SocioBrains ISSN 2367-5721 (online), JOURNAL HOMEPAGE: WWW.SOCIOBRAINS.COM Publisher: SMART IDEAS – WISE DECISIONS, Ltd., Sofia, Bulgaria

ISSUE 78, FEBRUARY 2021

RADON ACTIVITY CONCENTRATIONS IN SELECTED CAVES IN THE WESTERN RHODOPES WITH DIFFERENT VENTILATION REGIME

Abstract: The studies of the activity of radon in the karst caves and the seasonal variations of its concentration are applicable in studies of the speleoclimate, the circulation of the air masses and the determination of the cave ventilation regime. Radon monitoring is also important for the radiation safety of staff serving show caves. Another topical aspect is the relationship between radon and seismic activity. The study is aimed at the Western Rhodopes region (8,732 km2 area), which are part of the Rila-Rhodope Mountains in Bulgaria. Karstic marble participates in their geological structure. More than 600 karst caves have been explored. Monitoring of radon activity is organized in 14 of them, incl. 5 show caves. Passive measurements have been carried out since 2012, using solid state track detectors (placed in plastic chambers) sensitive to alpha particles. The measuring points correspond to the morphological and speleoclimatic character of the caves. The irradiation time of the detectors is on average approx. 4/four months.

Long-term measurement of the concentration of radon activity revealed for most of the caves a periodically recurring trend of a maximum in summer and early autumn. In 7 of the caves, incl. 3 of the show caves, the average concentration is over 1000 Bq/m-3. Maximum concentrations above 4000 Bq/m-3 were measured in two of the caves. A direct connection has been established between the seasonal fluctuations in the radon concentrations and the ventilation regime, which depends on the speleoclimatic and morphological features of each cave. The calculated seasonal maximum and average values of the radon concentration were used to estimate the effective doses for the cave guides in two of the tourist caves: Snezhanka and Uhlovitsa. The calculation took into account both the total time and the seasonal distribution of the time of the guides' stay in the caves.

Author information:

Karel Turek Keywords: Department of Radiation Dosimetry, Nuclear Physics Karst caves, Western Rhodopes, Rn-222 Institute of the Czech Academy of Sciences monitoring, Track etch detectors, Radon [email protected] activity concentration, Radiation risk,  Czech Republic Effective doses, Speleoclimate, Natural

Petar Stefanov ventilation regime, Seasonal variability. Experimental Laboratory of Karstology in the National Institute of Geophysics, Geodesy and Geography of the Bulgarian Academy of Sciences [email protected]  Bulgaria

Stoyan Kyurkchiev PhD student in the National Institute of Geophysics, Geodesy and Geography of the Bulgarian Academy of Sciences [email protected]  Bulgaria

Увод адонът (222Rn) е радиоактивен инертен (благороден) газ, по-тежък от въздуха. Той е продукт от разпадането на атомните ядра на изотопа на радия 226Ra, който е Р дъщерен продукт на урана (238U) и присъства в почти всички скали, изграждащи земната кора. Естествено срещани в природата са само три от изотопите на радона, като най-

RADON ACTIVITY CONCENTRATIONS IN SELECTED CAVES KAREL TUREK, PETAR STEFANOV, IN THE WESTERN RHODOPES WITH DIFFERENT VENTILATION STOYAN KYURKCHIEV 52-84 REGIME 52

разпространен е радон-222 (222Rn). Газообразната природа на радона му позволява да дифузира, поради което се отличава с висока подвижност и миграционна способност и формира около 70% от естествения радиационен фон в природата. Радонът причинява и 49% от естественото

радиационно облъчване на населението на Земята [1, 2]. Радонът е алфа-източник (E = 5,6

MeV) и има период на полуразпад (T1/2) 3,8 дни, при който се образуват краткоживеещи 218 214 дъщерни продукти. Между тях са и Po (E = 6 MeV) и Po(E = 7.7 MeV), които са с период на полуразпад под 30 минути. Те са опасни радиоактивни източници, разпространяващи се полепнали по аерозолни частици или самостоятелно като необвързана фракция [3]. При продължителното им вдишване се натрупват в дихателната система на човека и увеличават вероятността от поява на рак на белите дробове [4]. Като потенциално опасен за човешкото здраве, радонът е включен в Наредбата за радиационна защита [5]. Типичната средна концентрация на радон в приземния атмосферен въздух на открито е 10 Bq/m3. Като член на уран-радиевото семейство, той е разпространен навсякъде по Земята, но в най-високи концентрации, опасни и за здравето на човека, се натрупва в подземните пространства, каквито най-често са рудниците и карстовите кухини (естествени природни резервоари). Проникването на радона в тях става най-често от почвената покривка и се обуславя от два процеса – еманация и ексхалация. Отделянето (еманацията) на радон от съдържащия се радий-226 в почвата варира от 1% до 80% в зависимост от нейните характеристики. Част от радона, отделен в почвата, дифундира през въздушните пори, достига до нейната повърхност и постъпва в приземния атмосферен въздух (ексхалация). Друга значителна част обаче прониква в дълбочина, особено активно в карстови терени, в които са формирани гъсти мрежи от разядени от корозията пукнатини. Трябва да се има предвид, че

радонът, както и въглеродният диоксид (СО2) са газове, по-тежки от въздуха. Това предполага, че в подземните карстови резервоари, особено ако те са лошо вентилирани, може да се натрупат значителни количества радон. Миграцията на радона в дълбочина зависи от структурата и влажността на почвата, напукаността на скалите, хидроклиматичните условия и др. [6, 7]. Допълнителен дълбочинен източник на радон могат да бъдат и активните разломни зони. Поради това, мониторингът на радона в пещери, развити в такива зони, може да бъде използван и като индикатор за тектоно-сеизмични движения [8, 9]. Концентрацията на радон в карстовите пещери зависи от тяхната морфология, разположението и надморската височина на входа/входовете, спелеоклиматичните зони и режима на вентилация, който определя сезонната динамика на обемната активност на радона. През последните десетилетия в света се провеждат голям брой изследвания върху концентрацията на радон в пещерите, насочени към две важни области: а) изследвания на радона във връзка със спелеоклимата и проследяване на въздушната циркулация в пещерните системи (напр. [10, 11]); б) радиационна защита на лицата, работещи или престояващи дълго в пещери (напр., [12, 13, 14, 15]). Нова актуална изследователска област са колебанията в концентрацията на радона в пещери при тектоно-сеизмична активност, каквито случаи вече са установени и в България [8, 9]. Тези три научно-приложни направления в изследванията на радона в пещерите са акценти и в настоящата публикация. На територията на България не е провеждан систематичен мониторинг на радона в пещерите, въпреки че техният брой вече надхвърля 6000. Има само едно изследване на естествената радиоактивност в 9 пещери, което включва и радона. То е проведено през далечната 1975 г. от екип на Института по радиобиология и радиационна хигиена, София [16]. От Западните Родопи обект на изследването е само пещерата Снежанка. Концентрацията на радон-222 е измервана по йонизационния метод с еманометър СГ-11, а нивото на скритата енергия от разпадните му продукти е определяна посредством аерозолен радиометър РВ-4.

RADON ACTIVITY CONCENTRATIONS IN SELECTED CAVES KAREL TUREK, PETAR STEFANOV, IN THE WESTERN RHODOPES WITH DIFFERENT VENTILATION STOYAN KYURKCHIEV 52-84 REGIME 53

Според авторите на проучването, „Получените резултати в 97% от изследваните пунктове са по-високи от приетата норма за полиметалните рудници – 1.10-10 к/л. В някои случаи измерените стойности многократно надвишават ПДК за урановите рудници – 0,3.10-10 к/л” 1 (с. 493). Въпреки обнародваните констатации, през следващите години не са предприети нови изследвания, дори в туристическите пещери, които са рискови за здравето на обслужващия ги персонал [17, 18, 19]. През 2007 г. екип от карстолози на Географския институт на БАН (дн. Деп. География на НИГГГ-БАН) в рамките на двустранното академично сътрудничество между БАН и Чешката академия на науките (AS CR) инициира радиологично изследване на пещери в моделни карстови райони в България. То е част от научна програма за изследване на съвременния карстогенезис на основата на системния анализ [61, 62, 63], която включва и експериментално разработване на интегриран мониторинг на карстови геосистеми, в т.ч. спелеорадиологичен мониторинг (фиг. 1). [19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26]. Той е разработeн, тестван и приложен в партньорство с Department of Radiation Dosimetry, Nuclear Physics Institute - AS CR (DRD NphI – AS CR) [21, 22, 23, 26]. Спелеомониторингът на радона (222Rn) се провежда от 2011 г, като от 2012 г. включва и пещери в Западните Родопи. Създадена е и специализирана научна мрежа BGSpeleo-RadNet (http://www.prokarstterra.bas.bg/lab/sci-networks.html)[66], която се поддържа съвместно от Експерименталната лаборатория по карстология (ЕЛК) в НИГГГ-БАН [64] и от DRD NphI – AS CR. През 2020 г. мрежата включва 46 пещери (в т.ч. 13 туристически) с общо 77 пункта за мониторинг на радона [17, 19, 65]. Провеждането и разширяването на проучванията на радона, вкл. в нови пещери в Западните Родопи, се реализира чрез проектите ProKARSTerra (2009-2013) и ProKARSTerra-GlobalChange (2018-2021) на ФНИ [64].

