Badanie dynamiki zmian aktywności wybranych izotopów promieniotwórczych w atmosferze przy użyciu metod eksploracji danych

Abstract

Rozprawa doktorska dotyczy badania dynamiki zmian stężenia i depozycji aktywności wybranych izotopów alfa i gamma promieniotwórczych (238Pu, 239+240Pu, 210Pb, 7Be, 137Cs, 22Na, 40K) w atmosferze na podstawie wieloletniego zestawu danych pomiarowych próbek aerozoli atmosferycznych pochodzących z przygruntowej warstwy powietrza oraz próbek całkowitego opadu atmosferycznego zebranych w Krakowie w latach 2005-2016. Izotopy będące przedmiotem badań reprezentują ważne (ze względu na pochodzenie) grupy izotopów promieniotwórczych występujących w środowisku, tj. izotopy pochodzenia ziemskiego (40K i 210Pb), izotopy kosmogeniczne (7Be i 22Na) oraz izotopy antropogeniczne (238Pu, 239+240Pu i 137Cs) i w związku z tym mogą być wykorzystywane, jako wskaźniki procesów transportu aerozoli w atmosferze. Komplementarne zbadanie ich zawartości oraz zmienności w czasie zarówno w przygruntowej warstwie powietrza jak i w całkowitym opadzie atmosferycznym dla tak długiego okresu pomiarowego może stanowić cenny wkład do bazy wiedzy z dziedziny badań radioaktywności atmosfery. W ramach projektu badawczego będącego podstawą do napisania rozprawy doktorskiej zrealizowano następujące cele naukowe: • wyznaczenie zawartości izotopów 238Pu, 239+240Pu, 210Pb, 7Be, 137Cs, 22Na, 40K w przygruntowej warstwie powietrza oraz w całkowitym opadzie atmosferycznym • wykrycie korelacji wzajemnych, w szczególności sezonowych między wybranymi izotopami antropogenicznymi (238Pu, 249+240Pu, 137Cs), kosmogenicznymi (7Be, 22Na) i ziemskimi (40K, 210Pb) w przygruntowej warstwie powietrza i w całkowitym opadzie atmosferycznym • zbadanie zależności stężenia aktywności rozważanych izotopów w przygruntowej warstwie powietrza od stężenia pyłu zawieszonego w powietrzu • zbadanie zależności stężenia i depozycji aktywności rozważanych izotopów w badanych próbkach od wybranych wskaźników meteorologicznych • zbadanie zależności między stężeniem aktywności rozważanych izotopów w przygruntowej warstwie powietrza, a stężeniem i depozycją aktywności tych izotopów w całkowitym opadzie atmosferycznym • identyfikacja źródeł plutonu w badanych próbkach na podstawie znajomości stosunku aktywności 238Pu/239+240Pu oraz 137Cs/239+240Pu • oszacowanie dawek pochodzących od narażenia zewnętrznego i wewnętrznego na promieniowanie jonizujące emitowane przez rozważane izotopy zawarte w przygruntowej warstwie powietrza • zbadanie sezonowości oraz trendów długookresowych w szeregach czasowych stężenia i depozycji aktywności rozważanych izotopów promieniotwórczych w badanych próbkach

Z uwagi na długi okres pomiarowy (12 lat) oraz dużą liczbę próbek (tygodniowe próbki filtrów powietrza i miesięczne próbki całkowitego opadu atmosferycznego) analizowany zbiór danych złożony był z ok. 3800 wyników pomiarowych. Analiza tak dużego zbioru rzeczywistych danych wymaga kompleksowego, usystematyzowanego podejścia, dlatego wszystkie analizy wykonane zostały z użyciem metod eksploracji danych w oparciu o model CRISP-DM.

Dissertation concerns the study of the dynamics of changes in the activity concentration and deposition of selected alpha and gamma radioisotopes (238Pu, 239 + 240Pu, 210Pb, 7Be, 137Cs, 22Na, 40K) in the atmosphere, based on a long-term set of measurement data of aerosol samples coming from ground air layer and of total atmospheric precipitation samples collected in Krakow in 2005-2016. Isotopes being the subject of research represent important (due to the origin) groups of radioactive isotopes present in the environment, i.e. isotopes of terrestrial origin (40K and 210Pb), cosmogenic isotopes (7Be and 22Na) and anthropogenic isotopes (238Pu, 239 + 240Pu, 137Cs) and can therefore be used as an indicator of different aerosol transport processes in the atmosphere. Complementary examination of their content and variability over time, both in the ground-level layer of air and in total atmospheric precipitation for such a long measurement period can be a valuable contribution to the knowledge base in the field of radioactivity of the atmosphere researches. Within the research project being the basis for the doctoral thesis, the following scientific goals were realized: • determination of the amount of radioisotopes: 238Pu, 239 + 240Pu, 210Pb, 7Be, 137Cs, 22Na, 40K in the ground level air layer and in total atmospheric precipitation • recognition of mutual correlations, in particular seasonal correlations between selected anthropogenic (238Pu, 249 + 240Pu, 137Cs), cosmogenic (7Be, 22Na) and terrestrial (40K, 210Pb) isotopes in ground level air layer and total atmospheric precipitation • examining the relationship between the activity concentration of considered isotopes in the ground level of the air layer and the concentration of dust suspended in the air • examining the dependence of activity concentration and deposition of considered isotopes in the tested samples on selected meteorological indicators • examining the relationship between the activity concentration of the considered isotopes in the ground level of air, and the activity concentration and deposition of these isotopes in total atmospheric precipitation • identification of plutonium sources in the tested samples on the basis of the 238Pu / 239 + 240Pu and 137Cs / 239 + 240Pu activity ratios • estimation of doses from external and internal exposure to ionizing radiation emitted by the considered isotopes contained in the ground-level layer of air • study seasonality and long-term trends in the time series of activity concentration and deposition of considered radioisotopes in the tested samples

Due to the long measurement period (12 years) and a large number of samples (weekly air filter samples and monthly samples of total atmospheric precipitation), the analyzed dataset was composed of about 3800 measurement results. Analysis of such a large set of real data requires a comprehensive, systematic approach, therefore all analyzes were made using data mining methods based on the CRISP-DM model.