ежегодно регистрировался примерно один случай заболевания раком щитовидной железы у детей. Вследствие облучения радиоизотопами с коротким периодом полураспада, включая радиоактивный йод, со временем наступил устойчивый рост случаев этого заболевания (см. диаграмму на рис. 4). Пространственное распределение за 10 лет (1986–1995 гг.) кумулятивного показателя заболеваемости показало, что он достиг 1,72 случаев на 1000 детей в Брагинском, 1,68 – в Наровлянском, 1,28 – в Хойникском районах Белоруссии, ближе всего расположенных к Чернобылю. Эти данные предоставлены Международным институтом по радиоэкологии имени А.Д. Сахарова (Минск).
Рис. 4. Число лиц, ежегодно (с 1986 по 1995 гг.) заболевавших раком щитовидной железы в Белоруссии (в 1986 г. все они были моложе 15 лет).
Если данные сгруппированы по полигональным районам, как в случае с раком щитовидной железы, то геостатистический подход ограничит размер области поиска соседства расстоянием между центроидами смежных полигонов. А выбор опорных точек при проведении интерполяции должен определяться не только их геометрической близостью, но и с учетом метеорологических данных. К тому же, в примере с анализом заболеваемости раком нарушается предположение о стационарности процесса, являющееся фундаментальным в дефиниции вариограммы. Стационарность означает, что статистические свойства не зависят от точного местоположения, а среднее (ожидаемое) значение переменной в одном месте равно среднему значению в другом месте. Еще более важно то, что дисперсия в исследуемом районе должна быть постоянной и что ковариация между любыми двумя точками зависит только от направления вектора, соединяющего эти точки, а не от их точного местоположения.
Допущение о стационарности обеспечивает статистическую репликацию в пространственном контексте. Когда это допущение нарушается, то карты, построенные с помощью метода кригинга на основе вариограммы, включающей систематическую погрешность, могут ввести в заблуждение. Автор использовал кригинг с фильтром: то есть, при прогнозировании значения в новой точке предполагается, что данные содержат ошибку измерений. А полученную карту следует рассматривать лишь как предварительную качественную информацию, поскольку она создавалась с использованием геостатистического подхода, основанного на агрегированных данных. Модели и инструменты для анализа агрегированных данных представляют для нас особый интерес и разрабатываются с целью включения в следующую версию модуля Geostatistical Analyst.
Geostatistical Analyst позволяет выполнять подобные аналитические исследования в среде ArcGIS и создавать точные и легкие для восприятия карты для широкого круга пользователей – от ученых и преподавателей до лиц, ответственных за принятие решений. Поскольку рак щитовидной железы вызывается главным образом облучением недолго живущими радионуклидами, карта риска возникновения этого заболевания может помочь в выявлении населения, попавшего под воздействие этих радионуклидов, распространение которых в первые дни после аварии определялось синоптической ситуацией. Такие карты могут служить источниками полезной информации и в контексте других хронических заболеваний, которые могут обостриться как в результате облучения, так и вследствие иных природных и социальных факторов.
Заражение продуктов радиоактивным цезием в Белоруссии
В настоящее время более половины коллективной дозы облучения, полученной населением Белоруссии, составляет внутреннее облучение от продуктов питания, зараженных радиоактивным цезием. Доходы сельских жителей южной Белоруссии не позволяют им использовать незараженные продукты. Они потребляют овощи, картофель, молоко, которые производят на своих, зачастую зараженных приусадебных участках. Их рацион нередко дополняется грибами и ягодами, собранными в соседних лесах.
В 1993 г. Белорусским институтом радиационной безопасности было собрано более 50 тыс. замеров содержания радиоактивного цезия в различных продуктах. Данные о превышении максимально допустимого его содержания были опубликованы в информационных бюллетенях института. Эти публикации, возможно, могут оказать помощь семьям, которые находятся в группе высокого риска радиационного заражения. Поскольку радиоактивный цезий распределяется весьма неравномерно как по территории Белоруссии, так и в разных типах продуктов, вероятностное картографирование имеет особенную ценность для понимания ситуации и информирования населения в группе риска (рис. 5).
Рис. 5. На карте южной Белоруссии, составленной на основе дизъюнктивного кригинга, показана вероятность содержания в молоке радиоактивного цезия в количестве, на 75% превышающем предельно допустимый уровень (по состоянию на 1993 г.). Сельское население получило примерно 36% радиоактивного цезия с выпитым молоком. (По данным Белорусского института радиационной безопасности, Минск).
С помощью модуля ArcGIS Geostatistical Analyst автор получил возможность использовать данные повторных наблюдений, дополнительную информацию и оценочные ошибки измерений, чтобы провести их отфильтровку при прогнозировании пространственного распределения радиоактивного загрязнения. Все это позволило выделить районы наибольшего риска и зоны, в которых загрязнение всех основных продуктов питания высокое.
Для получения дополнительной информации обращайтесь к Константину Криворучко, руководителю группы разработки геостатистического программного обеспечения, ESRI (e-mail: kkrivoruchko@esri.com).
