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La radioattività atmosferica di fondo.Monitoraggio tramite radiosondaggi a Vigna di Valle05/07/2011 -AbstractThis paper deals with the radioactivity measurement in the atmosphere performed in Italy by the Air ForceMeteorological Service. A brief history ofsuch activity is followed by the instrumentation description currentlyin use at ReSMA (Vigna di Valle – Rome) and by the monitoring activity details referred to the last three years.Introduzione e cenni storiciIl Reparto di Sperimentazioni di Meteorologia Aeronautica (ReSMA) ed è un organo del Servizio Meteorologicodell’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 atmosfericidetti “speciali”, in quanto legati al monitoraggio della composizione chimico-fisica dell’atmosfera ed allecaratteristiche del sistema climatico nel suo complesso. Tra questi parametri rientra la misura dellaradioattività di fondo dell’atmosfera, sebbene non ancora inserita in nessuna componente specifica delprogramma 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, nelquadro 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 Radioattivitàdell’Aria (GNMRA), avvenuto nel 1964 in seguito ad un accordo tra CENFAM (Centro Nazionale per la Fisicadell’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 analizzaremisure sistematiche globali di radioattività dell’aria. L’utilizzo di tali dati era duplice: un primo aspetto eralegato alla sorveglianza di tipo sanitario, il secondo era rivolto all’indagine del moto delle masse d’aria dalla

stratosfera agli strati più bassi, utilizzando la radioattività come tracciante naturale. Il monitoraggio dellaradioattività veniva effettuato tramite raccoglitori di particolato atmosferico a terra situati presso alcunestazioni dell’A.M. (tra cui l’OSSMA di Vigna di Valle, l’attuale ReSMA) e tramite il lancio di radiosondesperimentali dotate di contatori Geiger-Müller. Il lancio di tali sonde avveniva solo in concomitanza diesperimenti nucleari in atmosfera (es. Sinkiang – Cina, nel 1967). Il GNMRA continuò ad operare, così come fucreato, sino al 1979; successivamente l’attività prosegui con il solo personale dell’IFA, sebbene le stazionidell’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 partiredal quale, si è svolta una campagna biennale di misure, effettuata da sei stazioni distribuite uniformementesul territorio nazionale, attraverso aerosondaggi equipaggiati da contatori Geiger-Müller [4]. Tale attività èstata poi completamente accentrata presso il ReSMA, dove sono stati effettuati aerosondaggi completi disensore per la radioattività di ultima generazione fino a tutto il 2010, consentendo la valutazione dei profiliatmosferici 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 dellefluttuazioni riconducibili a fenomeni naturali, risulta di notevole importanza ai fini della riduzione del rischiodi 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 diprevederne lo spostamento ed il fall-out, quest’ultimo riconducibile prevalentemente al trasporto con leprecipitazioni. Scopo di questo lavoro è quello di presentare quanto osservato mediante l’attività dimonitoraggio 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 sipuò rilevare la sua manifestazione in tutto ciò che ci circonda: aria, acqua, terra, stelle, oggetti, esseri viventie nei nostri stessi corpi. La materia con cui siamo a contatto, diretto o indiretto, é costituita da atomi, lamaggior parte dei quali sono considerati stabili e non radioattivi ed altri instabili e quindi radioattivi. Unatomo consiste in un nucleo estremamente piccolo di carica positiva, circondato da una nuvola di elettroni dicarica negativa. All'interno dell'atomo, il nucleo é costituito da protoni carichi positivamente e da neutroniprivi di carica e perciò neutri (come dice il loro stesso nome). Negli atomi stabili non radiativi, il numero diprotoni (carichi positivamente) é uguale al numero di elettroni (carichi negativamente), così che l'atomo éelettricamente neutro. Un atomo che, oltre al numero fisso di protoni del nucleo che lo caratterizza, possiedeun numero non uguale di neutroni viene identificato come isotopo di quell’elemento. Oltre agli isotopi dasempre presenti in natura (isotopi naturali), esistono oggi un gran numero di isotopi artificiali, cioè prodottidall'uomo. Gli isotopi presenti in natura sono quasi tutti stabili. Tuttavia, alcuni isotopi naturali, e quasi tuttigli isotopi artificiali, presentano nuclei instabili, a causa di un eccesso di protoni e/o di neutroni. Taleinstabilità provoca la trasformazione spontanea in altri isotopi, accompagnata da emissione di radiazioniionizzanti. In presenza di questo fenomeno si parla di isotopi radioattivi. La trasformazione di un atomoradioattivo porta alla produzione di un altro atomo, che può essere anch'esso radioattivo oppure stabile. Essaé normalmente conosciuta come “decadimento” e, a seconda dei casi, può completarsi in tempi estremamentebrevi o estremamente lunghi (tempo di vita media). Col trascorrere dei millenni, la maggior parte deglielementi 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 radioattivitàprodotto dal bombardamento di raggi cosmici a cui siamo tuttora sottoposti. Ecco perché tutto quello che cicirconda é "naturalmente" radioattivo. Esistono tre diversi tipi di decadimenti radioattivi, che si differenzianoil 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 cuinuclei sono generalmente contenute quantità eccessive di protoni e neutroni. Ciò che rimane è un atomo dalcui nucleo mancheranno, ovviamente, due protoni e due neutroni rispetto a quello originario. Tale elemento

