Přírodní radionuklidy vznikly nebo vznikají výhradně činností přírody. Podle mechanismu vzniku a původu je můžeme rozdělit:

• kosmogenní radionuklidy;  
• terestrální záření (radionuklidy);  
  • primordiální radionuklidy;
  • radionuklidy vznikající sekundárně z původních radionuklidů tvořících přeměnové řady.

Podíl jednotlivých složek přírodního záření z hlediska externího a interního ozáření člověka je patrný z tabulky.

Kosmogenní radionuklidy

Kosmogenní radionuklidy vznikají průběžně v jaderných reakcích při interakci kosmického záření se stabilními prvky zejména ve vnějším obalu Země. Vzhledem k radiační zátěži obyvatelstva jsou důležité zejména uhlík ¹⁴C, tritium ³H, berylium ⁷Be a sodík ²²Na. Nejčastějším způsobem průniku radionuklidů do lidského organismu je ingesce látek kontaminovaných těmito radionuklidy.

Nejvýznamnějším kosmogenním radionuklidem je přírodní uhlík ¹⁴C , který je produkován ve vyšších vrstvách atmosféry reakcí ¹⁴N(n,p)¹⁴C, ta je zahájena pomalými neutrony kosmického záření. Roční přírodní produkce ¹⁴C je 1 PBq. Specifická aktivita ¹⁴C je 227 Bq v 1 kg uhlíku v lidském těle, což vede k efektivní dávce 12 μSv. Prostorová různorodost radiační zátěže způsobené ¹⁴C není významná.

Hlavním zdrojem přírodního tritia ³H je atmosféra, kde tritium vzniká reakcemi neutronů kosmického záření s jádry dusíku a kyslíku. Okolo 99 % tritia je zabudováno do molekul vody, ve kterých se účastní vodního cyklu. Tritium se dostává do potravního řetězce společně s vodou a zčásti se zabudovává do organických materiálů, včetně lidských tkání. Je proto původcem jak vnějšího, tak vnitřního ozáření lidského organismu.

Berylium ⁷Be vzniká v atmosféře interakcemi kosmického záření s jádry dusíku a kyslíku. Hlavní cestou ⁷Be do organismu je ingesce listové zeleniny. Touto cestou se průměrně ročně dostane do organismu 1000 Bq berylia ⁷Be, to odpovídá roční efektivní dávce 0,03 μSv. Ve srovnání s významnějšími radionuklidy  v oblasti radiační zátěže je však tato dávka nepatrná. 

Jak je vidět z tabulky, radiační zátěž způsobená ³H, ⁷Be a ²²Na je mnohem nižší než je tomu u ¹⁴C.

 

Terestrální záření

Radiační zátěž způsobená terestrálními radionuklidy (primordiální radionuklidy a radionuklidy v přeměnových řadách) není na různých místech Země konstantní. Tyto rozdíly jsou způsobeny převážně geologickými procesy, které měly za následek nerovnoměrné rozdělení radionuklidů v zemské kůře. Díky těmto procesům se vyskytují místa s extrémními dávkovými příkony od terestrálních radionuklidů, které několikanásobně převyšují světový průměr.

Radionuklidy pozemského původu, které jsou nazývány primordiální radionuklidy, vznikly v raných stádiích vesmíru, díky dlouhému poločasu přeměny většímu než 10⁸ let se dosud vyskytují na Zemi ve významném množství (izotopy uranu ²³⁸U, ²³⁵U, thorium ²³²Th, draslík ⁴⁰K,...). Řada dalších původně přítomných radionuklidů kvůli kratšímu poločasu rozpadu již vymřela nebo jsou prakticky nedetekovatelné.

Z radionuklidů vznikajících v přeměnových řadách je nejvýznamnější radium ²²⁶Ra (je v řadě počínající uranem ²³⁸U) a z něho vznikající plyn radon ²²²Rn s řadou dceřiných produktů, které jsou již v pevné formě.

Existují 4 přeměnové řady:

• uran-radiová (vychází od uranu ²³⁸U a končí olovem ²⁰⁶Pb);
• thoriová (vychází od thoria ²³²Th, a končí olovem ²⁰⁸Pb);
• aktiniová (vychází od uranu ²³⁵U, a končí olovem ²⁰⁷Pb);

• neptuniová (vychází od plutonia ²⁴¹Pu, a končí vizmutem ²⁰⁹Bi).

