radiación de fondo

La radiación de fondo terrestre , para los fines de la tabla anterior, solo incluye fuentes que permanecen fuera del cuerpo. Los principales radionúclidos de interés son el potasio , el uranio y el torio , así como sus productos de desintegración, algunos de los cuales, como el radio y el radón, son intensamente radiactivos pero se presentan en bajas concentraciones. La mayoría de estas fuentes han ido disminuyendo, debido a la desintegración radiactiva desde la formación de la Tierra, ya que actualmente no se transporta una cantidad significativa a nuestro planeta. Por lo tanto, la actividad actual en la Tierra del uranio-238 es solo la mitad de la que era originalmente debido a su vida media de 4500 millones de años, y la del potasio-40 (vida media de 1250 millones de años) es solo alrededor del 8 % de la actividad original. Sin embargo, durante el tiempo que los humanos han existido, la cantidad de radiación ha disminuido muy poco. 

Muchos isótopos con una vida media más corta (y, por lo tanto, más radiactivos) no se han desintegrado fuera del medio terrestre debido a su continua producción natural. Ejemplos de ello son el radio -226 (producto de la desintegración del torio-230 en la cadena de desintegración del uranio-238) y el radón-222 (producto de la desintegración del radio -226 en dicha cadena).

El torio y el uranio (y sus productos de desintegración) experimentan principalmente desintegración alfa y beta , y no son fácilmente detectables. Sin embargo, muchos de sus productos de desintegración son potentes emisores gamma. El torio-232 es detectable mediante un  pico de 239 keV del plomo-212 , 511, 583 y 2614  keV del talio-208 , y 911 y 969  keV del actinio-228 . El uranio-238 se manifiesta como picos de 609, 1120 y 1764  keV del bismuto-214 ( compárese con el mismo pico del radón atmosférico). El potasio-40 es detectable directamente mediante su  pico gamma de 1461 keV. ^{[ 7 ]}

El nivel sobre el mar y otras grandes masas de agua tiende a ser aproximadamente una décima parte del nivel de fondo terrestre. Por el contrario, las zonas costeras (y las zonas cercanas a agua dulce) pueden tener una contribución adicional de sedimentos dispersos. ^{[ 7 ]}

La principal fuente de radiación de fondo natural es el radón atmosférico , un gas radiactivo que emana del suelo. El radón y sus isótopos , radionúclidos progenitores y productos de desintegración contribuyen a una dosis inhalada promedio de 1,26 mSv/año (milisievert por año ). El radón se distribuye de forma desigual y varía con el clima, por lo que se aplican dosis mucho más altas en muchas zonas del mundo, donde representa un riesgo significativo para la salud . Se han encontrado concentraciones más de 500 veces superiores al promedio mundial dentro de edificios en Escandinavia, Estados Unidos, Irán y la República Checa. ^{[ 8 ]} El radón es un producto de desintegración del uranio, que es relativamente común en la corteza terrestre, pero más concentrado en rocas mineralizadas dispersas por todo el mundo. El radón se filtra de estos minerales a la atmósfera o al agua subterránea, o se infiltra en los edificios. Puede inhalarse a los pulmones, junto con sus productos de desintegración , donde permanecerán durante un período de tiempo después de la exposición. 

Aunque el radón es un elemento natural, la exposición puede verse incrementada o disminuida por la actividad humana, especialmente la construcción de viviendas. Un piso mal sellado o una ventilación deficiente en el sótano, en una casa que por lo demás está bien aislada, pueden provocar la acumulación de radón en el interior, exponiendo a sus residentes a altas concentraciones. La construcción generalizada de viviendas bien aisladas y selladas en el mundo industrializado del norte ha hecho que el radón se convierta en la principal fuente de radiación de fondo en algunas localidades del norte de Norteamérica y Europa. El sellado del sótano y la ventilación por succión reducen la exposición. Algunos materiales de construcción, como el hormigón ligero con esquisto de aluminio , el fosfoyeso y la toba italiana , pueden emanar radón si contienen radio y son porosos a los gases. ^{[ 8 ]}