potrà rimanere un isotopo ancora instabile o raggiungere la stabilità. Le radiazioni alfa, per loro natura, sonopoco 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 quantitàeccessive di neutroni. In particolare, uno dei neutroni del nucleo si disintegra in un protone e nell’elettroneche viene emesso assieme ad un neutrino (beta +) o ad un antineutrino (beta -). Tale disintegrazionetrasforma l’atomo interessato in un isotopo con un protone (in più) che ha preso il posto di un neutrone (inmeno) all’interno del suo nucleo. Le radiazioni beta sono più penetranti di quelle alfa, ma possono esserecompletamente 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 unaradiazione alfa o una radiazione beta. Infatti, dopo l'emissione alfa o beta, il nucleo, ancora eccitato per losquilibrio energetico subito, si libera rapidamente del surplus di energia attraverso l'emissione di unaradiazione gamma tale da fargli raggiungere una situazione di equilibrio. Al contrario delle radiazioni alfa ebeta, la grande energia contenuta nelle radiazioni gamma le rende molto penetranti, e per bloccarleoccorrono 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 diradiazione, della sua energia e delle caratteristiche del materiale attraversato. Ne segue una diversa capacitàdi penetrazione dei vari tipi di radiazioni nei vari materiali. Sostanzialmente la radiazione interagisce con lamateria trasferendo ad essa energia attraverso ionizzazioni ed eccitazioni degli atomi e delle molecole delmezzo attraversato.Fig. 1 - Schema della capacità di penetrazione delle radiazioni Alfa, Beta e GammaIn 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 ogniradiosondaggio; una fonte artificiale può generarne variazioni anche notevoli. Mediamente, al livello delsuolo, l’intensità della radiazione naturale varia da 0.025 a 0.09 µGy/h, cresce con l’altezza fino araggiungere valori compresi tra 5 e 8 µGy/h per poi tornare a decrescere [5, 6, 7].Unità di misura della radioattivitàNel Sistema Internazionale (SI) l’unità di misura dell’intensità della radiazione è il “Grays per ora” (Gy/h), doveil “Gray”, espressione di una forza su una massa (Joule/Kg), è l’unità di misura della dose di radiazioneassorbita 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 taleenergia determina su di essa. A tale scopo è stato definito il fattore RBE (Relative Biological Effectiveness) che,

moltiplicato per la quantità di dose assorbita, fornisce una nuova unità di misura: il Sievert (Sv), detta “doseequivalente assorbita” (1 Sv = 1 Gy*RBE). Il fattore RBE varia a seconda del tipo di radiazione: per raggigamma, raggi X e raggi beta il fattore RBE risulta pari ad 1, mentre per particelle alfa il fattore può assumereun valore compreso tra 10 e 20. Un’altra unità di misura della radioattività del SI che non tiene conto nédell’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 esseprodotte. Dunque, in generale, risulta improprio riferire una misura effettuata da un contatore GM ad unaintensità di dose di esposizione (o di esposizione equivalente) assorbita. Tuttavia in laboratorio si possonodeterminare delle curve sperimentali di equivalenza riferendosi ad un elemento specifico, come ad esempio ilCesio 137. La misura ottenuta con un contatore GM può essere invece riferita ad un equivalente valore inBecquerel, se è nota la sensibilità del contatore. Tale sensibilità dipende in modo proporzionale dal volumedel sensore e dalla trasparenza delle sue pareti.Metodologia della misuraLa misura della radioattività atmosferica, eseguita presso ilReSMA in località Vigna di Valle (42°06’ N, 12°06’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 dadue tubi Geiger-Muller (G-M). Il primo misura solo la radiazione gamma, mentre l’altro misura sia la gammache la beta (> 0.25 MeV). La radiazione che attraversa le pareti del tubo, interagisce con il gas in essocontenuto producendo particelle ionizzate che vengono rilevate in base alle piccole scariche elettriche daesse prodotte ed opportunamente amplificate. Il livello di radiazione è fornito dal numero di particelleionizzate, 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 dilattice biodegradabile gonfiato con una quantità di elio sufficiente a far salire il tutto ad una velocitàapprossimativamente costante pari a 5 m/s. A terra il sistema DigiCORA III MW 21 permette la ricezione el’elaborazione dei dati. Un andamento tipico del profilo verticale beta e gamma è illustrato in fig. 2. Il graficoproposto mostra in tempo reale le misure di temperatura, radiazione gamma e radiazione beta, effettuatedella sonda lanciata alle ore 13:00 del 15 dicembre 2010. Nello specifico caso, tale aerosondaggio raggiunsel’altezza massima di 33.750 metri (6 hPA) in 6836 secondi.