V přírodě se setkáme pouze s prvními třemi přeměnovými řadami. S neptuniovou rozpadovou řadou se již v přírodě nesetkáme, vzhledem ke krátkým poločasům přeměny prvků, které ji tvořily. Lze ji získat pouze uměle.

Zevní ozáření gama člověka způsobuje především přítomnost radia ²²⁶Ra (resp. uranu), thoria ²³²Th a draslíku ⁴⁰K v horninách a půdách povrchové vrstvy Země (jde o vrstvu několik desítek centimetrů). Jejich rozdílný příspěvek závisí na geologickém prostředí, v němž se člověk pohybuje. K radiační zátěži lidského organismu přispívají i další terestrální radionuklidy jako například ⁸⁷Rb, ¹³⁸La, ¹⁴⁷Sm a ¹⁷⁶Lu. Tyto se ovšem vyskytují v nižších koncentracích, a proto i jejich podíl na celkovém ozáření je malý.

Z hlediska vnitřního ozáření je zcela dominantní radon (²²²Rn) a thoron (²²⁰Ra) a jejich produkty přeměny. Vzhledem k významu radonu a jeho dceřiných produktů z hlediska ozáření obyvatelstva (na ozáření se podílí téměř 50 %) mu bude věnována zvláštní pozornost.

Významným radionuklidem je izotop draslíku ⁴⁰K. Koncentrace draslíku v těle je přísně homeostaticky udržována, proto i koncentrace ⁴⁰K v těle je prakticky stejná u všech osob, a to na úrovni kolem 55 Bq/kg, což odpovídá průměrné roční efektivní dávce 0,17 mSv. Distribuce draslíku ⁴⁰K v organismu a absorbované dávky ve tkáních a orgánech je uveden v tabulce.

Dále je třeba z hlediska vnitřního ozáření věnovat pozornost izotopůmradia ²²⁶Ra a ²²⁸Ra, uranu ²³⁸U, ²³⁴U, polonia ²¹⁰Po a olova ²¹⁰Pb. V příjmu těchto radionuklidů (a odpovídajících dávkách) mohou být velké rozdíly u jednotlivých osob nebo skupin obyvatelstva.

S výjimkou inhalace radonu a jeho dceřiných produktů, které způsobují nejvyšší dávky obyvatelstvu, je obecně větší příjem radionuklidů ingescí než inhalací. Hodnoty ingesce jsou pro Českou republiku v porovnání se světem vyšší, z důvodu vyššího obsahu přírodních radionuklidů.

Určité množství radionuklidů, které lidský organismus přijme, se v něm může deponovat. Množství deponovaného radionuklidu závisí především na velikosti jeho příjmu a chování tohoto radionuklidu v lidském organismu. Vzhledem k nízkým koncentracím radionuklidů thoriové a uran-radiové řady v organismu a variabilnosti těchto koncentrací s věkem a geografickým prostředím, je stanovení průměrných koncentrací obtížné. Celoroční efektivní dávka způsobená těmito radionuklidy činí 120 μSv, bližší informace jsou uvedeny v tabulce.

Zdroje přírodních radionuklidů

Primárním zdrojem přírodních radionuklidů jsou horniny. Externí expozice je způsobená především terestrálními radionuklidy emitujícími záření gama, které se nacházejí ve svrchních vrstvách půdy a hornin. Specifické úrovně aktivit jednotlivých hornin záleží na původu dané horniny nebo na hornině, ze které vznikla sledovaná půda. Vyvřelé horniny (například žula) mají obecně vyšší úrovně aktivit než horniny přeměněné (pararuly). Horniny vzniklé sedimentací (pískovec) mají zpravidla nízké hodnoty aktivit. Existují ovšem i výjimky z tohoto pravidla, u některých břidlic nebo fosfátových hornin je možno naměřit poměrně vysoké hodnoty aktivit. Hmotnostní aktivity významných radionuklidů ²²⁶Ra, ²³²Th a ⁴⁰K v různých horninách se liší až o několik řádů (hmotnostní aktivity ²²⁶Ra a jeho přeměnových produktů jsou v horninách přibližně v radioaktivní rovnováze s ²³⁸U). Typické hodnoty hmotnostních aktivit ²²⁶Ra (²³⁸U) se pohybují v rozmezí 1-1000 Bq/kg, průměrné hodnoty jsou zjišťovány v řádu desítek Bq/kg. V uranových ložiscích mohou být naměřeny hodnoty více než desítky tisíc Bq/kg. Hmotnostní aktivita ²³²Th je v rozmezí 1-100 Bq/kg, průměrné hodnoty se pohybují stejně jako u ²²⁶Ra a ²³⁸U v řádu desítek Bq/kg. Obsah ⁴⁰K se uvádí v rozmezí 70-1800 Bq/kg, průměrné hodnoty ve stovkách Bq/kg. Obdobné hodnoty hmotnostních aktivit nalezneme v půdách. V případě ²²⁶Ra a ²³²Th se jedná o desítky Bq/kg, v případě ⁴⁰K se hmotnostní aktivita pohybuje ve stovkách Bq/kg.