Фиг. 1. Елементи на спелеорадиологичния мониторинг. Горе вдясно: двата варианта на ползваните дифузни камери (А) за мониторинг на радона: с централен отвор (Б) и с 4 странични отвора (В).

1 1.10-10 к/л = 3,7 kBq/m3 RADON ACTIVITY CONCENTRATIONS IN SELECTED CAVES KAREL TUREK, PETAR STEFANOV, IN THE WESTERN RHODOPES WITH DIFFERENT VENTILATION STOYAN KYURKCHIEV 52-84 REGIME 54

Цел на настоящето изследване е анализ на резултатите от мониторинга на радона (222Rn) в 14 карстови пещери, в т.ч. 5 туристически, формирани в мраморите на Западните Родопи. Избраните пещери са представителни за карстовите райони в планината и имат уникална морфология, спелеоклимат и вентилационен режим. Чрез прилагания модел на интегриран мониторинг на карста се създава възможност да се проследят взаимодействията между активността на радона и системата от процеси на спелеогенезиса в Западните Родопи – типичен планински масив със сложен геоложки строеж и продължителна еволюция. Изследването има и научно-приложно значение – да оцени рисковете от радиационно облъчване от радон в пещерите, които са обект на масови туристически посещения и да предложи научно обоснована мерки за превенция.

Обекти на изследването Карстовите пещери, обекти на настоящето изследване, се намират в Западните Родопи (8 732 км2 площ на българска територия), които са част от Рило-Родопския масив [27, 28]. Релефът е типично планински (средна н.в. 1098 м) и представлява сложна система от планински дялове и ридове, разделени от дълбоко вкопани речни долини. Въпреки голямата си разчлененост (вертикалната е със стойности 500-700 м/км2), Западните Родопи се отличават с подчертано морфографско единство, създавано от широко развитите билни заравнености. На тях се дължи и големият дял на хипсометричните пояси над 1000 м (61% от общата площ на планината) с преобладаване на среднопланинският пояс 1000-1600 м (51,9%). Общо 81,6% от територията на планината е с надморска височина над 600 м [28]. Западните Родопи имат сводово-блоково-разседен строеж с прояви на активни неотектонски движения. Формирана е и цяла система от наложени младопалеогенски и неоген- кватернерни котловинни депресии. Планината е изградена от разнообразни скали с преобладаване на кристалинните - интрузивни (предимно гранити) и метаморфни (гнайси, шисти, амфиболити и мрамори). Мраморите са подложени на карстови процеси и в тях активно се развива карстов релеф, вкл. пещерни системи. В стратиграфско отношение мраморите участват в Родопската надгрупа, официално въведена като лито- и хроностратиграфска единица от Д. Кожухаров (1984) [29]. Тя е изградена от регионално метаморфозирани скали – разнообразни гнайси, гнайсошисити, шисти, мрамори, амфиболити и др. Протолитите са с докамбрийска възраст [30]. и през последвалите геоложки етапи са били подлагани на контактен метаморфизъм (във връзка с внедряването на гранитоидите), диафтореза (натрошаване, катаклазиране и милонитизиране при разломните и навлачните зони) и хидротермален метаморфизъм (свързан с рудоносни разломи). Особен интерес представлява хидротермалният карст при Ерма река, западно от Златоград. При геоложките сондажни проучвания на рудоносната зона е установена уникална хидротермална кухина, през която сондажът е преминал свободно 1 353 м в дълбочина! [31]. Мраморите, с които е свързан карстът в Западните Родопи, са включени в състава на долната Рупчоска (долен протерозой) и горната Асеновградска (горен протерозой-рифей) литостратиграфски групи. Между тях е Ситовската гнайсо-шистова група. В Рупчоската група са отделени три свити: Чепеларска пъстра свита (дебелина от 200 до 800 м), Богутевска плагиогнайсова свита (от 250-300 до 600-800 м) и Въчанска пъстра свита (до 550-900 м). В Чепеларската и Въчанската свита участват пластове и прослойки от различни по състав мрамори, които имат по-широко представяне в югозападния дял Дъбраш (380 мраморни разкрития) [30, 32, 33, 34] и в югоизточните дялове и ридове на Западните Родопи [35]. С най- голямо площно разпространение са мраморите на Добростанската мраморна свита от Асеновградската литостратиграфска група. Те са локализирани в централната и северната част на Западните Родопи и изграждат най-големите карстови райони – Добростанският и

RADON ACTIVITY CONCENTRATIONS IN SELECTED CAVES KAREL TUREK, PETAR STEFANOV, IN THE WESTERN RHODOPES WITH DIFFERENT VENTILATION STOYAN KYURKCHIEV 52-84 REGIME 55

Триградският [36, 37, 38]. Мраморите са с дебелина до 1 626 м [37] и имат масивна, по-рядко брекчозна текстура, като на места, предимно в долните нива са прослоени с шисти, амфиболити и калкошисти. В контактните зони с гранитоидите мраморите в различна степен са прекристализирали в по-едри разновидности или са скарнирани (скарнови минерализации от жилен или площен тип), на места с образуване и на магнетит. На много места скалите на свитата са покрити трансгресивно и дискордантно от палеогенски седименти. Карстогенезисът в мраморите се развива под влиянието на система от фактори и условия, предопределени от географските особености на Западните Родопи. Планината е изцяло в Егейската отточна област и близостта на Егейско море я поставя под средиземноморско климатично влияние. Западните Родопи заемат преходно положение между Континентално- европейската област на умерената климатична зона (нейната най-южна част) и Континентално- средиземноморската област на субтропичната климатична зона (най-северната част) [28]. Вследствие на глобалните климатични промени през последните десетилетия, в по-новата климатична регионализация (за периода 1950–2012 г.) Западните Родопи вече са в зоната на субтропичен/средиземноморски преходен континентално-океански климат, планински вариант [39]. От приложените климатограми за два от карстовите райони в Западните Родопи (фиг. 2) се вижда, че те имат сходни стойности на климатичните елементи. В Триградския район максималната температура на въздуха е през юли (16,6°C), а минималната е през януари (- 3,2°C). Максимумът на валежите е през май, а вторичният - през декември, докато минимумът е през септември, а вторичният - през януари. В Дъбраш температурният максимум също е през юли (16,5°С), минимумът през януари (-3,6°С), а сезонният ход на валежите е същият като в Триградския район. В Добростанския карстов район за периода 1979–2018 г. средногодишната температура е 8,9ºC, а средногодишният валеж 982 mm. За същия период в Пещерския карстов район тези стойности са съответно 10,2ºC и 867 mm [40]. Изчислените трендове (на десетилетие) в температурата на въздуха в Триградския район и в Дъбраш за периода 1979-2018 г. доказват статистически значимо повишение на средногодишните температури на въздуха с 0,3 до 0,5°С/десетилетие [54]. Това се дължи преди всичко на повишаването на летните и пролетните температури. Наблюдава се и значимо повишение на температурите през месец ноември. Голямата надморска височина на Западните Родопи обуславя и височинна зоналност на климата. Разнообразните хидроклиматични условия и сложният релеф са причина в планината да се формира изключително голямо почвено и биоразнообразие. Като резултат в мраморите се развива активен карстогенезис, като карстовият релеф и пещерите отразяват и спецификата на районите, в които се развиват.

А. Б.