La exposición a la radiación del radón es indirecta. El radón tiene una vida media corta (4 días) y se desintegra en otros nucleidos radiactivos sólidos particulados de la serie del radio . Estas partículas radiactivas se inhalan y permanecen alojadas en los pulmones, causando una exposición continua. Por lo tanto, se considera que el radón es la segunda causa principal de cáncer de pulmón después del tabaquismo y es responsable de entre 15 000 y 22 000 muertes por cáncer al año solo en Estados Unidos. ^{[ 9 ]} Sin embargo, el debate sobre los resultados experimentales opuestos aún continúa. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

En 1984 se encontraron aproximadamente 100 000  Bq/m³ ^{de radón en el sótano} de Stanley Watras. ^{[ 12 ] [ 13 ]} Él y sus vecinos en Boyertown, Pensilvania , Estados Unidos, podrían ostentar el récord de las viviendas más radiactivas del mundo. Las organizaciones internacionales de protección radiológica estiman que una dosis comprometida puede calcularse multiplicando la concentración equivalente de equilibrio (CEE) del radón por un factor de 8 a 9 ^nSv · m³ ^/ Bq ·h y la CEE del torón por un factor de 40 nSv ·m³ ^/ Bq ·h . ^{[ 2} ]

La mayor parte del fondo atmosférico se debe al radón y sus productos de desintegración. El espectro gamma muestra picos prominentes en 609, 1120 y 1764 keV , correspondientes al bismuto-214 , un producto de desintegración del radón. El fondo atmosférico varía considerablemente según la dirección del viento y las condiciones meteorológicas. El radón también puede liberarse del suelo en ráfagas y formar «nubes de radón» capaces de recorrer decenas de kilómetros. ^{[ 7 ]} 

La Tierra y todos los seres vivos que la habitan son bombardeados constantemente por radiación del espacio exterior. Esta radiación consiste principalmente en iones con carga positiva, desde protones hasta hierro y núcleos más grandes , provenientes de fuera del Sistema Solar . Esta radiación interactúa con los átomos de la atmósfera para crear una lluvia de radiación secundaria, que incluye rayos X , muones , protones , partículas alfa , piones , electrones y neutrones . La dosis inmediata de radiación cósmica proviene principalmente de muones, neutrones y electrones, y esta dosis varía en diferentes partes del mundo según el campo geomagnético y la altitud. Por ejemplo, la ciudad de Denver en Estados Unidos (a 1650 metros de altitud) recibe una dosis de rayos cósmicos aproximadamente el doble que la de una ubicación a nivel del mar. ^{[ 14 ]} Esta radiación es mucho más intensa en la troposfera superior , alrededor de los 10  km de altitud, y por lo tanto es motivo de especial preocupación para las tripulaciones de las aerolíneas y los pasajeros frecuentes, que pasan muchas horas al año en este entorno. Durante sus vuelos, las tripulaciones de las aerolíneas suelen recibir una dosis ocupacional adicional de entre 2,2 mSv (220 mrem) por año ^{[ 15 ]} y 2,19 mSv/año, ^{[ 16 ]} según diversos estudios. ^{[ 17 ]}  

De manera similar, los rayos cósmicos provocan una mayor exposición a la radiación de fondo en los astronautas que en los humanos en la superficie de la Tierra. Los astronautas en órbitas bajas , como en la Estación Espacial Internacional o el Transbordador Espacial , están parcialmente protegidos por el campo magnético terrestre, pero también sufren la radiación del cinturón de Van Allen, que acumula rayos cósmicos y es consecuencia del campo magnético terrestre. Fuera de la órbita terrestre baja, como experimentaron los astronautas del programa Apolo que viajaron a la Luna , esta radiación de fondo es mucho más intensa y representa un obstáculo considerable para la posible exploración humana a largo plazo de la Luna o Marte en el futuro .

Los rayos cósmicos también provocan la transmutación de elementos en la atmósfera, donde la radiación secundaria generada por estos rayos se combina con los núcleos atómicos para generar diferentes nucleidos . Se pueden producir muchos nucleidos cosmogénicos , pero probablemente el más notable sea el carbono-14 , que se produce por interacciones con átomos de nitrógeno . Estos nucleidos cosmogénicos finalmente alcanzan la superficie terrestre y pueden incorporarse a los organismos vivos. La producción de estos nucleidos varía ligeramente con las fluctuaciones a corto plazo del flujo de rayos cósmicos solares, pero se considera prácticamente constante en escalas de miles a millones de años. La producción constante, la incorporación a los organismos y la vida media relativamente corta del carbono-14 son los principios que se utilizan en la datación por radiocarbono de materiales biológicos antiguos, como artefactos de madera o restos humanos.

