home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Cuteskunk BBS / cuteskunk.zip / cuteskunk / Cellular2 / 7c.txt < prev    next >
Text File  |  2003-06-29  |  21KB  |  451 lines
  1.             A Note on Radiation Damage
  2.  
  3. "There is no safe level of radiation exposure. So the question is not: What
  4.  is a safe level? The question is: How great is the risk?"
  5.  
  6.                         Karl Z. Morgan
  7.  
  8.  
  9. There have been three major theories as to how radiation damages living
  10. tissue, all set by physicians. All are approximations, and based on broad
  11. assumptions.
  12.  
  13. (1) The threshold hypothesis: asserts that there exists a safe level of
  14. radiation. The idea behind this thinking is that if the does is low, then
  15. the cell repair rate is of the order of the damage rate. Hence you get
  16. no resultant damage.
  17.  
  18. (2) The linear hypothesis: under this theory, you would expect 1 malignant
  19. cancer for 1000 person-rems. For example, you would find one cancerous
  20. patient if you exposed 500 people to 2 rems, or 10000 people to 0.1 rems.
  21.  
  22. (3) The supralinear hypothesis: the main result here is that for low doses
  23. you get more cancers/person-rem than at high doses. Here they not saying you 
  24. get more radiation; instead, you get more damaged surviving cells.
  25.  
  26.                 Some Facts
  27.  
  28. There are 4 types of ionising radiation. These are alphas
  29. (fast moving helium nuclei),
  30. betas (electrons), gammas (high energy EM radiation), and neutrons (highly
  31. penetrating).
  32.  
  33. How does damage occur? In other words, how does radiation cause cancer? 
  34.  
  35. A typical cell is around 0.02mm across, a cell nucleus is about 0.001mm.
  36.  
  37. When radiation, say a gamma, enters your body, there is a chance it will
  38. intersect with one of your cells. Inside any cell is a nucleus, which
  39. contains chromosomes. These are essentially DNA helixes. DNA looks like
  40. two entwined strings of nucleotides - the amino acids A, T, C, and G. Across
  41. strands they are paired A-T and C-G. A portion of DNA (a series of these
  42. acids) is called a gene. Genes exist along chromosomes, and they contain
  43. the data for proteins.
  44.  
  45. If the radiation happens to pass into the cell nucleus (which is a relatively
  46. large entity compared to the rest of the cell), one of 4 things can happen.
  47.  
  48. All exposure subjects cells to risk. In order of decreasing probability:
  49.  
  50.         (1) radiation goes right thru, no interaction.
  51.         (2) radiation does irrepairable destruction, and cell dies.
  52.         (3) radiation does damage to nucleus. Cell survives in
  53.             this damaged state. After it repetitively divides, it
  54.             grows into a solid tumour after 30 odd years - cancer.
  55.         (4) radiation does repairable damage, and cell returns to
  56.             normal state. (Very low probability).
  57.  
  58. Possibility (3) is the one to watch out for. During division, the DNA
  59. strands stretch out, and it is during this time which your cells are most
  60. susceptible to damage.
  61.  
  62. It is also possible for the radiation to ionise the water in the cell
  63. cytoplasm, leading to the formation of free radicals, which can travel 
  64. some distance. They can react chemically with the DNA in the nucleus, 
  65. interfering with the chemical bonding along the helix. 
  66.  
  67. Two types of damaging interaction can occur with the amino acids.
  68.  
  69.         (a) point mutations
  70.             - deletion
  71.             - substitution
  72.             - inversion
  73.             - addition
  74.  
  75.         (b) large scale mutations (chromosome aberrations)
  76.             - deletion e.g. retinoblastoma
  77.             - amplification
  78.             - translocation
  79.  
  80. It is also possible to have compound breaks along the DNA, which is not
  81. easy for the cell to repair, unlike single strand or double strand breaks.
  82.  
  83. The cell and nuclear membranes are also susceptible to damage. This could
  84. be due to alterations in permeability/osmosis in the membrane due to the
  85. radiation-induced imbalance of ionised particles.
  86.  
  87. Once a certain threshold is exceeded, you will start saturating the cells.
  88. This lethal threshold serves to define two categories of radiation.
  89.  
  90.                 Effects
  91.  
  92. EFFECT        NATURE            THRESHOLD?    DOSE DEPENDENCE
  93.  
  94. Stochastic    Non-lethal mutations    No        Probability of
  95. (somatic or    affecting single cells             effect increases
  96. genetic)                        with dose
  97.  