Фиг. 2. Вътрешногодишен ход на температурата на въздуха, валежите, изпарението и разликата валежи-изпарение в района на Триград (А) и на Дъбраш (Б) за периода 1979-2018 г. (по Nojarov, 2020) [54]

RADON ACTIVITY CONCENTRATIONS IN SELECTED CAVES KAREL TUREK, PETAR STEFANOV, IN THE WESTERN RHODOPES WITH DIFFERENT VENTILATION STOYAN KYURKCHIEV 52-84 REGIME 56

Общата площ на карста в българската част на Западните Родопи е ок. 1650 км2 (18,9 %). Според районирането на Вл. Попов [41, 42] в планината са обособени 7 пещерни района, в които са проучени и картирани повече от 640 пещери (табл. 1). Най-голям е Добростанският район, в който са формирани около половината от пещерите в Западните Родопи. В морфогенетично отношение карстът в Западните Родопи е от алогенен (преобладаващ) и автогенен тип (по Л. Якуч, 1982) [45]. Предвид сложния геоложки строеж, в планината е развит също хидротермален [31] и хипогенен карст, но техните изследвания все още не са достатъчни.

Таблица 1. Проучени карстови пещери в българската част на Западните Родопи*

Пещерен район Общ брой Най- Най- Брой пещери с: (по В. Попов, 1976) дълга дълбока Дължина (м) Дълбочина (м) № Име (м) (м) над 100 над 1000 над 50 над 100

404 Дъбрашки 76 2 175 -115 1 1 1 1 405 Велинградски 16 1920 -30 6 2 0 0 406 Пещерски 22 1 114 -50 5 1 0 0 407 Добростански 267 897 -164 46 0 8 3 408 Триградски 175 10 500 -255 34 4 8 4 409 Чепеларски 30 634 -107 2 0 3 1 410 Смолянски 55 2 145 -145 12 1 4 1 Общо за Западни Родопи 641 10 500 -255 106 9 24 10

* При съставянето на таблицата е използвана достъпната информация на БФСп. [68, 69], както и оригинални данни от спелеопроучвания на авторите в Западните Родопи [40, 43, 44].

Пещерите, които са обекти на настоящето изследване, са разположени в 6 от 7-те пещерни района на Западните Родопи (фиг. 3). Обобщена информация за тези пещери е представена в таблица 2. Пещерните входовете са във височинния интервал 547-1337 м н.в. 8 пещери са в среднопланинския пояс (1000-1600 м н.в.), като входът на Топчика е най-високо разположен (1337 м н.в.). 4 от пещерите са с обща дължина на проучените галерии над 1000 м, а 2 са с денивелация над 100 м. Тези обобщени данни, както и поместените описания в таблица 2 потвърждават, че избраните пещери са представителни за разнообразието от подземни карстови форми в Западните Родопи. Освен това изследваните пещери са и с различен статут: 5 са туристически, а 8 са защитени територии или са в границите на защитени територии.

RADON ACTIVITY CONCENTRATIONS IN SELECTED CAVES KAREL TUREK, PETAR STEFANOV, IN THE WESTERN RHODOPES WITH DIFFERENT VENTILATION STOYAN KYURKCHIEV 52-84 REGIME 57

Фиг. 3. Местоположение на изследваните карстови пещери в Западните Родопи

Фактори, влияещи върху концентрацията на радона в пещерите От досегашни изследвания на радона в пещерите [6, 46], вкл. и проведени от авторите [7, 17, 18, 19, 22, 25, 26, 40, 47] е установено, че неговата концентрация зависи преди всичко от вентилационния режим в пещерните системи. Основен генератор, определящ посоката и интензивността на вентилация е разликата в плътността на въздушните маси в пещерата и извън нея, предизвикана от разликата в техните температури [7, 19, 25]. Физическите процеси, чрез които се осъществява вентилацията, са конвекция и адвекция. Тяхната активност зависи от градиента външна-вътрешна (пещерна) температура. Интензивни вентилационни процеси в пещерните системи възникват през студеното полугодие, когато пещерната температура е по- висока от тази отвън. В хоризонталните и особено в низходящите и пропастните пещерни системи се осъществява стичане на студен външен въздух, който изтласква през пещерните входове и отворените пукнатини по-топлия и по-малко плътен пещерен въздух. През топлото полугодие вентилационните процеси в пещерните системи са с ниска интензивност. По- плътният и тежък пещерен въздух се задържа в пещерите. Но при възходящите пещерни системи се проявява „изтичане” на студен пещерен въздух през пещерните входове. В изворните водни пещери то се „подпомага” и от движението на водата в пещерната река. По- сложна е вентилацията в пещери с няколко входа, която зависи от разположението и надморската височина на входовете и от пещерната морфология. Естествената пещерна вентилация подлежи на промени вследствие катастрофални природни процеси (отваряне на нови входове след срутване на пещерния свод; затваряне на пещерни входове след склоново свличане или срутване или при рязко покачване нивото на подземните води, напр. Голубоица-1), или в резултат на човешка дейност (пробиване на нови или разширяване на съществуващите пещерни входове; затваряне с врати или зазиждане на пещерни входове; промени в пещерната морфология при строителни дейности и др.) Примери

RADON ACTIVITY CONCENTRATIONS IN SELECTED CAVES KAREL TUREK, PETAR STEFANOV, IN THE WESTERN RHODOPES WITH DIFFERENT VENTILATION STOYAN KYURKCHIEV 52-84 REGIME 58

за човешко въздействие върху естествената вентилация са родопските туристически пещери Дяволското гърло (прокопан входен тунел за туристи), Ягодинската пещера (прокопани входен и изходен тунели) и Снежанка (отворен нов и затворен стар естествен вход). Вентилацията и спелеоклимата са взаимосвързани. В пещерите са обособени спелеоклиматични зони с типични термични режими. Това най-често са Привходна зона (с най- активни колебания в стойностите на спелеоклиматичните показатели и в състава на въздуха), Преходна зона и Вътрешна зона (статична - с относително постоянен спелеоклимат и най- високи температури) (табл. 3). Разпределението и ролята на тези зони във вентилационния режим зависи от морфологията на пещерите. Пример са годишните амплитуди на температурите във вътрешните зони на изследваните родопски пещери. В Лепеница за целия период на мониторинга разликата в температурите е едва 0,2-0,3оС. С най-големи амплитуди са пропастните пещери Топчика – долна галерия (2,1оС) и Иванова вода (4,2оС) [40]. Най-голяма температурна амплитуда е отчетена в Дяволското гърло. В тази пещера няма обособена Вътрешна микроклиматична зона, а в Преходната зона температурите варират през годината от 1,2 до 13,2оС [19]. Това се дължи на пропастно-понорния тип на пещерата и целогодишно нахлуващата в нея река чрез каскада водопади, както и на изкуствено прокопания входен туристически тунел. Вентилационните процеси в пещерните системи в Западните Родопи са с два ясно проявени периода – активен на непрекъсна „зимна” вентилация (през студеното полугодие от средата на ноември до края на март), и статичен на летен „покой” през топлото полугодие (юли - септември). Между тези два вентилационни периода има преходни етапи на „включване” и „изключване” на природния „вентилатор”, когато температурата на външния въздух варира около температурата на пещерния въздух. Преходният етап е по-дълъг през пролетта (от края на март до средата на юни), и е много по-кратък през есента (с продължителност около месец в периода октомври - ноември). През преходните етапи се проявяват активни вентилационни фази с продължителност до 1-2 седмици (според атмосферната циркулация). Сезонната промяна в посоката и интензивността на вентилационните процеси в карстовите пещери е водещ фактор, определящ газовия състав на спелеоатмосферата през годината. Пещерните системи поради уникалността на тяхната морфология и микроклимат трудно се вместват в модели на вентилация, но най-общо са динамични и статични [19]. На базата на спелеоклимата на изследваните пещери, към групата на статичните могат да се отнесат Лепеница, Снежанка, Новата, Юбилейна, Челевешка дупка, Гаргина дупка, Ухловица, Голубоица-1, Манаиловска дупка (горната галерия). Динамичният модел на вентилация е типичен за Дяволското гърло, Иванова вода, Топчика (долната галерия), Ягодинската пещера (туристическото трасе). Доколко тези модели на вентилация се отразяват върху концентрацията на радона и нейните сезонни колебания може да се прецени по резултатите от мониторинга на радона в изследваните пещери.