Z hlediska rozboru expozičních cest je třeba vést v patrnosti, že horniny i půdy jsou jednak zdrojem externího záření gama, jednak z nich uvolňované radionuklidy migrují do vody, ovzduší a potravinových řetězců. Samostatným problémem je radioaktivita stavebních materiálů, které jsou často vyráběny z hornin nebo druhotných surovin.

V případě uvolňování přírodních radionuklidů obsažených v horninách do vod se jedná o poměrně složité procesy, které závisí na geochemických, fyzikálních a hydrologických poměrech. Vyšší hodnoty jsou zjišťovány v podzemní vodě, kde dochází k dlouhodobému kontaktu s horninami s vyšším obsahem přírodních radionuklidů. Hodnoty v povrchových vodách jsou řádově nižší. Výjimku tvoří případy, kde jsou do toků vypouštěny vody z důlní činnosti, a kdy se mohou v tocích vyskytovat koncentrace srovnatelné s podzemní vodou. Rychlost přestupu radionuklidů z hornin do vod záleží na tzv. rozdělovacích koeficientech. Hodnota těchto rozdělovacích koeficientů závisí na výše zmíněných fyzikálních, geochemických a hydrologických faktorech. Pro radium se hodnoty rozdělovacích koeficientů uvádí v rozmezí 10²-10³, pro thorium 10³-10⁶, pro uran 10-10⁴ a 10⁴ pro polonium a olovo. Díky těmto koeficientům a průměrnému obsahu terestrálních radionuklidů v horninách a půdách lze stanovit rozsah aktivit jednotlivých radionuklidů ve vodě v rozmezí 1-100 mBq/l. V případě uranu, ale objemová aktivita uranu ve vodě dosahuje hodnot 10-1000 Bq/l. S přírodní radioaktivitou vod souvisí také výskyt přírodních radionuklidů v sedimentech vodotečí. V důsledku dlouhodobé kumulace radionuklidů lze v některých sedimentech nalézt hmotnostní aktivity přírodních radionuklidů na úrovni 100-10000 Bq/kg.

Do ovzduší se přírodní radionuklidy uvolňují zejména z hornin a půd. Jedná se především o plynný radon a jeho rozpadové produkty. Dále se do ovzduší dostávají další radionuklidy v podobě prachu. Z půd a hornin uniká radon do atmosférydifuzí, kde se rozptyluje. Průměrná objemová aktivita radonu v přízemní vrstvě atmosféry je 5 až 10 Bq.m^-3. Radon se atmosféře přeměňuje na další radionuklidy (dlouhodobé a krátkodobé). Ty mohou buď přetrvávat v atmosféře, nebo se mohou usazovat na povrchu předmětu. Krátkodobé produkty přeměny radonu (polonium ²¹⁸Po, vizmut ²¹⁴Bi, olovo ²¹⁴Pb) dosahují objemových aktivit v jednotkách Bq.m^-3 (asi 80 % aktivity samotného radonu). Dlouhodobé produkty přeměny radonu (olovo ²¹⁰Pb, polonium ²¹⁰Po) dosahují mnohem nižších objemových aktivit a to v rozmezí 0,1 až 0,5 mBq.m^-3. Roční efektivní dávka způsobená radonem a jeho produkty přeměny činí při 2000 hodinách strávených mimo budovy 0,1 mSv. Koncentrace radonu v budovách mohou být mnohonásobně vyšší. Objemové aktivity ostatních terestrálních radionuklidů v atmosféře (stanovené podle obsahu daných radionuklidů v horninách a půdách a průměrné prašnosti) se pohybují v jednotkách μBq.m^-3.