  98. Deterministic    Lethal mutations    Yes        Severity of 
  99.         affecting large number            effect increases
  100.         of cells                with dose
  101.  
  102.                 Cancer
  103.  
  104. Stem cells are ones which are able to undergo mitosis when the human body
  105. has reached full maturity. Examples are blood cells, and the cells lining
  106. your intestines. During normal functioning of your body, cell replacement
  107. balances cell loss.
  108.  
  109. In cancer, a stem fails to stop its mitosis. It and its descendants divide
  110. uncontrolled, forming a tumour. A bit like a binary tree in cell
  111. multiplicity.
  112.  
  113. Oncogenes are genes which interfere with the cell division process. They
  114. are mutations of proto-oncogenes, whose role are to control cell growth
  115. and mitosis. It is thought radiation promotes creation of oncogenes.
  116.  
  117. There are also cancer-suppressing genes, which inhibit oncogene formation.
  118. The best known example is the Rb gene, which inhibits retinoblastoma.
  119.  
  120. After all of this, let me add a fourth idea on radiation damage:
  121.  
  122. (4) probability of hereditary genetic damage or cancer is a function of:
  123.  
  124. type of radiation (a,b,g,n) x energy of radiation x dose rate
  125.  
  126. Here you have 4 discrete degrees of freedom, and 2 continuous degrees: rate &
  127. energy. Assume that there is a cut-off energy for a unit of a particular type
  128. of radiation, E_max, such that if E > E_max a cell will die, and E < E_max
  129. the cell will survive (either in damaged or undamaged state). We are worried
  130. about the E < E_max cases. If E > E_max then you get radiation poisoning and
  131. you will definitely die if you get a large enough dose.
  132.  
  133. The probability of nucleus intersection is a function of radiation type. (The
  134. size of radiation varies considerably.)
  135.  
  136. The probability of a nucleus being hit twice or more is very low, unless
  137. the number of incident radiation approaches the sample size. In which case
  138. you get radiation poisoning and die anyway.
  139.  
  140. You get a 6D phase space of statistical mechanics. Supplement this with an
  141. action in path integral form. Plotted, you'd have a 6D graph, unlike your
  142. normal 3D graphs. It's worse than the 4D spacetime of general relativity.
  143. No wonder the physicicans only plot projections! You can trace out a person's
  144. history in this phase space, and then give them a final probability of
  145. cancer/hereditary damage.
  146.  
  147. ============================================================================
  148.  
  149. Plutonium's Risk to Human Health Depend On Its Form
  150.  
  151. In a nuclear explosium, plutonium-239 fissions and releases a huge amount of
  152. energy and radiation. But plutonium itself is a highly toxic element that requires
  153. a great deal of care in handling.
  154.  
  155. Experts agree that the silvery, unstable metal plutonium-239, with a half-life of
  156. 24,000 years, is hazardous and sould be isolated from the biosphere. However, the
  157. risks posed to workers and communities by stored plutonium depend on the route of
  158. exposure as well as the particle size, isotope, and chemical form.
  159.  
  160. Weapons-grade plutonium outside the body presents little risk unless exposures are
  161. frequent and extensive. It emits primarily alpha particles, which cannot penetrate
  162. skin, clothing, or even paper. Nearly all the energy from plutonium is deposited
  163. on the outer, nonliving layer of the skin, where it causes no damage. The neutrons
  164. and the relatively weak gamma photons it emits can penetrate the body, but large
  165. amounts of weapons-grade plutonium would be needed to yield substantial doses.
  166.  
  167. Workers wearing only lead aprons can handle steel drums containing solid plutonium
  168. metal with no immediate untoward effects. However, as weapons-grade plutonium
  169. ages, it becomes more dangerous because some of the contaminating plutonium-241 is
  170. converted via beta decay to americium-241, which emits far stronger gamma
  171. radiation.
  172.  
  173. On the other hand, plutonium inside the body is highly toxi. Solid plutonium metal
  174. is neither easily dispersed nor easily inhaled or absorbed into the body. But if
  175. plutonium metal is exposed to air to any degree, it slowly oxidizes to plutonium
  176. oxide (PuO2), which is a powdery, much more dispersable substance. Depending on
  177. the particle size, plutonium-239 oxide may lodge deep in the alveoli of the lung
  178. where it has a biological half-life of 500 days, and alpha particles from the
  179. opxide can cause cancer. Also, fractions of the inhaled plutonium oxide can slowly
  180. dissolve, enter the bloodstream, and end up primarily in bone or liver.