Експериментална работа Концентрацията на активността на радона (Bq/m3) в родопските пещери се определя по метода на кумулативните (пасивни) измервания с алфа-трекови детектори (детектори на следи). За целта се използват чувствителни на α-частици CR-39 пластмасови дискове (производство на Page Mouldings Ltd и Track Analysis Systems Ltd, Великобритания) с диаметър 16 mm и дебелина 0,5-0,7 mm. Те се прилепват вътре в пластмасови камери (фиг. 1), изработени по оригинална конструкция [18, 21, 22, 23, 26]. За камери се използват малки цилиндрични пластмасови флакони (~ 20 ml) с прозорец/и, херметично затворени с тънко (6 µm) полиетиленово фолио. То позволява проникването на радон в измервателното пространство чрез дифузия, но е непропускливо за дъщерните продукти на радона (прикрепени върху

RADON ACTIVITY CONCENTRATIONS IN SELECTED CAVES KAREL TUREK, PETAR STEFANOV, IN THE WESTERN RHODOPES WITH DIFFERENT VENTILATION STOYAN KYURKCHIEV 52-84 REGIME 59

прахови и аерозолни частици в пещерния въздух). Камерите с детекторите се калибрират в National Institute for Nuclear, Chemical and Biological Protection (Kamenná near Příbram, Чешка република) при различни стойности на времевия интеграл на активността на радона (в рамките на 8-35 kBq.m-3.hour). За използвания при мониторинга в Западните Родопи модел камери (фиг. 1), реакцията R е 2,29 ±0,28 tracks.cm-2 за 1 kBq.m-3.hour [18]. Експонираните детектори се обработват в DRD NPhI – AS CR в Прага [18]. Алфа- частиците формират върху повърхностния слой на детектора латентни (пробивни) следи/трекове (α-track), които след специална процедура на химична (пре-ецване) и електрохимична обработка (ецване) стават видими с оптичен микроскоп или компютърен скенер [18, 26, 48]. Ецваните детектори се сканират на скенер Epson Perfection 4990 Photo с висока разделителна способност (4800 dpi) и плътността ρ на трековете се определя със специализиран софтуер (ImageJ, URL 2) (http://rsbweb.nih.gov/ij/download.html). В случаите на плътност >5000 cm-2 ефективността на преброяването на трековете намалява поради припокриването на част от тях. Поради това експериментално е изведена корегираща формула: (1)

където ρSW е плътността на трековете, определена с Image J. След това се изчислява средната стойност на концентрацията на активност на радона -3 AV,exp (kBq.m ) през периода на експозиция texp (дни), която се изчислява по формулата:

(2). Пасивните детектори са много удобни за мониторинг в пещерни условия, защото са с доказана дългосрочна устойчивост на високата относителна влажност на пещерния въздух (варираща между 95 и 100 %), имат опростен дизайн и ниска цена. Тези предимства позволяват да се извършват едновременни измервания с оптимална честота в различни пунктове на голям брой пещери. По отношение на климатичните ефекти и сезонните колебания с годишна периодичност, общият период на мониторинг на радона трябва да обхваща поне 1 година. В 14- те родопски пещери, обекти на настоящето изследване, периодите на наблюдение са с продължителност от 1 до 8 години. Измерванията на радона се провеждат в общо 21 пункта, като за целия период на мониторинг (април 2012 - септември 2020 г.) са експонирани и обработени над 250 детектора. Интервалът на експозиция на детекторите е съобразен със сезонността на спелеоклимата и вентилационния режим на съответната пещера, както и с възможностите за периодичната им подмяна и е средно около 4 месеца. Изследванията върху активността на радона са част от интегрирания мониторинг на карстовите геосистеми, прилаган експериментално в моделни карстови райони [19, 20, 22, 23, 24, 25, 42, 67]. Това позволява при анализа на резултатите за концентрацията на радона да бъдат ползвани и оригинални данни от мониторинга на други елементи на пещерните системи, които пряко или косвено въздействат върху газовия състав и вентилационните процеси, а чрез тях – и върху активността на радона. Паралелно с подмяната на детекторите за радона се извършва и експедиционно измерване на основните спелеоклиматични елементи (температура и влажност на въздуха) в пунктовете за мониторинг на радона и в мрежа от представителни спелеоклиматични точки по надлъжния профил на пещерите и отвън пред техните входове. Измерванията се осъществяват с експедиционен аспирационен психрометър на Асман, точност 0,1-0,2оС [19, 25, 40, 47]. Общо в 14-те родопски пещери са осъществени над 110 серии от спелеоклиматични измервания в 173 точки (табл. 3). Допълнително са измервани и температури на пещерни води и седименти, като за целта са използвани калибрирани живачни термометри. На базата на регулярния спелеоклиматичен мониторинг са определени основните спелеоклиматични зони в изследваните пещери (табл. 3). В Манаиловската дупка, Снежанка и Новата пещера са отделени RADON ACTIVITY CONCENTRATIONS IN SELECTED CAVES KAREL TUREK, PETAR STEFANOV, IN THE WESTERN RHODOPES WITH DIFFERENT VENTILATION STOYAN KYURKCHIEV 52-84 REGIME 60

и подзони на Вътрешната спелеоклиматична зона. Мониторингът на радона е съсредоточен основно във вътрешните спелеоклиматични зони, но в някои от пещерите се извършва и в допълнителни пунктове в Преходната зона (Лепеница, Манаиловска дупка, Ухловица, Снежанка, Голубоица). За изясняване на газовия състав и сезонните колебания в циркулацията на пещерния въздух, в част от пещерите се провеждат и регулярни (Ягодинска, Ухловица, Лепеница, Снежанка) или епизодични (Дяволското гърло, Голубоица-1, Надарската, Челевешка дупка,

Юбилейна, Новата) експедиционни измервания на концентрациите на СО2. Използван е преносим Hand-Held carbon dioxide meter GM70 на фирмата VAISALA, оборудван с комплект сонди GMP222 с обхват 0...2000 ррm, 0...5000 ррm и 1...10000 ррm и GMP221 с обхват 0…2%, които отчитат с точност ±1.5% [19, 25] В Ягодинската пещера, която е типичен пример за алогенен тип карст, е проведен и експериментален мониторинг на гама-лъчението (гама-фона). Използвани са пасивни термолуминисцентни детектори (TLD-дозиметри), оригинална българска модификация, която е разработена в ИЯИЯЕ-БАН в сътрудничество с NPhI – AS CR, Прага и е тествана в Central Safety Department of the Karlsruhe Nuclear Research Center [49]. TLD-дозиметрите са подготвени, обработени и анализирани в Лаборатории ПРОТЕКТА ООД, София [19, 22].

Резултати от мониторинга на радона Продължителният мониторинг на радона в пещери в Западните Родопи разкри определени закономерности, които са тясно свързани със спелеоморфологията, спелеоклимата и вентилационните процеси в пещерните системи. Резултатите за концентрацията на радона са обобщени в таблица 4. За 5 от пещерите са приложени и графични модели на годишния ход и на сезонните концентрации на радона чрез два показателя: МАХ и АVЕ. Сезонните МАХ стойности са определени като максимум на концентрациите, измерени за съответната дата през целия период на мониторинг. Сезонните АVЕ стойности са определени като средни от измерените концентрации за съответната дата. Най-високите измерени стойности (над 2 000 Bq.m3) са в 6 от пещерите (Лепеница, Снежанка – Вълшебната зала, Иванова вода, Топчика, Ухловица и Челевешка дупка с абсолютен регионален максимум от 4 496 Bq.m3). В други 4 пещери (Иванова вода, Дяволското гърло, Надарската пещера и Голубоица) най-високите измерени стойности са под 1 000 Bq.m3. Най-ниските измерени стойности (от 66 до 331 Bq.m3) са в 6 пещери (Новата, Иванова вода, Дяволското гърло, Надарската пещера, Ухловица, Гаргина дупка) и в Привходната спелеоклиматична зона на Манаиловска дупка. Само в 2 пещери най-ниските измерени стойности са над 1000 Bq/m3: Челевешка дупка (1 997 Bq.m3) и Манаиловска дупка – Базов лагер (1 059 Bq.m3). Амплитудите между най-високите и най-ниските измерени стойности на концетрацията на радон са най-малки (под 600 Bq.m3) в 4 от пещерите: Иванова вода, Надарската пещера, Голобоица-1 и Дяволското гърло. В тази група е и Преходната спелеоклиматична зона на Манаиловска дупка. Преобладаващата амплитуда е между 1000 и 1500 Bq.m3, но в две от пещерите тя е много висока: 2499 Bq.m3 в Челевешка дупка и 3701 Bq.m3 в Лепеница (в Коридор 600 м). Пещерите с най-високи сезонни концентрации на радон (МАХ и АVЕ) са Челевешка дупка (3 487 / 2 873 Bq.m3), Лепеница (2 630 / 1 502 Bq.m3), Гаргина дупка (1 523 / 1 221 Bq.m3), Юбилейна (1 635 / 1 068 Bq.m3), Топчика (1 419 / 1 049 Bq.m3) и Снежанка – Вълшебната зала (1 531 / 1 010 Bq.m3). Най-ниските стойности на МАХ и АVЕ са определени за Новата пещера (982/722 Bq.m3), Надарската пещера (411/324 Bq/m3), Голубоица-1 (574/469 Bq.m3), Иванова вода (514/329 Bq.m3) и Дяволското гърло (183 Bq.m3).