Z litosféry, pedosféry, hydrosféry a atmosféry mohou terestrální radionuklidy pronikat i do organických materiálů, které jsou součástí potravních řetězců. U rostlin se tak děje kořenovým přestupem z půdy (přestupové koeficienty pro uran, radium, thorium, olovo a polonium se pohybují v rozmezí 0,0001-0,01), přestupem z kontaminované vody a depozicí samotných radionuklidů na povrchu rostlin. Díky známým koncentracím radionuklidů v jednotlivých složkách prostředí a přestupovým koeficientům lze určit, že objemové aktivity rostlin mohou dosáhnout až desítek mBq.kg^-1. Do organismu hospodářských zvířat se radionuklidy dostávají hlavně cestou ingesce kontaminovaného krmiva a vody. Jako zajímavý případ extrémní kumulace radionuklidů v potravinách může sloužit vysoký obsah ²¹⁰Po v mase sobů v severských oblastech, kteří se živí lišejníky, na které se usazuje ²¹⁰Pb a ²¹⁰Po z atmosféry.

Informace o monitorování radionuklidů v životním prostředí je možné nalézt na webových stránkách Státního ústavu pro radiační ochranu. 

Radon a jeho rozpadové produkty

Radon je přírodní radioaktivní plyn, který vzniká v horninovém podloží. Existují tři izotopy radonu. Nejčastějším izotopem (objevuje se v 95 %) je ²²²Rn, který zpravidla nese název radon. Je členem uran-radiové přeměnové řady. Vzniká rozpadem radia ²²⁶Ra. Je zdrojem záření alfa a jeho poločas přeměny je 3,8 dne. Kromě izotopu radonu ²²²Rn existují ještě dva izotopy: ²²⁰Rn (thoron) s poločasem přeměny 55,6 sekund, který je členem thoriové přeměnové řady a třetím je ²¹⁹Rn (aktinon), člen aktiniové rozpadové řady s poločasem přeměny 3,92 sekund. Všechny izotopy radonu jsou zdrojem záření alfa, ale podíl ²²⁰Rn a ²¹⁹Rn na ozáření osob je malý vzhledem k jejich krátkým poločasům přeměny.

Uran-radiová rozpadová řada.

Samotný radon není pro člověka příliš nebezpečný, protože po vdechnutí je opět vydechnut ven. Významné z hlediska ozáření jsou jeho dceřiné produkty, mezi které patří polonium ²¹⁸Po (poločas přeměny 3,1 minuty), olovo ²¹⁴Pb (poločas přeměny 27 minut), vizmut ²¹⁴Bi (poločas přeměny 20 minut) a polonium ²¹⁴Po (poločas přeměny 164 μs). Ten se přeměňuje na izotop olova ²¹⁰Pb s poločasem 22 let. Všechny tyto rozpadové produkty jsou kovy, které se v atmosféře usazují na povrchu prachových částic. Společně s nimi jsou pak vdechovány a podle velikosti se mohou deponovat v různých částech na výstelce dýchacích cest nebo plic. Vzhledem k vysoké toxicitě α částic jsou nejškodlivější oba izotopy polonia, které se rozpadají tímto způsobem.

Dceřiné produkty radonu.  

Thoron se ve srovnání s radonem poměrně krátkým poločasem přeměny (55,6 sekundy) rozpadá na α zářič polonium ²¹⁶Po, který díky velmi krátkému poločasu přeměny (0,145 sekundy) nepřispívá významně k ozáření. Významnější je až další rozpadový produkt olovo ²¹²Pb (poločas přměny 10,6 hodiny), který se deponuje na povrch prachových částic a společně s nimi se dostává do prostředí. Poté se mění na α zářič vizmut ²¹²Bi (poločas přeměny 60,55 minuty), který je hlavní příčinou účinku thoronu a jeho rozpadových produktu na člověka.