La radiación cósmica a nivel del mar se manifiesta generalmente como  rayos gamma de 511 keV provenientes de la aniquilación de positrones creados por reacciones nucleares de partículas de alta energía y rayos gamma. A mayor altitud, también se observa la contribución del espectro continuo de bremsstrahlung . ^{[ 7 ]}

Dos de los elementos esenciales que componen el cuerpo humano, el potasio y el carbono, tienen isótopos radiactivos que contribuyen significativamente a nuestra dosis de radiación de fondo. Un ser humano promedio contiene aproximadamente 17 miligramos de potasio-40 ( ^⁴⁰K ) y aproximadamente 24 nanogramos (10⁻⁹ ^g  ) de carbono-14 ( ^¹⁴C ), ^{[ ¹⁸ ]} (vida media de 5730 años). Excluyendo la contaminación interna por material radiactivo externo, estos dos son los componentes más importantes de la exposición a la radiación interna proveniente de los componentes biológicamente funcionales del cuerpo humano. Aproximadamente 4000 núcleos de ^{⁴⁰K [ ¹⁹ ]} se desintegran por segundo, y una cantidad similar de ^¹⁴C . La energía de las partículas beta producidas por el ^⁴⁰K es aproximadamente 10 veces mayor que la de las partículas beta de la desintegración del ^¹⁴C .

^{El 14C} está presente en el cuerpo humano a un nivel de aproximadamente 3700 Bq (0,1  μCi) con una vida media biológica de 40 días. ^{[ 20 ]} Esto significa que se producen aproximadamente 3700 partículas beta por segundo por la desintegración del ^14C . Sin embargo, un átomo de ^14C se encuentra en la información genética de aproximadamente la mitad de las células, mientras que el potasio no es un componente del ADN . La desintegración de un átomo de ^14C dentro del ADN de una persona ocurre aproximadamente 50 veces por segundo, cambiando un átomo de carbono por uno de nitrógeno . ^{[ 21 ]}

La dosis interna media global de radionúclidos distintos del radón y sus productos de desintegración es de 0,29  mSv/año, de los cuales 0,17  mSv/año provienen del ⁴⁰ K, 0,12  mSv/año de las series del uranio y el torio, y 12  μSv/año del ¹⁴ C. ^{[ 2 ]}

Algunas áreas tienen dosis mayores que los promedios nacionales. ^{[ 22 ]} En el mundo en general, los lugares con un fondo natural excepcionalmente alto incluyen Ramsar en Irán, Guarapari en Brasil, Karunagappalli en India, ^{[ 23 ]} Arkaroola en Australia ^{[ 24 ]} y Yangjiang en China. ^{[ 25 ]}

El nivel más alto de radiación puramente natural jamás registrado en la superficie terrestre fue de 90  μGy/h en una playa negra brasileña ( areia preta en portugués) compuesta de monacita . ^{[ 26 ]} Esta tasa se convertiría en 0,8 Gy/a para una exposición continua durante todo el año, pero de hecho los niveles varían estacionalmente y son mucho más bajos en las residencias más cercanas. La medición récord no se ha duplicado y se omite en los últimos informes del UNSCEAR. Las playas turísticas cercanas en Guarapari y Cumuruxatiba fueron evaluadas posteriormente en 14 y 15  μGy/h. ^{[ 27 ] [ 28 ]} Tenga en cuenta que los valores citados aquí están en Grays . Para convertirlos a Sieverts (Sv) se requiere un factor de ponderación de radiación; estos factores de ponderación varían de 1 (beta y gamma) a 20 (partículas alfa).

La radiación de fondo más alta en un área habitada se encuentra en Ramsar , debido principalmente al uso de piedra caliza local naturalmente radiactiva como material de construcción. Los 1000 residentes más expuestos reciben una dosis efectiva de radiación externa promedio de 6 mSv (600 mrem) por año, seis veces el límite recomendado por la ICRP para la exposición del público a fuentes artificiales. ^{[ 29 ]} Además, reciben una dosis interna sustancial de radón. Se encontraron niveles récord de radiación en una casa donde la dosis efectiva debido a campos de radiación ambiental fue de 131 mSv (13,1 rem) por año, y la dosis comprometida interna de radón fue de 72 mSv (7,2 rem) por año. ^{[ 29 ]} Este caso único es más de 80 veces superior a la exposición humana natural promedio mundial a la radiación.      

