Come misurare la radioattività della pioggia

Con l’ausilio di un contatore Geiger e di un opportuno software da noi sviluppato, seguendo un semplice protocollo alla portata di qualsiasi scienziato dilettante è possibile misurare la radioattività associata alla pioggia o alla neve, che è temporanea ma sufficiente a incidere sui livelli della radiazione di fondo naturale. Oltre a fornire dati sulle variazioni del livello delle radiazioni ionizzanti di fondo che possono risultare preziosi in caso di incidente nucleare, questa tipo di esperienza è didatticamente molto interessante, perché mostra in modo chiaro e semplice che viviamo su un pianeta radioattivo.

La radiazione ionizzante di fondo naturale, che possiamo misurare facilmente all’aperto con un Geiger, è dovuta, essenzialmente, in parte alla radioattività ambientale naturale (radon incluso) e in parte ai raggi cosmici secondari creati da quelli primari provenienti dallo spazio. Questa è la radioattività naturale che è sempre stata presente da quando la Terra si è formata, a cui si somma, in certi periodi e/o luoghi, quella artificiale, come ad esempio in occasione di test nucleari, incidenti nucleari, etc.

È molto comune che i livelli di radiazione di fondo naturale cambino durante eventi di precipitazione come pioggia, nevischio o neve. Sebbene ci siano molti altri fattori che influenzano i livelli di questa radiazione oltre alla semplice precipitazione, il radon ed i prodotti di decadimento del radon, che si trovano naturalmente nell’atmosfera, possono essere catturati nelle precipitazioni e portati a terra, causando un aumento temporaneo dei livelli di radiazione rilevabili dagli strumenti.

L’origine del radon e la sua “progenie”, con i rispettivi tempi di dimezzamento.

Tuttavia, la pressione barometrica e il profilo di temperatura verticale, che determinano il “coperchio” sotto il quale il radon è generalmente intrappolato, possono annullare l’effetto della precipitazione sulla radiazione. Pertanto, è anche possibile che i livelli di radiazione non aumentino durante un evento di precipitazione. La neve e il nevischio possono causare, al contrario, la diminuzione dei livelli di radiazione poiché il loro accumulo sul terreno può fermare o quanto meno mitigare la migrazione del radon nell’atmosfera, oltre a schermare la radiazione diretta dal suolo.

L’aumento di radioattività naturale legato alla pioggia

Cosa succede al livello di fondo della radiazione ionizzante quando piove? Dai un’occhiata a questo grafico sorprendente, che mostra i dati raccolti utilizzando un Radiation Monitor il 21-25 settembre 2016 a Spearfish, South Dakota. Il rilevatore di radiazioni è stato sigillato in un sacchetto di plastica e appoggiato a terra. La radiazione è stata contata a intervalli di un minuto ed era misurata facendo la media su un intervallo di 10 minuti, per ridurre le fluttuazioni casuali.

Radioattività al livello del suolo (media di 10 minuti).

Il grafico mostra inizialmente la normale radiazione di fondo. Per il primo giorno (1440 minuti), il conteggio delle radiazioni variava casualmente in un intervallo da circa 10 CPM a 35 CPM con una media di 22 CPM, tipico dell’area intorno alla Black Hills State University (BHSU). Poi ha piovuto. I picchi nelle letture sono dovuti al fatto che i cosiddetti “figli” del radon sono stati trascinati a terra durante più episodi di pioggia, e alcuni di questi sono degli emettitori alfa, altri sono emettitori beta.

Infatti, c’è una grande quantità di uranio presente nel suolo e nella roccia. Con un’emivita di 4,5 miliardi di anni – il tempo necessario a metà di un dato campione per decadere – l’uranio all’interno della Terra progredisce lentamente attraverso una serie di manifestazioni come diversi isotopi radioattivi (varianti di un particolare elemento chimico che hanno diversi numeri di neutroni) e alla fine diventa gas radon. Questo gas fuoriesce dal suolo e dalla roccia e va nell’atmosfera.

Un semplice contatore Geiger autocostruito e basato su Arduino di cui abbiamo illustrato la costruzione in un altro articolo (vedi qui). Grazie al software di cui è dotato, e che trovate nell’articolo citato, lo possiamo usare per misurare la radioattività ambientale ed anche la piccola componente aggiuntiva dovuta alla pioggia o ad incidenti nucleari.