  181.  
  182. Plutonium oxide is weakly soluble in water. If it is ingested in food or water,
  183. only a small fraction (4 parts per 10,000) is absorbed into the gastrointestinal
  184. tract. However, it may take just a few millionths of a gram to cause cancer over
  185. time. In animals, small doses induce cancer, especially in lung and bone.
  186.  
  187. In published studies of plutonium's effects on humans, most subjects were exposed
  188. to multiple sources of radiation. Some researchers say the available health data
  189. on plutonium workers have not yet been used to do careful epidemiological studies,
  190. because researchers have been denied access to much of the data on workers and
  191. military personnel exposed to plutonium. In the studies done so far, plutonium
  192. workers do not show major excesses of any type of cancer.
  193.  
  194. Becuase of the relative lack of human data, the risks of chronic exposure to
  195. plutonium are uncertain. Exposure standards in the U.S. are based partly on
  196. studies of survivors of Hiroshima and Nagasaki and partly on animal experiments. A
  197. 1991 White House Office of Science & Technology Policy studye says that
  198. "sufficient human data are not available to provide accurate risk assessment of
  199. exposure."
  200.  
  201. ============================================================================
  202.  
  203.             Nuclear Blast Effects
  204.  
  205. The first thing bomb victims experience is the intense flux of photons from
  206. the blast, which releases 70-80% of the bomb's energy. See the Hiroshima-
  207. Nagasaki file for first hand accounts. The effects go up to third degree
  208. thermal burns, and are not a pretty sight. Initial deaths are due to this
  209. effect.
  210.  
  211. Then next phenomenon is the supersonic blast front. You see it before you
  212. hear it. The pressure front has the effect of blowing away anything in its
  213. path. Heavy steel girders were found bent at 90 degree angles after the
  214. Japanese bombings. 
  215.  
  216. After the front comes the overpressure phase. It would feel like being under
  217. water a few hundred metres. At a few thousand metres under the sea, pressurised
  218. hulls implode. The pressure gradually dies off, and there is a negative
  219. overpressure phase, with a reversed blast wind. This reversal is due to
  220. air rushing back to fill the void left by the explosion.
  221.  
  222. The air gradually returns to room pressure. At this stage, fires caused by
  223. electrical destruction and ignited debris, turn the place into a firestorm.
  224. Just like Dresden in WWII. It is estimated over fifty thousand died in the
  225. first few days of the Hiroshima bombing.
  226.  
  227. Then come the middle term effects such as keloid formation and retinal
  228. blastoma.
  229.  
  230. Genetic or hereditary damage can show up up to forty years after initial
  231. irradiation.
  232.  
  233. The following diagram is of blast zone radii, courtesy of Outlaw Labs. 
  234. Note that damage from blast pressure falls off as a function of 1/r^3.
  235.  
  236. ============================================================================
  237.  
  238.                 - Breakdown of the Atomic Bomb's Blast Zones -
  239.                 ----------------------------------------------
  240.  
  241.  
  242.                                        .
  243.                          .                           .
  244.  
  245.  
  246.               .                        .                        .
  247.                              .                   .
  248.                [5]                    [4]                    [5]
  249.                                        .
  250.                       .        .               .        .
  251.  
  252.        .                  .                         .                  .
  253.  
  254.                  .          [3]        _        [3]          .
  255.                       .           .   [2]   .           .
  256.                                 .     _._     .
  257.                                .    .~   ~.    .
  258.     .          . [4] .         .[2].  [1]  .[2].         . [4] .          .
  259.                                .    .     .    .
  260.                                 .    ~-.-~    .
  261.                       .           .   [2]   .           .
  262.                  .          [3]        -        [3]          .
  263.  
  264.        .                  .                         .                  .
  265.  
  266.                       .        ~               ~        .
  267.                                        ~
  268.                [5]           .        [4]        .           [5]
  269.                                        .
  270.               .                                                 .
  271.  
  272.  
  273.                          .                           .
  274.                                        .
  275.  
  276.  
  277.  ============================================================================
  278.  
  279.                               - Diagram Outline -
  280.                              ---------------------
  281.  
  282.  
  283.      [1]  Vaporization Point
  284.           ------------------
  285.           Everything is vaporized by the atomic blast.  98% fatalities.
  286.           Overpress=25 psi.  Wind velocity=320 mph.
  287.  
