Coefficiente di emanazione di radon

Processo di alfa recoil

L’emanazione è il rilascio di atomi di radon dai granuli minerali nei pori e nelle fratture del materiale. Il radon si genera per decadimento radioattivo del radio che, emettendo una particella α (nucleo di elio), si trasforma in radon. Durante questo processo, in conseguenza dell’emissione della particella α, l’atomo neoformato di radon viene spinto nella direzione opposta (alfa recoil). In funzione dell’alfa recoil, l’atomo di radon percorre una certa distanza che dipende dal mezzo all’interno del quale esso si muove. Affinché da un minerale comune possa verificarsi emanazione di radon, esso deve formarsi entro i primi 0.02 ÷ 0.07 µm dalla superficie del granulo (Sasaki et al., 2004). Tale è la distanza di recoil che un atomo di radon è in grado di coprire all'istante della sua formazione, all’interno di un minerale comune. Il radon che si forma più in profondità rimane imprigionato nel granulo e decade sul posto nei suoi sottoprodotti solidi (figura 6). Se l’atomo di radio viene a trovarsi in prossimità della superficie del granulo e il radon viene proiettato verso l’esterno, esso percorrerà una certa distanza all’interno del poro, pari ad un valore medio di 63 µm in aria libera (Sasaki et al., 2004).

Il coefficiente di emanazione rappresenta proprio il rapporto fra il numero di atomi di radon che lasciano il materiale solido e la quantità generata dal campione. Il numero di atomi che lasciano la parte solida è sempre minore del numero di atomi generati (De Martino et al., 1998).

Fattori di influenza del coefficiente di emanazione

In funzione del processo di alfa recoil, il coefficiente di emanazione di radon di un materiale subisce l’influenza di alcuni parametri fondamentali: la granulometria, la porosità (efficace), il contenuto d’acqua, la temperatura (Morawska & Phillips, 1993).

Esiste una correlazione inversa tra granulometria e coefficiente di emanazione. Ciò è dovuto al fatto che particelle piccole che occupano un certo volume hanno una superficie esposta totale (superficie di contatto con i pori intergranulari) maggiore rispetto a particelle di maggiori dimensioni che occupano lo stesso volume totale (Tuccimei et al., 2006). Quindi aumenta la probabilità che un atomo di radio si trovi in prossimità della superficie del granulo

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In relazione alla distanza percorsa dal radon all’interno del poro intergranulare (63 µm in aria libera), diventa importante la dimensione del poro: se il suo diametro è inferiore ai 63 µm esiste una buona probabilità che l’atomo di radon attraversi l’intero spazio del poro e venga inglobato all’interno di un granulo adiacente. È evidente quindi che la porosità è un parametro che condiziona fortemente il coefficiente di emanazione. Inoltre il radon è un gas e per potersi muovere ha bisogno di spazi comunicanti tra loro: il parametro di riferimento è quindi la porosità efficace.

Esiste una relazione di tipo diretto tra coefficiente di emanazione e contenuto d’acqua nei pori del materiale (Menetrez & Mosley, 1996). Questo è dovuto alla differenza nella distanza percorsa in acqua e in aria da un atomo di radon che subisce alfa recoil. La presenza di acqua comporta un assorbimento parziale dell’energia di recoil ed aumenta la probabilità per un atomo di rimanere nello spazio del poro, piuttosto che venire inglobato in un granulo adiacente (figura 6): la distanza media di recoil in acqua è di 0.1 µm (Sasaki et al., 2004). Dati sperimentali mostrano che un materiale umido presenta valori maggiori del tasso di esalazione di radon rispetto ad un’analisi in condizioni anidre (Tuccimei et al., 2006).

Figura 6. Processo di alfa recoil, coefficiente di emanazione di radon e fattori di influenza.

Iskandar et al. (2004), effettuando misure su campioni di suolo essiccati, individuano una correlazione di tipo diretto tra potere di emanazione e temperatura del suolo. Una possibile spiegazione è che con l’aumento della temperatura diminuisce marcatamente l’adsorbimento del radon sulla superficie dei minerali (Stranden et al., 1984).

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3.4 Processo di migrazione ed esalazione

Il radon emanato tende a muoversi all’interno di rocce e suoli e a migrare verso l’alto, per essere poi esalato all’interfaccia con l’atmosfera. I processi che spiegano i movimenti del radon sono analoghi a quelli descritti nel paragrafo 2.2 a proposito del suo ingresso in ambiente indoor.

In primo luogo si possono generare flussi avvettivi causati da un gradiente di pressione tra suolo e atmosfera. Il gradiente di temperatura tra suolo e atmosfera può a sua volta incidere sulla differenza di pressione. Anche velocità e direzione del vento possono influire sul gradiente di pressione. Inoltre può avere importanza il gradiente verticale di temperatura atmosferica: un ristagno di aria più fredda al suolo può ostacolare l’esalazione di radon all’interfaccia suolo-atmosfera, mentre il trasporto di calore dal suolo verso l’alto provoca il rimescolamento dell’aria, favorendo l’esalazione di radon. Risulta quindi evidente l’influenza dei parametri atmosferici, in particolare pressione barometrica e temperatura dell’aria.

Il meccanismo di diffusione invece può spiegare il movimento del radon in base ad un gradiente di concentrazione del gas tra suolo e atmosfera.