Il Radon-222 è dunque un prodotto di decadimento delle tracce di Uranio-238 presenti nel suolo. Con un’emivita di quasi quattro giorni, il Radon-222 fuoriuscito dal suolo si mescola alla bassa atmosfera, dove si trasforma in elementi meno radioattivi: Polonio-218 (emivita 3 minuti) e poi in Piombo-214 e Bismuto-214, con emivite rispettivamente intorno a 30 e 20 minuti. Questi atomi instabili aderiscono alle particelle di polvere e alle gocce d’acqua presenti nell’atmosfera.

Successivamente, la precipitazione li porta al suolo dove emettono radiazioni aggiuntive e si trasformano in Piombo-210, che ha un’emivita di 22 anni, è relativamente quasi stabile e non rilevato in traccia. Il risultato è che la pioggia e la neve sono temporaneamente radioattive! Ciò è del tutto normale. Questi “figli” del radon non vivono troppo a lungo per fare danni, ma fanno sì che gli eventi di pioggia possano aumentare i conteggi di fondo dei raggi gamma in modo transitorio fino al 150% o più.

L’aumento di radiazione gamma misurata al suolo con un Radiation Monitor portatile. Si noti come i livelli ritornino normali dopo circa 3 ore, che corrispondono approssimativamente a 6 periodi di dimezzamento della progenie a vita breve del radon.

La questione della radioattività – sia pur temporanea – della pioggia è rilevante per le popolazioni che fanno uso dell’acqua piovana, ad esempio per berla, come è il caso di molte popolazioni africane. Pertanto, in Nigeria le concentrazioni di attività di alcuni radionuclidi naturali in campioni di acqua piovana raccolti da quattro tipi di tetto comunemente usati, raccolti direttamente dall’aria e dal deposito nelle buche, sono state determinate usando uno spettrometro a raggi gamma NaI (Tl).

Sono stati raccolti un totale di sette campioni: sei campioni di acqua piovana dai canali di cui sopra e un campione di suolo dalla buca. Concentrazioni di attività medie di 35,11 ± 8,46, 6,97 ± 2,38 e 5,36 ± 2,29 Bq / L sono state registrate, rispettivamente, per Potassio-40, Uranio-238 e Torio-232 nei campioni di acqua piovana e questi radioisotopi hanno valori assai più alti, rispettivamente, pari a 230,22 ± 47,65, 32,11 ± 9,57 e 20,18 ± 5,27 Bq / kg nel campione di terreno analizzato.

Campioni di precipitazioni come pioggia, neve o nevischio vengono raccolti regolarmente in molti Paesi. I campioni vengono di solito raccolti utilizzando dispositivi di raccolta delle precipitazioni appositamente progettati, che convogliano la precipitazione in un secchio per il trasferimento in un container di spedizione. Negli Stati Uniti, ad esempio, il National Analytical Radiation Environmental Laboratory (NAREL) dell’EPA riceve i campioni raccolti e ne esegue un’analisi con lo spettrometro gamma.

Il contributo legato a incidenti o esplosioni nucleari

Negli Stati Uniti non esistono standard per il livello di radionuclidi nelle precipitazioni. I risultati del campionamento delle precipitazioni, perciò, aiutano a stabilire le tendenze e servono come riferimento durante gli incidenti radiologici. Gli scienziati possono utilizzare le informazioni per prevedere le concentrazioni di deposizione umida durante un’emergenza e possono anche utilizzare i dati per convalidare l’output del modello di dispersione atmosferica.

Misurazione del livello di radioattività di fondo (background) con il Geiger autocostruito citato in precedenza. La curva rossa è la media del CPM (Counts Per Minutes) su 10 minuti (pertanto è differita di 10 minuti) e viene aggiornata una volta ogni 10 minuti. La curva verde è il CPM medio cumulativo dall’inizio della misurazione, per cui tende ad assestarsi su un valore sempre più preciso con il passare del tempo e l’accumularsi dei dati.

La precipitazione (cioè sia pioggia che neve) cattura le particelle radioattive nell’atmosfera superiore e le trasporta sulla superficie terrestre. Questo processo è chiamato “deposizione umida”. Le particelle radioattive possono anche cadere direttamente sulla superficie terrestre come deposizione secca, ma il processo che trasporta la radioattività a lunga distanza (ad es. in caso di incidenti nucleari o di esplosioni di bombe atomiche) è probabilmente dominato dalla deposizione umida.