Ve volné atmosféře je radon ředěn vzdušnými proudy, a proto je jeho koncentrace velice nízká. Na druhé straně v uzavřeném prostředí, jako např. v budovách, může docházet k jeho akumulaci a jeho koncentrace může dosáhnout vysokých hodnot. Významnými zdroji radonu v budovách jsou zejména:

• geologické podloží;  
• stavební materiál;  
• voda dodávaná do objektu;  

•  venkovní vzduch dodávaný ventilací;
•  zemní plyn.

Zdroje radonu v objektech pozemních staveb.
1(a - g) - podloží pod objektem; radon proniká z půdního vzduchu do interiéru difuzí nebo se v důsledku podtlaku nasává např. trhlinami mezi stěnou a podlahou (1a), trhlinami způsobenými rozdílným sedáním v suterénních stěnách, příp. v základové desce (1b), netěsnostmi kolem uzávěrů revizních šachet (1c), netěsnostmi kolem prostupů instalací (1d), netěsnostmi kolem podlahových vpustí (1e) nebo odvodňovacím drenážním potrubím - trativodem (1f). Možným transportním mechanizmem je i difuze konstrukcemi spodní stavby (1g);
2 - exhalace radonu ze stavebních materiálů, 3 - uvolňování radonu z vody dodávané do objektu, 4 - vnější vzduch dodávaný ventilací  

Radon pocházející z geologického podloží

Hlavním zdrojem radonu je geologické podloží. Radioaktivní uran ²³⁸U vytváří samostatné minerály, jakými jsou například uraninit - smolinec nebo uranové slídy, je také přítomen v horninách jakými jsou biotit, zirkon, apatit a podobně. Množství radioaktivního uranu v jednotlivých typech hornin je značně rozdílné. Nejméně uranu a produktů jeho radioaktivní přeměny je v usazených, sedimentárních horninách typu pískovců, jílovců a slepenců (tyto horniny byly již jednou procesem zvětrávání rozrušeny, separovány, přetransportovány, usazeny a nakonec diagenezí zpevněny). Střední množství uranu nacházíme v přeměněných horninách, metamorfovaných tlakem a teplotou během dlouhé geologické historie jejich vzniku (typu pararuly). Nejvyšší obsah radioaktivního uranu a produktů jeho radioaktivní přeměny mají vyvřelé, magmatické horniny typu žul, granodioritů atd., protože primárně již v době svého vzniku byly obohaceny uranem a obsahují některé nehomogenně rozptýlené horninotvorné minerály (např. zirkon) s vyšším obsahem uranu. Tyto horniny vznikají utuhnutím magmatu, které vzniká přetavením hornin ve svrchním plášti Země. Při diferenciaci zemského tělesa došlo ke klesání těžkých prvků směrem ke středu Země, a tím se stalo, že koncentrace uranu a jiných těžkých prvků s hloubkou roste. Z místa vzniku vystupuje radionuklidy obohacené magma do zemské kůry, kde tuhne a vytváří intruzivní vyvřeliny, které nazýváme plutony, batolity, lakolity, nebo tvoří v podloží žilné vyvřelé horniny. Protože horninové složení českého masívu je z velké části tvořeno právě vyvřelými a metamorfovanými horninami, je zřejmé, že přísun radonu, z tohoto radionuklidy obsahujícího podloží, je vyšší. Geologické podloží České republiky je z více než z dvou třetin tvořeno metamorfovanými a magmatickými horninami, proto pokud je na takovém rizikovém horninovém podloží umístěná budova a je nedostatečně izolována od tohoto podloží), roste riziko poškození zdraví v ní přítomných osob z tohoto zdroje.

Přeměna uranu z podloží.

Radon pocházející ze stavebního materiálu

Zdrojem vyšší koncentrace radonu v ovzduší objektu mohou být také nevhodné stavební materiály. Jejich základem jsou většinou horniny, zeminy a stavební materiály s často výrazně rozdílným obsahem uranu. Materiály nejsou obvykle používány v původní formě, ale jsou drceny, mlety a tepelně upravovány, což může vést k většímu uvolňování radonu z povrchu zrn, a tím ze stavebního materiálu do interiéru objektu.