  288.      [2]  Total Destruction
  289.           -----------------
  290.           All structures above ground are destroyed.  90% fatalities.
  291.           Overpress=17 psi.  Wind velocity=290 mph.
  292.  
  293.      [3]  Severe Blast Damage
  294.           -------------------
  295.           Factories and other large-scale building collapse.  Severe damage
  296.           to highway bridges.  Rivers sometimes flow countercurrent.
  297.           65% fatalities, 30% injured.
  298.           Overpress=9 psi.  Wind velocity=260 mph.
  299.  
  300.      [4]  Severe Heat Damage
  301.           ------------------
  302.           Everything flammable burns.  People in the area suffocate due to
  303.           the fact that most available oxygen is consumed by the fires.
  304.           50% fatalities, 45% injured.
  305.           Overpress=6 psi.  Wind velocity=140 mph.
  306.  
  307.      [5]  Severe Fire & Wind Damage
  308.           -------------------------
  309.           Residency structures are severely damaged.  People are blown
  310.           around.  2nd and 3rd-degree burns suffered by most survivors.
  311.           15% dead.  50% injured.
  312.           Overpress=3 psi.  Wind velocity=98 mph.
  313.  
  314.  
  315.  
  316. ----------------------------------------------------------------------------
  317.  
  318.                             - Blast Zone Radii -
  319.                            ----------------------
  320.                           [3 different bomb types]
  321. ____________________________________________________________________________
  322.   ______________________   ______________________   ______________________
  323.  |                      | |                      | |                      |
  324.  |    -[10 KILOTONS]-   | |     -[1 MEGATON]-    | |    -[20 MEGATONS]-   |
  325.  |----------------------| |----------------------| |----------------------|
  326.  | Airburst - 1,980 ft  | | Airburst - 8,000 ft  | | Airburst - 17,500 ft |
  327.  |______________________| |______________________| |______________________|
  328.  |                      | |                      | |                      |
  329.  |  [1]  0.5 miles      | |  [1]  2.5 miles      | |  [1]  8.75 miles     |
  330.  |  [2]  1 mile         | |  [2]  3.75 miles     | |  [2]  14 miles       |
  331.  |  [3]  1.75 miles     | |  [3]  6.5 miles      | |  [3]  27 miles       |
  332.  |  [4]  2.5 miles      | |  [4]  7.75 miles     | |  [4]  31 miles       |
  333.  |  [5]  3 miles        | |  [5]  10 miles       | |  [5]  35 miles       |
  334.  |                      | |                      | |                      |
  335.  |______________________| |______________________| |______________________|
  336. ____________________________________________________________________________
  337.  
  338. ============================================================================
  339.  
  340.             Atmospheric Effects of Blasts
  341.  
  342. The Mushroom Cloud
  343.  
  344. The heat from fusion and fission instantaneously raises the surrounding air
  345. to 10 million degrees C. This superheated air plasma gives off so much light
  346. that it looks brighter than the sun, and is visible hundreds of kms away.
  347. The resultant fireball quickly expands. It is made up of hot air, and hence
  348. rises, at a rate of a few hundred metres per second. After a minute or so,
  349. the fireball has risen to a few kilometres, and has cooled off to the extent
  350. that it no longer radiates.
  351.  
  352. The surrounding cooler air exerts some drag on this rising air, which slows
  353. down the outer edges of the cloud. The unimpeded inner portion rises a bit
  354. more quicker than the outer edges. A vacuum effect occurs when the outer
  355. portion occupies the vacuum left by the higher inner portion. The result is
  356. a smoke ring. 
  357.  
  358. The inner material gradually expands out into a mushroom cloud, due to
  359. convection. If the explosion is on the ground, dirt and radioactive debris
  360. get sucked up the stem, which sits below the fireball.  
  361.  
  362. Collisions and ionisation of the cloud particles result in lightning bolts
  363. flickering to the ground. 
  364.  
  365. Initially, the cloud is orange-red due to nitrous oxide formation (cf car
  366. smog). This reaction happens whenever air is heated.
  367.  
  368. When the cloud cools to air temperature, the water vapour starts to
  369. condense. The cloud turns from red to white.
  370.  
  371. In the final stages, the cloud can get about 100km across and 40km high,
  372. for a megaton class explosion.
  373.  
  374. ============================================================================
  375.  