RADON ACTIVITY CONCENTRATIONS IN SELECTED CAVES KAREL TUREK, PETAR STEFANOV, IN THE WESTERN RHODOPES WITH DIFFERENT VENTILATION STOYAN KYURKCHIEV 52-84 REGIME 61

 Вариации (пространствени и времеви) в концентрацията на радона в изследваните пещери Във всички изследвани пещери се наблюдават сезонни вариации в концентрацията на радона. Тя е с най-ниски стойности през студеното полугодие, най-вече през декември-март. Максимумът на концентрацията е лятно-есенен (юли/август-октомври). Тази тенденция е трайна и особено ясно се вижда на графичните модели на годишния ход на радона в пещерите с най-дълъг период на мониторинг - Снежанка и Ухловица (фиг. 4 и 7). Трябва да се отбележи, че докато периодът с минимални концентрации на радон в родопските пещери съответства на този с най-ниски зимни температури на външния въздух, то при формирането на най-високите концентрации има отместване (забавяне) приблизително с 1-1,5 месеца спрямо летния климатичен максимум. Сезонните вариации в концентрацията на радона следят хода на температурата на външния въздух в съответния регион на Родопите. Тези колебания съответстват на поведението на газове, по-тежки от въздуха, които се натрупват в подземните резервоари през топлото полугодие и се изтласкват през зимата в резултат на проникването на външен по-студен и плътен въздух с ниска концентрация на радон. Това води до намаляване на концентрацията на радона в пещерите. Проникването на въздушния поток се влияе от много фактори и условия, сред които броят и конфигурацията на входа/входовете спрямо пещерата, нейните размери, обеми и дълбочина, оформлението на вътрешното пещерно пространство, спелеоклиматичните параметри и зони и още много други. Тези сложни зависимости на концентрацията на радона от пещерната морфология, спелеоклимата и вентилационния режим на пещерните системи са илюстрирани на примера на 5 от изследваните пещери, представителни за различните пещерни райони в Западните Родопи. Пещерата Снежанка (табл. 3) е субхоризонтална низходяща, суха, с два съседни входа, от които единият е затворен (фиг. 4). Тя е благоустроена и целогодишно се посещава от туристи. Общата площ на пещерата е 3 150 м2, а дебелината на скалния пласт над нея варира от 6 до 30 м [50]. Мониторинг на радона се осъществява в 2 пункта, представителни за Преходната и Вътрешната спелеоклиматични зони. Годишният ход и сезонните колебания (лятно-есенен максимум и зимен минимум) в концентрацията на радона са типични за този тип пещерна морфология. По-високите концентрации са във Вътрешната спелеоклиматична зона, в която вентилационните процеси са по-слабо проявени. Периодичният експедиционен мониторинг на

СО2 в пещерата потвърждава вентилационния режим: през топлото полугодие концентрацията

на СО2 варира около 7-9000 ppm, а в края на лятото и в началото на есента във Вътрешната зона

надвишава 10-12 000 ppm. През зимата и в началото на есента концентрацията на СО2 в пещерата е под 600-700 ppm.

А. Г.

RADON ACTIVITY CONCENTRATIONS IN SELECTED CAVES KAREL TUREK, PETAR STEFANOV, IN THE WESTERN RHODOPES WITH DIFFERENT VENTILATION STOYAN KYURKCHIEV 52-84 REGIME 62

Б. В.

Фиг. 4. Концентрация на радона в пещерата Снежанка: А. Годишен ход за периода 2012-2020 г.; Сезонни концентрации (MAХ и AVE) в Голямата зала (Б) и във Вълшебната зала (В); Г. Спелеоклиматични зони в пещерата и пунктове за мониторинг на радона.

С подобен режим и стойности на концентрацията на радон са и субхоризонталните пещери Лепеница и Юбилейна (табл. 3 и 4), които са многоетажни и в тях протичат пещерни реки. В тази група попада и Новата пещера, но тя е суха и има 2 входа. Те обаче са много малки по размер (фиг. 5) и не оказват съществено влияние върху вентилационния режим на пещерата. Това се потвърждава и от сравнително високата пещерна температура във Вътрешната спелеоклиматична зона – средно 11,4оС (табл. 3). От особен интерес за влиянието на пещерната морфология върху вентилационния режим, а чрез него и върху концентрацията на радона, е пещерата Челевешка дупка (фиг. 5 и табл. 2) [47]. Нейният вход има денудационно-гравитационен произход и е с малки размери. Под него се намира субхоризонтална 3-етажна пещерна система, разделена от напречни скални стеснения и срутвания на отделни относително самостоятелни части. Независимо, че през входа през зимата прониква студен въздух, въздухообменът е ограничен и засяга основно Преходната спелеоклиматична зона. Поради това Вътрешната зона, където се извършва измерването на радона, остава слабо засегната от вентилационните процеси и там се поддържат целогодишно високи концентрации на радон. Не случайно в тази пещера са измерени и най- високите стойности от всички изследвани пещери в Западните Родопи.

А. B.

RADON ACTIVITY CONCENTRATIONS IN SELECTED CAVES KAREL TUREK, PETAR STEFANOV, IN THE WESTERN RHODOPES WITH DIFFERENT VENTILATION STOYAN KYURKCHIEV 52-84 REGIME 63

Б. Г. Д.

Фиг. 5. Концентрация на радона в Новата пещера: А. Годишен ход за периода 2016-2020 г.; Б. Сезонни концентрации. Спелеоклиматични зони с пункта за мониторинг (В.) и входовете на пещерата (Г. и Д.)

Пещерата Ухловица е представителна за среднопланинския пояс. Тя се състои от 2 субхоризоннтални сухи галерии, свързани с пропасти в Предверието, дълбоки ок. 20 м. Ухловица е благоустроена туристическа пещера и работи целогодишно (табл. 2). Мониторинг на радона се осъществява в два пункта на долния етаж – в Преходната и във Вътрешната спелеоклиматични зони, които са със сравнително високи температури на въздуха – съответно 10 и 10,2оС (табл. 3). Годишният ход на концентрацията на радона (фиг. 7) потвърждава класическия модел за сезонните колебания – зимен минимум и лятно-есенен максимум. Въпреки това по-голямата надморска височина и морфологията на пещерата поддържат по- активни вентилационни процеси и МАХ и АVЕ са със сравнително по-ниски стойности от тези в описаните по-горе пещери. Това се потвърждава и от стойностите на експедиционно

измерваната концентрация на СО2 – максималните летни стойности в долната галерия са между 1 000 и 1 900 ppm, а през зимата ок. 500-600 ppm. Друг пример на пещерна система от субхоризонтални галерии, свързани с пропаст (45 м), е пещерата Топчика (фиг. 8 и табл. 2). Тя, както и Ухловица, е развита в среднопланинския височинен пояс, но свързващата пропаст е в Преходната спелеоклиматична зона. Това, както и редица други морфоложки особености на Горната галерия [40], до голяма степен намаляват интензитета на вентилационните процеси в Долната галерия, където е пунктът за мониторинг на радона. Поради това Топчика е с по-високи концентрации на радона от Ухловица (табл. 4), но със същия сезонен режим и близки по стойност показатели на спелеоклимата (табл. 3).

А. Б.

RADON ACTIVITY CONCENTRATIONS IN SELECTED CAVES KAREL TUREK, PETAR STEFANOV, IN THE WESTERN RHODOPES WITH DIFFERENT VENTILATION STOYAN KYURKCHIEV 52-84 REGIME 64

В. Г.

Фиг. 6. Концентрация на радона в пещерата Челевешка дупка: А. Годишен ход за периода 2014-2020 г.; Б. Сезонни концентрации; Входът на пещерата (В.) и спелеоклиматичните зони и пунктове за мониторинг (Г.)

А. Б.

В. Г.

Фиг. 7. Концентрация на радона в пещерата Ухловица: А. Вход на пещерата; Б. Годишен ход за периода 2012-2020 г.; Сезонни концентрации под Залата на пропастите – долна галерия (Б.) и при Синтровата каскада (В.)

RADON ACTIVITY CONCENTRATIONS IN SELECTED CAVES KAREL TUREK, PETAR STEFANOV, IN THE WESTERN RHODOPES WITH DIFFERENT VENTILATION STOYAN KYURKCHIEV 52-84 REGIME 65

А. Б.

В. Г.