Radon pocházející z vody dodávané do objektu

Radioaktivní plyn radon je rozpustný ve vodě. Podzemní voda, která se na povrch dostává pohybem přes horniny a zeminy obsahující radon, je tímto plynem nasycována. Pokud jsou v budově rozvody podzemní vody se zvýšeným množstvím radonu (voda je čerpána z rizikového podloží, radon je v ní rozpuštěn), dochází při použití této vody (pitná voda nebo užitková voda používaná při sprchování, mytí, mytí nádobí, praní apod.) k uvolňování radioaktivního radonu do ovzduší objektů. Hlavní riziko radonu nespočívá v požití vody, ale v inhalaci radonu uvolněného při výše popsané spotřebě vody v domě. Vzhledem k tomu, že v podzemních zdrojích pitné vody jsou v současnosti prováděna měření koncentrace radonu a v případě jeho zvýšené koncentrace následuje „odradonování", je malá pravděpodobnost, že by radon unikající z vody dodávané do objektů mohl výraznějším způsobem ovlivnit objemovou aktivitu radonu v objektu. V povrchových vodách je množství radonu zanedbatelně.

Radon pocházející z venkovního vzduchu dodávaného ventilací  

Koncentrace radonu v atmosféře závisí přímo úměrně na velikosti exhalace ze zemského povrchu. V oblastech se zvýšeným obsahem radioaktivních látek v horninách můžeme tedy očekávat i zvýšenou koncentraci radonu ve vzduchu. Průměrný obsah radonu v přízemních vrstvách vzduchu nad pevninou o průměrné radioaktivitě je asi 5 Bq/m³. Tato koncentrace se vzrůstající výškou od povrchu Země klesá. Nemusíme se proto vůbec obávat, že by pobytem na čerstvém vzduchu bylo ohroženo naše zdraví.

Zemní plyn

Tento zdroj radonu představuje v našich podmínkách zcela zanedbatelný příspěvek.

Česká republika s průměrnou koncentrací objemové aktivity radonu 140 Bq/m³ patří k zemím s nejvyšší průměrnou koncentrací radonu na světě. Výskyt radonu v budovách je přitom nerovnoměrný - některé skupiny osob jsou ozářeny dávkami, které o jeden až dva řády převyšují průměr a ve výjimečných případech jsou na samé hranici dávek pro tzv. deterministické účinky záření. Například v České republice dosud nejvyšší nalezená koncentrace radonu v bytě odpovídá roční dávce kolem 500 mSv.

Příčiny neobvykle vysokých hodnot v našich budovách jsou vysoká koncentrace radonu v zemi v důsledku vyššího výskytu uranu a radia, špatná plynotěsná izolace budov od země a konečně stále menší větrání budov vyvolané energetickými úsporami.

Geologická prognózní mapa radonového rizika.

S ohledem na možné zdravotní důsledky ozáření z radonu je u nás i v řadě dalších zemí snahou státu ozáření obyvatel z radonu regulovat. Vláda České republiky, proto ve svém usnesení č. 538 z 31. května 1999 schválila radonový program.

Přírodní radioaktivita uvolněná do životního prostředí při některých činnostech

Při některých průmyslových činnostech se do prostředí uvolňují látky s vyššími aktivitami přírodních radionuklidů. Nejznámějším případem je jejich uvolňování při těžbě a zpracování uranu , dochází k němu však i při jiných průmyslových činnostech. Jedná se například o zpracování materiálů, které jsou sice považovány za radioaktivní, ale obsahují významné stopy přírodních radionuklidů (některé rudy vzácných zemin, rudy obsahující zirkon, horniny obsahující fosforečnany,...). Dále jde o případy dlouhodobé kumulace přírodních radionuklidů při některých procesech jako je usazování v potrubích a armaturách v dolech, v rafineriích minerálních olejů, hromadění ve vodárenských kalech, elulátech při praní filtrů a podobně.

Tyto činnosti mohou být závažné z hlediska expozice pracovníků, z hlediska expozice obyvatelstva je potřeba sledovat problematiku hospodaření s odpady.

Jedná se o radionuklidy uran-radiové a thoriové přeměnové řady, a to zejména izotopy radia a olova ²¹⁰Pb, obecně je třeba počítat s narušením radioaktivní rovnováhy mezi jednotlivými členy přeměnových řad. Při těchto činnostech se v některých látkách mohou objevovat přírodní radionuklidy v koncentracích 10 ³-10⁴ Bq/kg, výjimečně i vyšších. Tyto koncentrace jsou z hlediska ozáření pracovníků případně i obyvatelstva zanedbatelné.