Pertanto, nelle piogge cadute negli Stati Uniti dopo l’incidente del 2011 alla centrale nucleare giapponese di Fukushima, sono stati riscontrati livelli di radiazioni leggermente elevati, e gli isotopi associati all’evento sono stati rilevati nei campioni di pioggia raccolti dall’EPA negli stati della California, Idaho, Minnesota, Ohio, Pennsylvania e Massachusetts. Il livello di contaminazione delle precipitazioni fu superiore al livello massimo di contaminanti consentito nell’acqua potabile.

La contaminazione si può esprimere in picocurie (pCi) – una misura del tasso di decadimento radioattivo degli atomi – per litro d’acqua. Per fare un confronto, il corpo umano contiene circa 120.000 picocurie (pari a un’attività di 0,12 μCi, altra unità spesso usata) di elementi radioattivi naturali, come isotopi di potassio e carbonio. Ciò corrisponde a circa 1.500 picocurie per litro, che dunque rappresenta un normale livello di radiazione interna per un essere umano medio in una giornata media.

L’incidente di Fukushima ha influenzato la radioattività della pioggia negli Stati Uniti, anche se non allo stesso livello di quello di Chernobyl in Europa.

Dopo l’incidente di Fukushima, negli Stati Uniti i campioni di Richmond, ad esempio, hanno mostrato 138 picocurie per litro di iodio-131 e 5,96 di tellurio-132; i campioni di Boise hanno mostrato 242 picocurie di iodio-131, 11,2 di cesio-134 e 11,6 di cesio-137; i campioni di St. Paul hanno mostrato 32,3 picocurie di iodio-131. Alcuni radioisotopi, come lo iodio-131, si accumulano nella ghiandola tiroidea dove possono rappresentare un rischio di cancro, ma tali livelli non pongono rischi particolari.

Le esplosioni di Fukushima, come successo già nel 1986 con l’incidente alla centrale nucleare di Chernobyl, hanno inviato materiali radioattivi dal reattore in alto nell’atmosfera superiore della Terra. Le particelle radioattive sono state poi trasportate in tutto il mondo dai normali schemi di circolazione della Terra da ovest a est. La radiazione è stata trasportata attraverso i continenti e si è depositata al suolo nei vari Paesi con la pioggia e con la neve. Il Cesio-137 di Chernobyl, in Italia, è ancora rilevabile.

Le esplosioni di bombe atomiche e nucleari producono una radioattività ambientale relativamente ridotta quando avvengono in test sotterranei, ma assai elevata quando avvengono nell’atmosfera. Perciò, a seguito dei numerosi test svolti negli anni Sessanta, si è assistito per molti anni a un livello più elevato della radioattività di fondo nel mondo, che ha causato un considerevole numero di morti per cancro aggiuntive. Di conseguenza, nel 1963 i test nucleari nell’atmosfera sono stati vietati.

Andamento del Carbonio-14 atmosferico. Si noti come il livello si sia impennato negli anni Sessanta per i test nucleari nell’atmosfera fino al loro bando (PTBT) nel 1963.

Come misurare la radioattività legata alla pioggia

Monitorando le precipitazioni su base regolare, è possibile stabilire i normali livelli di fondo di radioattività e rilevare l’attività da sorgenti radioattive artificiali. L’analisi, con la spettrometria gamma, dei campioni di precipitazione insieme ai filtri dell’aria aiuta a determinare la quantità e il tipo di materiale radioattivo presente. Tuttavia, si può fare un ottimo lavoro nel determinare la quantità di radioattività in tali campioni anche semplicemente usando un contatore Geiger in modo opportuno.

I contatori Geiger che rilevano le radiazioni vengono possono fare “clic” a una velocità allarmante quando puntati su erba bagnata e pozzanghere subito dopo la pioggia. All’inizio del 2012, a seguito di un recente acquazzone a Toronto, un uomo ha rilevato migliaia di particelle di radiazioni al minuto nell’area intorno a casa sua e ha pubblicato la sua misurazione in un video su YouTube. E, verosimilmente, era proprio la radioattività naturale che viene trascinata via dall’aria dalle piogge.

Infatti, il radon decade trasformandosi in elementi meno radioattivi che emettono radiazioni alfa e beta. La pioggia lava queste particelle fino a terra. Quindi, anche se hai una pioggia modestamente leggera per un breve periodo di tempo, con un contatore Geiger puoi facilmente misurare la radioattività depositata dalla pioggia. In generale, tutti i tubi dei contatori Geiger possono misurare le particelle beta, se non vi è di mezzo la plastica del Geiger stesso a schermarle, ma pochi misurano le alfa.