Фиг. 8. Концентрация на радона в пропастната пещера Топчика: А. Годишен ход за периода 2016-2020 г.; Б. Сезонни концентрации. Пещерен вход (Г.) и спелеоклиматични зони по надлъжния пещерен профил с пунктовете за мониторинг (В.)

Между изследваните пещери е и пропастната пещера Иванова вода (табл. 2), която е най- високо разположената от изследваните пещери – 1337 м н.в. Нейният вход е с размери 6x4 m и е понор на дъното на карстова увала [40]. След 45-метровия входен отвес следва низходяща галерия с езера, а в дъното на пещерната система протича река. През зимата в увалата се образува термична инверсия, а входът на пещерата се обледенява. Специфичната карстова морфология на системата увала-пещера е причина Иванова вода да акумулира студен въздух – тя е една от най-студените пещери в Западните Родопи: Вътрешната спелеоклиматична зона е с температура едва 4,9оС (табл. 3). Продължителният и активен приток на студен въздух през голяма част от годината (предвид и надморската височина на входа) са причина пещерата да е с едни от най-ниските стойности на концентрация на радон. Въпреки че сезонният режим и тук е запазен, разликата между най-високата и най-ниската измерени концентрации е едва 551 Bq.m3 (табл. 4). Ниски стойности на концентрациите на радон са установени и при Надарската пещера, но тук причината е друга – голям вход и предверие и малка дължина на пещерата – само 55 м (табл. 2). Това са причини за активен въздухообмен с външната атмосфера и най-ниски стойности на МАХ (411) и АVЕ (324 Bq.m3) в сравнение с останалите изследвани пещери. Друг особен случай е пещерата Голубоица-1 (табл. 2). Достъпната пещерна част е ограничена между 2 сифона, като входният се отваря в началото на лятото при понижаване нивото на пещерната река. Проведените измервания на радона при двата сифона установиха ниски стойности (МАХ 508 Bq.m3 и 574 Bq.m3 и АVЕ 433 Bq.m3 и 469 Bq.m3). Голубоица-1 обаче е само част от една

RADON ACTIVITY CONCENTRATIONS IN SELECTED CAVES KAREL TUREK, PETAR STEFANOV, IN THE WESTERN RHODOPES WITH DIFFERENT VENTILATION STOYAN KYURKCHIEV 52-84 REGIME 66

много по-голяма и сложна пещерна система с проучени 2 145 м галерии, която представлява интерес за бъдещи по-детайлни изследвания на газовия състав на пещерния въздух. Други 2 от изследваните пещери са пример за въздействието на човека върху спелеовентилационните процеси, а чрез тях – и върху газовия състав на въздуха и концентрацията на радона. Това са Ягодинската пещера и Дяволското гърло – туристически пещери, при благоустрояването на които са прокопани изкуствени входни и изходни тунели (табл. 2). Чрез тях се създава целогодишна въздушна проточност, която поддържа сравнително ниски стойности на газовите концентрации в пещерния въздух (табл. 4), особено в Дяволското гърло (МАХ под 200 Bq/m3). За това допринася и морфологията на пещерата – пропастна, с понираща повърхността река, създала каскада от водопади. Ягодинската пещера е многоетажна субхоризонтална, но изкуствените входен и изходен тунели вече трайно са понижили температурата на пещерния въздух с ок. 1,0 – 1,5оС [19]. Антропогенно подсилената вентилация се доказва и от периодичните експедиционни измервания на концентрацията на

СО2 - в зависимост от сезона тя варира между 450 и 800 ppm. Тези данни обаче, както и сравнението с другите изследвани пещери разкриват една допълнителна особеност – концентрацията на радон в Ягодинската пещера все пак е относително висока, въпреки допълнителната вентилация. Едно от обясненията са гранитните алувиални седименти (естествени терагенни радионуклиди), внесени в пещерата от пониращите води на Буйновска река. Хипотезата се подкрепя от резултатите от паралелно проведения в Ягодинската пещера мониторинг на гама фона, който доказа ок. 2 пъти по-високи стойности (0,13 µSv/h), отколкото в останалите пещери в България [19].

 Ефективни дози на облъчване в туристическите пещери От изследваните 14 карстови пещери в Западните Родопи, 5 са със статут на туристически2 [19]. От тях 4 работят целогодишно, а Лепеница приемат посетители само през топлото полугодие (от април до ноември). Концентрацията на радон в тези пещери е с ясно изразен лятно-есенен максимум, който съвпада с максимума на туристическите посещения и с периода на най-продължителен престой на екскурзоводите в пещерите. Освен това, в част от туристическите пещери максималната концентрация на радона е над 1 000 Bq.m3 (условна граница за потенциална опасност от радиационно облъчване): Лепеница (до 4 280 Bq.m3), Снежанка (до 2 456 Bq.m3), Ухловица (до 2 112 Bq.m3), Ягодинска пещера (до 1 961 Bq.m3) (табл. 4). Предвид краткия престой на туристите в тези пещери (между 30 и 60 минути), те не са изложени на опасно за здравето им радиационно облъчване от радон. Но тези концентрации са рискови за постоянно работещия в туристическите пещери персонал, защото са многократно по-високи от референтното ниво 300 Bq.m3 за обособени работни места в закрити помещения [5]. Това налага да се приложи чл. 95, ал. 1. от Наредбата: „оценка на индивидуалната ефективна доза на работниците в тези работни места”. Резултатите от провеждания мониторинг на радона дават възможност да бъдат изчислени индивидуалните дози на облъчване на пещерните екскурзоводи. Поради липсата на разработени методики за радиационен контрол в българските пещери, е приложен опита от чешките туристически пещери. Съгласно Препоръката на Чешката държавна служба за ядрена безопасност [51, 52] и ICRP Publication 115 [53], индивидуалната референтна доза е 6 mSv за 1 година (2000 работни

часа). Реалната годишна ефективна доза Ea [mSv] за пещерните екскурзоводи може да бъде изчислена по формулата [18]:

2 Със статут на туристически са и още две пещери в Западните Родопи, които не са включени в това изследване: Шаренка край Мадан (бивш рудник, от 2008 г. пещера-музей, временно затворена за посещения) и Добростански бисер край с. Добростан (отворена от 2018 г. – с посещения само в петък, събота и неделя) [19]. RADON ACTIVITY CONCENTRATIONS IN SELECTED CAVES KAREL TUREK, PETAR STEFANOV, IN THE WESTERN RHODOPES WITH DIFFERENT VENTILATION STOYAN KYURKCHIEV 52-84 REGIME 67

3 където Av(t) е сезонната концентрация на радон за периода t в Bq.m ; 6 mSv е референтната доза; j е индивидуалният „пещерен фактор“, като се взема предвид делът на свободната фракция от краткоживеещи дъщерни продукти от разпада на радона, фиксирани върху аерозолни частици (<5 nm). За точното определяне на j са необходими специализирани измервания във всяка пещера (вкл. и на необвързаната фракция fp [3, 18, 19, 25] , които за България са предстоящи, поради това на базата на чешкия опит засега се приема средна стойност за j ~ 1.5, а при консервативен подход j = 2 [15, 17, 18, 19, 51] Но реалният престой на екскурзоводите в пещерите не съвпада с нормираното работно време (2000 часа годишно). Освен това, през годината и в различните части на туристическите пещери концентрацията на радон е различна (фиг. 3 и 7) и варира с до над 2 000 Bq.m3 (табл. 4). Това налага при изчисленията на персоналните ефективни дози на пещерните екскурзоводи да се отчита дневната концентрация на радон в отделните пещерни части по туристическото трасе и времето на престой на екскурзоводите в тях [17, 19]. В таблица 5. са представени изчислените реални ефективни дози на екскурзоводите в Ухловица и Снежанка, за които ни беше предоставена необходимата информация за продължителността и годишното разпределение на престоя на екскурзоводите. Дозите са под референтната стойност от 6 mSv и за разлика от други туристически пещери в България [17, 18, 19] не застрашават здравето на екскурзоводите при така практикувания режим на работа. Потенциално опасна от радиационно облъчване от радон е пещерата Лепеница, но предвид по- слабия туристопоток и по-ограничения престой на екскурзоводите в пещерата, се предполага, че те все още не са застрашени от облъчване. Въпреки това е необходимо да бъде предоставена съответната информация за изчисляване и на техните индивидуални ефективни дози.