  376.             Electromagnetic Pulse (EMP)
  377.  
  378. A nuclear explosion gives off radiation at all wavelengths of light. Some
  379. is in the radio/radar portion of the spectrum - the EMP effect. The EMP
  380. effect increases the higher you go into the atmosphere. High altitude
  381. explosions can knock out electronics by inducing a current surge in 
  382. closed circuit metallic objects - computers, power lines, phone lines,
  383. TVs, radios, etc. The damage range can be over 1000km.
  384.  
  385. ============================================================================
  386.  
  387. Here are some good references on radiation damage. See also the main 
  388. References file.
  389.  
  390. AUTHOR:     Sumner, David, D. Phil
  391. TITLE:      Radiation risks : an evaluation / David Sumner, Tom Wheldon, Walter 
  392.             Watson. -- 3rd ed.
  393. ISBN/ISSN:  187078104X
  394. IMPRINT:    Glasgow [Scotland], Tarragon Press, 1991
  395. PHYS DESC:  236 p., ill., map, 21 cm.
  396. ADD AUTH1:  Wheldon, Tom
  397. ADD AUTH2:  Watson, Walter
  398. NOTE 1:     Includes index Bibliography: p. 227-229
  399. SUBJECT 1:  Radiation--Physiological effect
  400. SUBJECT 2:  Cells--Effect of radiation on
  401. [Good introductory work.]
  402.  
  403. CALL NO:    Me f 616.989707 LOW
  404. TITLE:      Low-level radiation effects: a fact book: prepared by Subcommittee 
  405.             on Risks of Low-Level Ionizing Radiation: A. Bertrand Brill ... [et
  406.             al.]
  407. ISBN/ISSN:  0932004148
  408. IMPRINT:    New York, NY: Society of Nuclear Medicine: c1982-
  409. PHYS DESC:  1 v. (loose-leaf): ill: 30 cm.
  410. ADD AUTH1:  Brill, A. Bertrand
  411. ADD AUTH2:  Society of Nuclear Medicine. Subcommittee on Risks of Low-Level 
  412.             Ionizing Radiation
  413. NOTE 1:     To be kept up to date by inserts
  414. SUBJECT 1:  Ionizing radiation--Physiological effect
  415. SUBJECT 2:  Ionizing radiation--Toxicology
  416. SUBJECT 3:  Radiation injuries
  417. SUBJECT 4:  Low-level radiation--Physiological effect
  418.  
  419. CALL NO:    Me 574.1915 BIOL
  420. TITLE:      Biological effects of low-level radiation : proceedings of an 
  421.             international symposium on the effects of low-level radiation with 
  422.             special regard to stochastic and non-stochastic effects / jointly 
  423.             organized by the International Atomic Energy Agency and the World 
  424.             Health Organisation, and held in Venice, Italy, 11-15 April 1983
  425. ISBN/ISSN:  9200101836
  426. IMPRINT:    Vienna, International Atomic Energy Agency, 1983
  427. PHYS DESC:  682 p., ill, 24 cm.  (Proceedings series) 
  428. ADD AUTH1:  International Atomic Energy Agency
  429. ADD AUTH2:  World Health Organization
  430. SERIES 1:   Proceedings series (International Atomic Energy Agency)
  431. NOTE 1:     English and French
  432. SUBJECT 1:  Radiation--Toxicology--Congresses
  433. SUBJECT 2:  Radiation--Physiological effect--Congresses
  434.  
  435. CALL NO:    DS 574.1915 KIEF
  436. AUTHOR:     Kiefer, J (Jurgen) , 1936-  [Biologische Strahlenwirkung. English] 
  437. TITLE:      Biological radiation effects / Jurgen Kiefer
  438. ISBN/ISSN:  3540510893
  439. IMPRINT:    Berlin, New York, Springer-Verlag, c1990
  440. PHYS DESC:  xvii, 444 p., ill, 24 cm.
  441. NOTE 1:     Rev. translation of: Biologishce Strahlenwirkung Includes 
  442.             bibliographical references (p. [415]-435) and indexes
  443. SUBJECT 1:  Radiobiology
  444. SUBJECT 2:  Radiation--Physiological effect
  445. SUBJECT 4:  Radiation protection
  446.  
  447. To learn more about air explosions, see the Reference by Kinney and Graham,
  448. "Explosive Shocks in Air".
  449.  
  450. The Red Phoenix, 1994.
  451.