Alcuni tubi Geiger che misurano anche le particelle alfa e le relative misure (in CPM) su alcuni campioni radioattivi “classici”.

Quando non vi sono esplosioni nucleari o incidenti nucleari a eiettare particelle nella troposfera, la pioggia contiene solo piccole particelle – catturate per coalescenza – di circa 5 μm di diametro o più piccole, poiché quelle più grandi sono state già depositate dalla gravità. Inoltre, la pioggia contiene anche la radioattività raccolta nelle nubi, poiché le particelle radioattive possono agire da nuclei di condensazione. Pertanto, non è difficile procedere alla raccolta di campioni per misurazioni e analisi più accurate.

La pioggia può venire raccolta, ad esempio, tramite un vassoio metallico leggermente inclinato di almeno 1 mq (l’ideale è qualche mq) di superficie sul tetto o su una superficie aperta esposta alla pioggia stessa. In fondo al vassoio è posto un recipiente di raccolta dell’acqua. Poco prima della raccolta della pioggia il vassoio andrebbe pulito con acqua di rubinetto per rimuovere il materiale caduto per gravità, che influenzerebbe la misurazione legata all’azione della pioggia.

Bisognerebbe raccogliere circa 1 litro di pioggia. A questo punto, la maggior parte dell’attività beta nel campione di acqua piovana può venire isolata aggiungendo circa 4 g di carbone attivo per litro, mescolandolo da 15 a 30 minuti e estraendo il carbone. In questo modo, meno del 25% dell’attività beta è rimasta nell’acqua. Il liquido presente nel filtrato è fatto quindi evaporare e il filtro a carbone contenente il residuo è stato ridotto in cenere a 500 °C per ridurre al minimo la perdita di radioattività.

Un eccellente sistema fai-da-te di raccolta della pioggia.

Entro pochi minuti / ore (per non consentire alla radioattività naturale di decadere, cosa che fa nel giro di 3 giorni), un campione della suddetta cenere va messo in un vassoio di metallo sotto un tubo di un rivelatore Geiger-Muller per poter misurare l’attività beta. L’attività beta per litro di acqua piovana può venire calcolata dalla misurazione degli eventi per minuto (CPM) tramite il contatore Geiger, dal peso del campione, dal peso totale delle ceneri e dal volume di acqua piovana raccolta.

Raccogliendo campioni orari e misurandone l’attività lorda, alcuni scienziati hanno scoperto fin dagli anni Sessanta che si potevano distinguere due tipi di comportamento: (1) L’attività lorda è generalmente proporzionale al volume di acqua piovana nel campione; (2) La concentrazione dell’attività tende a variare inversamente al volume dell’acqua piovana caduta, per cui si osservano concentrazioni elevate durante i periodi di bassa piovosità e basse concentrazioni quando si verificano forti piogge.

Fluttuazioni del tasso di precipitazione e corrispondenti fluttuazioni dell’attività specifica.

L’uso del filtro è fondamentale per raccogliere e concentrare a secco le particelle radioattive. Se tentassimo di misurare con il Geiger la radioattività di una bottiglia di pioggia, non solo essa sarebbe diluita su un grosso volume, ma per le particelle beta e alfa si avrebbe un effetto di autoassorbimento da parte dell’acqua, cosa che si verifica in modo chiaro anche quando si vuole misurare l’attività, ad esempio, di un barattolo di 1 kg di KOH o di KCl, che contengono piccolissime quantità di potassio-40, un noto emettitore beta.

Ad ogni modo, esistono anche altri metodi di raccolta delle particelle portate dalla pioggia, sebbene meno “professionali”. Uno consiste nel passare, dopo la pioggia, un tovagliolo di carta sulla propria auto (supponendo che sia fuori). Basta pulire circa 1 metro quadrato di macchina e spremere l’acqua in eccesso. Misura il tovagliolino con il Geiger. Potresti ottenere una media di alcune centinaia di CPM (ad es. 480), ma sarebbe molto più bassa dopo 2 ore (ad es. 100 CPM) o dopo 20 ore (ad es. 41 CPM).