Таблица 5. Изчислена* реална годишна ефективна доза на екскурзоводите в туристическите пещери Ухловица и Снежанка (по Стефанов и др, 2020) [19]

Индивидуална ефективна доза (mSv) Туристическа Пункт на мониторинг Консервативен подход: Оптимален подход: пещера пещерен фактор j = 2 пещерен фактор j = 1,5

Синтрова каскада 2,5 1,3 Долен етаж под Ухловица Залата на пропастите 0,7 0,4 По маршрута 0,4 0,2 Сумарно в пещерата 3,6 1,9

Голямата зала 0,83 0,46 Снежанка Вълшебната зала 0,83 0,42 Сумарно в пещерата 1,7 0,9

*Според предоставената информация за годишното разпределение и продължителността на престоя на екскурзоводите в различните части на пещерата.

Изводи # Пещерите в Западните Родопи имат по-ниски стойности на концентрацията на радон в сравнение с пещерите в останалите карстови райони в България, включени в мониторинговата RADON ACTIVITY CONCENTRATIONS IN SELECTED CAVES KAREL TUREK, PETAR STEFANOV, IN THE WESTERN RHODOPES WITH DIFFERENT VENTILATION STOYAN KYURKCHIEV 52-84 REGIME 68

мрежа BGSpeleo-RadNet. Това се дължи на географското положение, надморската височина и планинския тип релеф на Западните Родопи, както и на регионалните особености на съвременния карстогенезис. Те се отразяват пряко или косвено върху морфологията на пещерите, техния спелеоклимат и вентилационния им режим, който е водещ фактор за концентрацията на радона и за нейните сезонни вариации. На базата на резултатите от мониторинга може да се обобщи, че от изследваните пещери тези във Велинградския, Пещерския и Добростанския район поддържат най-високи концентрации на радон. Най-ниски са стойностите в Смолянския район. Малкият брой на изследваните пещери и тяхната уникална морфология и вентилация са основателни причини да не се търси пряка корелация между надморската височина и концентрацията на радон. Въпреки това е видно, че в по-ниско разположените пещерни райони се генерират по-високи концентрации.

# Системата „пещерна атмосфера–карстов масив–външен приземен слой въздух” по своята същност е физическа система, която зависи от баланса на енергия, маса и импулс [19, 25]. Нееднородното разпределение на потока топлина и влага между повърхностната и подземната подсистеми на карстовата геосистема поддържа в пещерните системи циркулация на въздушни и водни маси. Те имат водеща роля за формиране на топлинния режим на пещерната система, който се стреми към равновесие с топлинния режим на скалния масив. Във всички изследвани пещери сезонните вариации в концентрацията на радона следят хода на температурата на външния въздух. Концентрацията е с най-ниски стойности през студеното полугодие (декември-март) вследствие активната зимна вентилация на пещерните системи. Максимумът на концентрацията на радона е в края на лятото и началото на есента (август- октомври). Това сезонно закъснение с ок. 1-1,5 месеца се наблюдава и при температурите на пещерния въздух и се дължи на топлинната инерция на карстовия масив и на необходимото време за навлизане в дълбочина на пещерната система на въздушните и водни потоци [7, 19]. Вентилационния режим «се включва» в активен режим едва след трайно понижаване на външните температури спрямо тези в пещерата.

# На този етап мониторингът на радона в големите родопски пещери е съсредоточен само в отделни техни части. Напр., в Ягодинската пещера с обща дължина на проучените галерии 10 500 м, мониторинг се осъществява само в туристическата част (1 250 м). Предвид големите размери на тези пещерни системи трябва да се очаква, че в тях може да има различия в локалните концентрации на радона, дължащи се на неизвестни все още входове, карстови кухини и подземни езера и реки, които «скрито» влияят на вентилационните процеси.

# Преобладаващият алогенен тип карст и натрупването в част от пещерите на алувиални наноси от съседни силикатни терени, съдържащи много повече терагенни радионуклиди в сравнение с мраморите, предполага увеличено радиационно облъчване. То се потвърди и от измерванията на гама-фона в Ягодинската пещера. Активната вентилация в пещерата обаче не дава възможност за формиране на високи концентрации на радиоактивни газове. Опробвани бяха и седименти от Челевешка дупка за определяне обемната активност на урана. Лабораторните анализи не показаха повишени стойности. Въпреки това обемната активност на урана в пещерните седименти е по-висока от тази, определена в скалите и почвата в района на пещерата.

# Паралелните измервания на концентрациите на радон и СО2 установиха, че и двата газа в пещерния въздух реагират по един и същи начин на вентилационните процеси в пещерите и имат сходен режим в сезонните колебания. Това е установено и при дългогодишния

RADON ACTIVITY CONCENTRATIONS IN SELECTED CAVES KAREL TUREK, PETAR STEFANOV, IN THE WESTERN RHODOPES WITH DIFFERENT VENTILATION STOYAN KYURKCHIEV 52-84 REGIME 69

инструментален мониторинг в пещерата Съева дупка [19, 25]. В много от провежданите изследвания в пещери по света радонът се използва като индикатор за проследяване на вентилационните процеси. Нашият опит доказа, че за тази цел много по-ефективни са

измерванията на концентрацията на СО2 [25]. Те са много по-лесно изпълними (експедиционно и стационално) както в избрани пунктове, така и по целия профил на пещерите, а използваната апаратура е по-устойчива на пещерните условия, особено на високата влажност на въздуха.

При мониторинг на радона измерванията на концентрацията на СО2 във всички случаи дават допълнителна ценна информация относно динамиката на вентилационните процеси в пещерите.

# Западните Родопи също са засегнати от глобалните климатични промени, което се доказва и от тренда на основните климатични показатели [54]. Особено отчетлива е трайната тенденция на повишаване на температурата на въздуха, която ще се отрази и върху концентрацията на радона в пещерите. Това въздействие ще бъде преди всичко през топлото полугодие, когато по-високите температури на външния въздух ще ослабят термодинамичния обмен на въздух между пещерата и атмосферата. Повишаването на температурите увеличава и еманацията на радон в контактната зона скала-почва поради активизиране на корозионните

процеси в мраморите вследствие на повишената продуктивност на СО2 и вкисляване на почвените разтвори. През студеното полугодие обаче ще се запазят ниските стойности на концентрацията на радон в пещерните системи, защото ще продължи активно нахлуване на външен въздух вследствие голямата разлика, която ще се запази между температурите на пещерния и външния атмосферен въздух. Допълнителен аргумент е и фактът, че скалният масив много по-трудно и бавно реагира на външни температурни промени, което е установено и от спелеоклиматичните изследвания в пещери с дългогодишен период на температурни измервания [19, 25]. Прогнозираното лятно увеличаване на концентрацията на радон в пещерните системи вече е потвърдено със статистически модели, разработени на базата на дългогодишния мониторинг в пещерата Съева дупка [7].

# Радонът е потенциално опасен за човешкото здраве и е включен в Наредбата за радиационна защита [5]. В туристическите пещери в Западните Родопи са установени по- високи концентрации от референтното ниво 300 Bq.m3, но риск от радиационно облъчване има само за целогодишно работещите в пещерите екскурзоводи [17, 18, 19]. Те са изложени и на

въздействието на високи концентрации на СО2 в пещерния въздух (максимално допустимото ниво в работно помещение при 8-часов работен ден е 5000 ppm). Трябва да се има предвид, че периодът с най-високи газови концентрации в пещерите съвпада с най-натоварения туристически сезон с удължено работно време на туристическите пещери [19]. Резултатите от мониторинга в настоящето изследване и очакваното повишаване на летните концентрации на радона вследствие глобалните промени [7] подкрепят публикуваното вече научно-обосновано становище на авторите, че в българската нормативна уредба е наложително да се въведе работно място „Туристическа пещера”, съобразено с всички фактори на специфичната пещерна среда, които се отразяват върху здравето на работещите в пещерите [17, 19, 25, 55, 56].

# С оглед биоклиматичния комфорт и безопасността на посетителите и екскурзоводите, в туристическите пещери в Западните Родопи е препоръчително организирането на постоянен интегриран, за предпочитане инструментален (автоматизиран) мониторинг на елементите на пещерната среда, в т.ч. и на газовете в пещерния въздух. Мониторингът ще осигурява данни и за обратното въздействие – на посетителите върху пещерната среда в туристическите пещери. Модели за интегриран спелеомониторинг вече са разработени за туристическите пещери

RADON ACTIVITY CONCENTRATIONS IN SELECTED CAVES KAREL TUREK, PETAR STEFANOV, IN THE WESTERN RHODOPES WITH DIFFERENT VENTILATION STOYAN KYURKCHIEV 52-84 REGIME 70

Бисерна и Съева дупка [57, 25]. Авторите са публикували и конкретни препоръки за превенция относно рисковете в туристическите пещери [17, 19, 25].