Il processo di esalazione all’interfaccia suolo-atmosfera risulta essere fondamentale nel determinare le concentrazioni di radon nel suolo. Menetrez e Mosley (1996) stimano una riduzione del 75% nel valore di concentrazione di radon nel suolo superficiale a causa dell’esalazione in atmosfera.

Un aumento dell’esalazione di radon in atmosfera potrebbe essere causato dall’aumento della temperatura del suolo, in conseguenza di una maggiore agitazione termica del gas all’interno del suolo e quindi una maggiore probabilità di essere esalato.

Permeabilità

La permeabilità del mezzo all’interno del quale il radon si muove è parametro fondamentale nel determinare la mobilità del gas (Neznal & Neznal, 2005). In funzione della permeabilità del mezzo, a parità di quantità di radon emanata, può variare notevolmente il flusso dal suolo e di conseguenza la concentrazione di soil radon (figura 7). La permeabilità di rocce e suoli è determinata dalla porosità interconnessa e dalla granulometria (permeabilità primaria) e può essere incrementata dalla presenza di fratture, discontinuità strutturali, fenomeni carsici

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condizionata in modo significativo anche dal contenuto d’acqua (acqua all’interno dei pori interconnessi) del suolo, a sua volta determinato da una serie di fattori tra cui intensità e distribuzione delle piogge e oscillazione del livello di falda acquifera. L’aumento del contenuto d’acqua di un suolo causa un aumento della concentrazione di radon (incidenza su coefficiente di emanazione), ma avvicinandosi al livello di saturazione si può verificare un improvviso decremento nei valori di concentrazione misurati, causato dalla brusca diminuzione del valore di permeabilità del suolo (Menetrez & Mosley, 1996).

Figura 7. Migrazione del radon in funzione della permeabilità (figura tratta da [9]).

Molto importante è la permeabilità della porzione più superficiale di suolo (Johner & Surbeck, 2001). La presenza di uno strato superficiale a bassa permeabilità crea una condizione prossima a quella di un sistema chiuso: flusso di radon all’interfaccia suolo- atmosfera ridotto al minimo e quindi maggiore possibilità di accumulo del gas all’interno del sistema suolo. La caratteristica di bassa permeabilità superficiale può essere dovuta a diverse cause, che vanno dalle proprietà intrinseche del materiale (ad esempio presenza di uno strato argilloso), ad un contenuto d’acqua prossimo al livello di saturazione, alla presenza di terreno ghiacciato, alla copertura nevosa, di cemento o asfalto (Wiegand, 2001).

Il parametro di interesse, considerando la mobilità di un gas in un mezzo poroso, è la permeabilità intrinseca (k, espressa in m2), definita come proprietà del mezzo indipendente dalle caratteristiche peculiari del fluido che lo attraversa. Il coefficiente di permeabilità

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assoluta (K, espresso in m/s) o conducibilità idraulica, parametro usato nella pratica idrogeologica, è legato alla permeabilità intrinseca dalla relazione (Civita, 2005):

   k K (2) in cui:

γ: peso specifico dell’acqua (N/m3) µ: viscosità dell’acqua (Pa∙s)

Poiché nelle normali condizioni di giacitura dell’acqua all’interno di un acquifero, γ e µ variano in maniera trascurabile, si può generalmente assimilare K a k (Civita, 2005).

Il radon si diffonde attraverso pori e fratture del suolo e può essere trasportato da correnti d’aria o dall'acqua, nella quale è solubile (coefficiente di solubilità circa 0.25 a 20°C). La solubilità del radon in acqua è funzione della temperatura: più è fredda l'acqua, maggiore è la solubilità del radon, ciò significa che in falde fredde profonde l'acqua può solubilizzare grosse quantità di radon, che possono essere poi rilasciate a livello superficiale quando la temperatura si alza.

Una serie di altri fattori, possono influenzare fortemente la migrazione del radon. La presenza di fratture e discontinuità strutturali dà luogo ad un trasporto diverso del gas rispetto al lento movimento attraverso i pori del materiale: in questo caso il radon risale con maggiore velocità verso l’interfaccia con l’atmosfera. Inoltre si può verificare un incremento nei valori di radon sia in termini di concentrazione nel suolo, sia di flusso superficiale: infatti la presenza di discontinuità può rendere possibile un apporto di radon proveniente da aree più profonde. La presenza di altri gas, quali anidride carbonica (CO2), acido solfidrico (H2S) o metano (CH4),

può favorire un ulteriore aumento delle quantità di radon di origine profonda, in quanto essi possono fungere da convogli gassosi trasportatori del radon (gas carrier). Questi aspetti possono caratterizzare aree ad attività idrotermale e manifestazioni vulcaniche tardive, dove aumenta la possibilità di circolazione e risalita di fluidi profondi (Carapezza et al., 2010). La presenza di cavità nel sottosuolo, di origine sia naturale, sia antropica, può incidere in diversi modi sulle dinamiche del gas radon. Innanzitutto un volume vuoto può permettere uno

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accumulo. D’altra parte misurando in prossimità di una cavità potrebbe anche verificarsi una diminuzione dei valori di radon, sia perché si ha una minor quantità di materiale sorgente, sia perché la cavità potrebbe costituire una via di fuga che allontana il gas.