Variazioni del livello del radon nell’atmosfera (outdoor) nell’arco di 12 mesi, misurato nel 2015 vicino La Spezia con una camera a ionizzazione in modalità a impulso, dall’abile sperimentatore dilettante Luciano. (fonte: Theremino)

Un altro modo semplice per raccogliere il campione da misurare è quello di ricavarlo, anziché tramite ebollizione dell’acqua piovana, tramite il suo filtraggio. Come abbiamo visto, le particelle radioattive hanno un diametro dell’ordine di 5 μm. Perciò, se facciamo passare l’acqua piovana raccolta attraverso una carta da filtro da laboratorio “grado 5”, possiamo filtrare le particelle più grandi di 1-2 μm. L’importante è avere la carta da filtro giusta e la pazienza di aspettare che il lento filtraggio sia ultimato.

Il campionamento del particolato atmosferico, per chi volesse intraprendere anche l’analisi della radioattività normalmente presente nell’aria, a livello professionale usa ventilatori centrifughi e motori per aspirare l’aria attraverso il materiale del filtro dell’aria in polipropilene. Il materiale dello speciale filtro conserva il 99,5% di particolato con diametro aerodinamico pari o superiore a 0,423 µm, in condizioni di prova. I filtri dell’aria funzionano continuamente, ma vanno cambiati settimanalmente.

Una carta da filtro “grado 5” in grado di filtrare dall’acqua o dall’aria particelle di appena 1-2 μm di diametro, e che si può trovare in vendita online, ad esempio qui.

Una volta raccolto il campione concentrato e secco da misurare, lo si avvicina a un contatore Geiger adatto per misurare bassi livelli di radioattività, come quello che ho illustrato nell’articolo Come realizzare un contatore Geiger “super”, che puoi trovare qui, basato su un modulo Geiger commerciale low-cost e una scheda Arduino Uno. Il software (sketch) che ho fornito in quell’articolo permette una misurazione con medie su lunghi intervalli di tempo, la quale consente di ottenere valori precisi.

In pratica, si esegue prima una misurazione della radiazione di fondo (background), possibilmente di alcune ore, senza il campione e si acquisisce il relativo valore tramite il monitor seriale od i bei grafici prodotti dallo sketch e visualizzabili con il software MegunoLink Pro. Poi si avvicina il campione al tubo Geiger (“nudo”, senza schermi frapposti) e si effettua un nuovo “run” dopo aver tolto l’alimentazione ad Arduino, che lo resetta. Dopo aver misurato per altrettante ore, si confrontano i due valori ottenuti.

Misurazione delle radioattività di una debole sorgente con il Geiger autocostruito e con il relativo software fornito nel nostro articolo linkato in precedenza. In questo caso, la misurazione del background (a sinistra) e quella del campione (a destra) sono state effettuate per 20 minuti ciascuna, che è il tempo minimo affinché i valori inizino ad assestarsi. Per misurazioni più affidabili, si usino tempi più lunghi.

La differenza fra il secondo valore ed il primo fornisce una stima della radioattività del campione. In generale, più è lungo l’arco di tempo su cui è fatta la media e più precisa è una misura. Tuttavia, il livello di background può variare da un giorno all’altro, quindi occorre trovare un compromesso. Il mio software fornisce, tramite il monitor seriale, anche la dose (in μSv/h) corrispondente al valore medio misurato in CPM (conteggi per minuto), che è il valore di interesse per la radioprotezione.

La misurazione dell’attività (in pCi o in Bq/L) è invece molto più complessa, poiché richiede che il campione sia concentrato quasi in un punto, che si conosca la distanza dal tubo rivelatore, etc. A livello professionale, la misurazione dell’attività viene quindi effettuata posizionando il campione preparato in una geometria adeguata prima della misurazione mediante spettrometria gamma ad alta risoluzione. Tuttavia, se uno è esperto, può effettuare una stima dell’attività anche con un contatore Geiger.

Infine, se si vuole scoprire quali radioisotopi sono presenti nel campione raccolto, la spettrometria gamma risulta uno strumento prezioso. Ti può quindi essere utile il mio articolo Come costruire uno spettrometro gamma, che trovi qui. Probabilmente, troverai che la principale sorgente di radioattività nella pioggia è la progenie del radon, e quindi Pb-214 e Bi-214. Questo metodo può essere tranquillamente applicato al campione raccolto mediante filtraggio con carta da filtro.

Analisi con uno spettrometro gamma effettuata su un campione di pioggia filtrato mediante carta da filtro. (cortesia L. Cicala, Theremino)