Se están realizando estudios epidemiológicos para identificar los efectos en la salud asociados con los altos niveles de radiación en Ramsar. Es demasiado pronto para extraer conclusiones estadísticamente significativas e inequívocas. ^{[ 29 ]} Si bien hasta ahora solo se ha observado apoyo para los efectos beneficiosos de la radiación crónica (como una mayor esperanza de vida) en pocos lugares, ^{[ 29 ]} al menos un estudio sugiere un efecto protector y adaptativo, cuyos autores advierten, no obstante, que los datos de Ramsar aún no son lo suficientemente sólidos como para relajar los límites de dosis regulatorios existentes. ^{[ 30 ]} Sin embargo, los análisis estadísticos recientes discutieron que no hay correlación entre el riesgo de efectos negativos para la salud y el nivel elevado de radiación de fondo natural. ^{[ 31 ]}

Las dosis de radiación de fondo en la proximidad inmediata de partículas de materiales de alto número atómico, dentro del cuerpo humano, tienen un pequeño aumento debido al efecto fotoeléctrico . ^{[ 32 ]}

La mayor parte del fondo natural de neutrones es producto de la interacción de los rayos cósmicos con la atmósfera. La energía de los neutrones alcanza su máximo alrededor de 1  MeV y disminuye rápidamente por encima de este valor. A nivel del mar, la producción de neutrones es de aproximadamente 20 neutrones por segundo por kilogramo de material que interactúa con los rayos cósmicos (o, aproximadamente, entre 100 y 300 neutrones por metro cuadrado por segundo). El flujo depende de la latitud geomagnética, con un máximo cerca de los polos magnéticos. Durante los mínimos solares, debido a la menor protección del campo magnético solar, el flujo es aproximadamente el doble que durante los máximos solares. También aumenta drásticamente durante las erupciones solares. En las proximidades de objetos más grandes y pesados, como edificios o barcos, el flujo de neutrones es mayor; esto se conoce como "firma de neutrones inducida por rayos cósmicos" o "efecto barco", ya que se detectó por primera vez con barcos en el mar. ^{[ 7 ]}

Las frecuentes explosiones nucleares en superficie entre las décadas de 1940 y 1960 dispersaron una cantidad considerable de contaminación radiactiva . Parte de esta contaminación es local, lo que provoca que el entorno inmediato sea altamente radiactivo, mientras que otra parte se transporta a mayores distancias como lluvia radiactiva ; parte de este material se dispersa por todo el mundo. El aumento de la radiación de fondo debido a estas pruebas alcanzó su punto máximo en 1963, con aproximadamente 0,15  mSv por año a nivel mundial, o alrededor del 7 % de la dosis de fondo promedio de todas las fuentes. El Tratado de Prohibición Parcial de Ensayos Nucleares de 1963 prohibió las pruebas en superficie, por lo que para el año 2000 la dosis mundial de estas pruebas se había reducido a solo 0,005  mSv por año. ^{[ 36 ]}

Esta catástrofe global ha causado un estimado de 200.000 a 460.000 muertes hasta 2020. ^{[ 37 ]}

La Comisión Internacional de Protección Radiológica recomienda limitar la exposición ocupacional a la radiación a 50  mSv (5 rem) por año y a 100  mSv (10 rem) en 5 años. ^{[ 38 ]}

Sin embargo, la radiación de fondo para las dosis ocupacionales incluye la radiación que no se mide con instrumentos de dosimetría en condiciones potenciales de exposición laboral. Esto incluye tanto la radiación de fondo natural fuera del lugar de trabajo como las dosis de radiación médica. Este valor no suele medirse ni conocerse a partir de estudios, por lo que se desconocen las variaciones en la dosis total que recibe cada trabajador. Esto puede ser un factor de confusión importante al evaluar los efectos de la exposición a la radiación en una población de trabajadores que pueden tener dosis de radiación de fondo natural y médica significativamente diferentes. Esto es especialmente relevante cuando las dosis ocupacionales son muy bajas.