Fig. 2 - Sondaggio del 15-12-2010 (ore 13:00): profili verticali di temperatura, radiazione gamma eradiazione beta, ottenuti in tempo reale dal sistema Digicora III MW 21.Analisi dei datiNei radiosondaggi effettuati dal 2006 al 2010, l’altezza massima raggiunta in atmosfera dalla radiosonda èstata di 34.200 metri (sondaggio del 12 ottobre 2010); mediamente l’altezza raggiunta dagli altri sondaggipresi in esame è pari a 30.000 metri.Dai dati raccolti ed analizzati si è potuto constatare che la radiazione beta raggiunge il suo massimo intornoai 5 cps, mentre quella di tipo gamma ha il suo massimo intorno ai 10 cps. Entrambi i massimi siraggiungono ad una quota compresa tra i 15 Km ed i 22 Km. Tali profili verticali,in base alla curvasperimentale di relazione tra cps e Gy/h (riferita al Cesio 137) fornita dalla Vaisala, risultano consistenti conla 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’altitudinein ragione delle due componenti denominate radiazione primaria e secondaria. La radiazione cosmicaprimaria 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 secondadell’energia a disposizione. In prossimità della terra esse sono soggette all'azione deviante del campomagnetico terrestre il quale permette solo a quelle dotate di elevata energia di giungere al livello del suolo. Iraggi cosmici secondari sono generati dall'interazione di quelli primari con l'atmosfera terrestre. Gli urti tra leparticelle 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 cosicchéda un singolo raggio primario si può formare uno sciame di milioni di particelle secondarie. I raggi cosmiciprimari vengono quasi totalmente assorbiti nello strato più alto dell'atmosfera dove, a causa della bassissimadensità dell’aria, la moltitudine di particelle, sebbene altamente energetiche, hanno a disposizione pochemolecole con cui collidere per produrre radiazione ionizzata. Intorno ai 20 km dal livello del mare, i raggicosmici sono quasi interamente di natura secondaria. La dose generata dai raggi cosmici aumenta quindidall'estremo limite dell'atmosfera fino a raggiungere un massimo intorno alla quota di 20 km, (dove siottimizza 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

adiazione primaria. Sotto i 20 km anche le particelle secondarie subiscono una progressiva attenuazione siain 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 radiazionegamma (linee continue) rilevati in sei sondaggi effettuati tra il 2008 ed il 2010. In tale grafico l’atmosfera èstata suddivisa in strati di spessore pari a 80 metri e, per ogni strato, è stato riportato il valore mediano inesso calcolato, relativamente ai due tipi di radiazione. Tale operazione ha permesso di rappresentare tutti isondaggi rispetto ad un unico asse verticale, nonché di migliorare la leggibilità del grafico stesso. L’uso dellamediana, 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 2010.ConclusioniI sondaggi atmosferici effettuati a Vigna di Valle dal 2008 al 2010 evidenziano un andamento molto regolaree stabile della radioattività atmosferica di fondo. Le differenze tra le misure ottenute nei vari sondaggirisultano essere di entità minima e pertanto i profili verticali della radiazione, finora acquisiti, possono essereutilizzati per definire un profilo medio di riferimento rappresentativo della radiazione atmosferica di fondo ditipo beta e gamma. Un monitoraggio continuo di suddetti parametri, grazie al confronto con il profilo diriferimento, consentirebbe una tempestiva valutazione del rischio nucleare e delle sue eventuali ricadute sullapopolazione.RingraziamentiPer le preziose informazioni di carattere storico citate nel primo paragrafo, gli autori desiderano ringraziare ilSig. Luigi Spadacenta, membro del Servizio Meteorologico dell’Aeronautica Militare.Reparto di Sperimentazioni di Meteorologia AeronauticaPDC: Cap. Vergari Stefania (vergari@meteoam.it)

to contct: vergari@meteoam.ifoti@meteoam.itBibliografia[1] http://www.wmo.int/pages/prog/arep/gaw/gaw_home_en.html[2] Pavesi B. e al., “Il pulviscolo atmosferico inquinante e tracciante: indirizzi, metodi di lavoro e risultati dialcune 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 25anni”. Atti del convegno sulle attività di sorveglianza dell’inquinamento atmosferico in Italia. AeronauticaMilitare, 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, 1997.[6] Knoll G. F., Radiation Detection and Measurement. John Wiley & Sons, 2010.[7] Turner J. E., Atoms, Radiation, and Radiation Protection. Wiley-VCH, 2007.[8] Vaisala, Radioactivity Sounding with Digital Vaisala Radiosonde RS92 - USER'S GUIDE. Ref. CodeM210616EN-A, 2006.[9] Vaisala, User’s Guide for RS92 SGP Radiosondes. Ref. Code M210295en-A, June 2003.Autore : Magg. Foti F., Cap. Vergari S., M.llo Pascucci L.