En una conferencia del OIEA en 2002, se recomendó que las dosis ocupacionales inferiores a 1–2 mSv por año no justifican un escrutinio regulatorio. ^{[ 39 ]}

En circunstancias normales, los reactores nucleares liberan pequeñas cantidades de gases radiactivos, lo que provoca una exposición mínima a la radiación en la población. Los eventos clasificados como incidentes en la Escala Internacional de Sucesos Nucleares (ISSN) generalmente no liberan sustancias radiactivas adicionales al medio ambiente. Las grandes liberaciones de radiactividad de los reactores nucleares son extremadamente raras. Hasta la fecha, se han registrado dos grandes accidentes civiles —el accidente de Chernóbil y el accidente nuclear de Fukushima I— que causaron una contaminación considerable. El accidente de Chernóbil fue el único que provocó muertes inmediatas.

Las dosis totales del accidente de Chernóbil oscilaron entre 10 y 50 mSv durante 20 años para los habitantes de las zonas afectadas, recibiéndose la mayor parte de la dosis en los primeros años posteriores al desastre, y superaron los 100 mSv para los liquidadores . Se registraron 28 muertes por síndrome de radiación aguda . ^{[ 40 ]}

Las dosis totales de los accidentes de Fukushima I oscilaron entre 1 y 15 mSv para los habitantes de las zonas afectadas. Las dosis tiroideas en niños fueron inferiores a 50 mSv. 167 trabajadores de limpieza recibieron dosis superiores a 100 mSv, y ​​6 de ellos recibieron más de 250 mSv (el límite de exposición japonés para trabajadores de respuesta a emergencias). ^{[ 41 ]}

La dosis promedio del accidente de Three Mile Island fue de 0,01 mSv. ^{[ 42 ]}

No civiles : Además de los accidentes civiles descritos anteriormente, varios accidentes en instalaciones de armas nucleares tempranas, como el incendio de Windscale , la contaminación del río Techa por los desechos nucleares del complejo de Mayak y el desastre de Kyshtym en el mismo complejo, liberaron una cantidad considerable de radiactividad al medio ambiente. El incendio de Windscale produjo dosis tiroideas de 5 a 20 mSv para adultos y de 10 a 60 mSv para niños. ^{[ 43 ]} Se desconocen las dosis de los accidentes en Mayak.

La Comisión Reguladora Nuclear , la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos y otros organismos estadounidenses e internacionales exigen que los titulares de licencias limiten la exposición a la radiación de los miembros individuales del público a 1 mSv (100 m rem ) por año. 

Según la evaluación del ciclo de vida de la UNECE , casi todas las fuentes de energía generan algún nivel de exposición ocupacional y pública a radionúclidos como resultado de su fabricación u operación. La siguiente tabla utiliza man· Sievert /GW-año: ^{[ 44 ]}

La exposición humana promedio global a la radiación artificial es de 0,6  mSv/año, proveniente principalmente de imágenes médicas . Este componente médico puede ser mucho mayor, con un promedio de 3  mSv por año en la población de EE. UU. ^{[ 3 ]} Otros factores que contribuyen a la exposición humana incluyen el tabaquismo, los viajes en avión, los materiales de construcción radiactivos, los ensayos históricos de armas nucleares, los accidentes en centrales nucleares y la operación de la industria nuclear.

Una radiografía de tórax típica administra  una dosis efectiva de 20 μSv (2 mrem). ^{[ 48 ]} Una radiografía dental administra una dosis de 5 a 10 μSv. ^{[ 49 ]} Una tomografía computarizada administra una dosis efectiva a todo el cuerpo que oscila entre 1 y 20 mSv (100 a 2000 mrem). El estadounidense promedio recibe alrededor de 3  mSv de dosis médica de diagnóstico por año; los países con los niveles más bajos de atención médica no reciben casi ninguna. El tratamiento de radiación para diversas enfermedades también representa cierta dosis, tanto para los individuos como para quienes los rodean.

Los cigarrillos contienen polonio-210 , que proviene de los productos de desintegración del radón, los cuales se adhieren a las hojas de tabaco . El tabaquismo intenso produce una dosis de radiación de 160 mSv/año en puntos localizados en las bifurcaciones de los bronquios segmentarios de los pulmones, debido a la desintegración del polonio-210. Esta dosis no es fácilmente comparable con los límites de protección radiológica, ya que estos últimos se refieren a dosis en todo el cuerpo, mientras que la dosis proveniente del tabaquismo se administra a una porción muy pequeña del cuerpo. ^{[ 50 ]}