# Западните Родопи освен със сложен геоложки строеж, се отличават и с активна неотектоника. Много от пещерните системи са развити по разломни структури, в които се проявяват и съвременни сеизмотектонски движения. Това се доказва и от първите резултати от инструменталния екстензометричен мониторинг (на микропремествания по разломи в пещери), който се провежда от пролетта на 2018 г. в Ухловица и Лепеница съвместно с Института по структура и механика на скалите при Чешката АН (IRSM – AS CR) [19, 24]. За целта се използват 3-D дилатометри TM71, които предоставят информация не само за локалните активни движения, но и за регионалния геодинамичен режим [58, 59]. Микропреместванията, които се регистрират при мониторинга, са от два типа: бавни дългосрочни, които се наблюдават при достатъчно дълги интервали от време (маркират трайни тектонски тенденции) и краткосрочни импулсни, със значителни премествания, които се регистрират най-често преди или по време на земетресения. Опитът от пещерата Бачо Киро доказва, че съвместният инстументален мониторинг на приразломните микропремествания и на радона могат да докажат връзката между резките колебания в концентрацията на радона и сеизмотектонската активност [8, 9]. Независимо от все още краткия период на мониторинг, в родопската пещера Лепеница е констатирана връзка между регистрираните от ТМ71 микропремествания и земетресенията през 2018 г. в сеизмичната зона на р. Места [60]. Пещерата е развита в една от най-активните разломни структури в Западните Родопи и е много перспективна за непрекъснат инструментален мониторинг на радона. Такъв мониторинг е уместно да се организира и в пещерата Ухловица, още повече, че тя е благоустроена и електрифицирана.

Заключение Концентрацията на радон в пещерите в Западните Родопи се определя от два основни механизма. Първият е чрез проникване на радон от почвата и от скалите над и в пещерите. Този механизъм има водеща роля през топлото полугодие, когато термодинамичният обмен на въздух между пещерните системи и външната атмосфера е много слаб. Като резултат концентрацията на радон в пещерите е висока (натрупване на по-тежък газ в пещерни резервоари). Вторият механизъм е чрез термодинамичен въздушен обмен между вътрешността на пещерите и външната атмосфера. Този механизъм има водеща роля през студеното полугодие, когато по-студеният и плътен въздух отвън непрекъснато прониква в пещерите и поддържа концентрацията на радон на ниски нива. Външните условия на околната среда и състоянието на атмосферата са от съществено значение и за двата механизма. Дългосрочното измерване на концентрацията на радона в родопските пещери разкри периодично повтарящ се всяка година тренд на значителен максимум през лятото и началото на есента. Тогава се формира своеобразно «плато» на високи стойности. То се предшества от постепенно стъпаловидно нарастване на концентрацията на радона през пролетта и началото на лятото, когато вентилационните процеси в пещерите постепенно затихват. Още при първите есенни захлаждания, които „включват” вентилацията, „платото” бързо се разпада и концентрациите на радона рязко намаляват. Този доминиращ модел в изследваните родопски пещери най-добре се илюстрира от графиките на сезонните концентрации в пещерата Ухловица (фиг. 7), която е с най-дълъг период на мониторинга (от 2012 г.) и с най-честа подмяна на детекторите за измерване на радона (средно на 2 месеца). Констатираното забавяне с ок. 1-1,5 месеца в сезонните колебания на концентрацията на радона касае и останалите спелеоклиматични показатели и е свързано с топлинната инерция на карстовия масив и с необходимото време за навлизане в дълбочина на пещерната система на

RADON ACTIVITY CONCENTRATIONS IN SELECTED CAVES KAREL TUREK, PETAR STEFANOV, IN THE WESTERN RHODOPES WITH DIFFERENT VENTILATION STOYAN KYURKCHIEV 52-84 REGIME 71

въздушните потоци. Поради това динамиката на вентилационните процеси е в пряка зависимост и от спелеоклиматичните зони, които са обособени в зависимост от морфологията на пещерата. Ясно изразената сезонна динамика на вентилационния режим и на параметрите на спелеоклимата и на газовия състав на въздуха оказва пряко и косвено въздействие върху съвременния спелеогенезис. Ето защо е изключително важно в моделни за различните типове карст пещери да се организира и поддържа интегриран мониторинг. Модели за такъв мониторинг (Спелео-МИКС) вече са разработени експериментално от ЕЛК и са в експлоатация в няколко български пещери, вкл. частично и в пещери в Западните Родопи. Елемент на интегрирания мониторинг е и спелеорадиологичния мониторинг, включващ активността на радона (фиг. 1). Той има за цел осигуряване на обективна информация, която да обслужва три научно-приложни области:  роля на естествените радиационни процеси в съвременния карстогенезис;  връзка между активността на радона и тектоно-сеизмичната активност;  радиационна защита на работещите в карстови пещери.

Чрез прилагания модел на интегриран мониторинг се създава възможност да се проследят взаимодействията между активността на радона и системата от процеси на спелеогенезиса в Западните Родопи – типичен планински масив със сложен геоложки строеж и продължителна еволюция. Изчислените сезонни максимални и средни стойности на концентрацията на радона са използвани и за определяне на ефективните дози на пещерните екскурзоводи в родопските туристически пещери. Като част от предлаганите научно обосновани мерки за превенция на рисковете в туристическите пещери е и организиране на непрекъснат инструментален мониторинг на радона. Той е наложителен и за пещерите, развити в активни разломни зони, за които се очаква връзка между колебанията в концентрацията на радона и тектоно-сеизмичната активност. Пример за такава пещера е Лепеница. Не буди съмнение, че активността на радона в карстови обекти изисква координирани интердисциплинарни изследвания. В случая прилагането на модела за интегриран мониторинг Спелео-МИКС е доказано ефективен и предизвиква интереса и обединява усилията на учени с различна професионална ориентация в решаване на нови научни предизвикателства, между които е и активността на радона в карстова среда. Освен това Спелео-МИКС е базиран на методологическата платформа ProKARSTerra, която е основа за интеграция между научните изследвания, управлението, бизнеса и образованието. А интеграцията във всички нейни аспекти е изключително важна при организирането на мрежи за мониторинг в големи и сложни пещерни системи, изискващо сериозни ресурси – човешки и финансови. За тази цел е необходимо разработването и приемането на програми за координирани дългосрочни изследвания, подкрепени от съответните държавни институции, предвид и важното научно- приложно значение на очакваните резултати.

Благодарности Мониторингът на радона в родопските пещери и съпътстващите спелеоклиматични измервания са организирани по два международни изследователски проекта, финансирани от Фонд „Научни изследвания”: „Разработване на експериментален модел на комплексен мониторинг за устойчиво развитие и управление на защитени карстови територии” (ProKARSTerra)(№ ДО 02.260/18.12.2008 г.) и „Съвременни въздействия на глобалните промени върху еволюцията на карста (на базата на интегрирания мониторинг в моделни карстови геосистеми в България)“ (ProKARSTerra-GlobalChange) (№ ДН 4/10 от 20.12.2017 г.). Изследванията на радона са подпомогнати и чрез два проекта по двустранното академично

RADON ACTIVITY CONCENTRATIONS IN SELECTED CAVES KAREL TUREK, PETAR STEFANOV, IN THE WESTERN RHODOPES WITH DIFFERENT VENTILATION STOYAN KYURKCHIEV 52-84 REGIME 72

сътрудничество между Българската академия на науките и Чешката академия на науките: „Приложение на радионуклидни методи в експериментален модел на интегриран мониторинг на карстови геосистеми“ (2011-2013 г.) и „Приложение на радиовъглеродно датиране в изследванията на карстови геосистеми“ (2014-2016), изпълнявани от Експерименталната лаборатория по карстология в НИГГГ-БАН и Департамента по радиационна дозиметрия на Института по ядрена физика на Чешката академия на науките. Поради техническите трудности и потенциалните опасности при проникването в част от пещерите в Добростанския район, мониторинга в тях се провежда с участието на спелеолози от СпелеоКлуб „Пълдин“, Пловдив. Съдействие при провежданите изследвания ни оказват и екскурзоводите на туристическите пещери. Периодичната подмяна на детекторите за радона в пещерите Лепеница, Уловица, Надарската, Ягодинската, Манаиловска дупка се подпомага от Свилен Топчиев (гр. Ракитово), Юлия, Веселин и Данаил Хаджиеви (с. Могилица), Ивайло Сакалев (с. Ягодина), Димитър Петров (ПК „Искър”). На всички тях изказваме нашата искрена благодарност.

References: 1. UNSCEAR: Sources and Effects of Ionizing Radiation. 2000 Report to the General Assembly. UN Publications, New York. 2. Cigna, А.А. 2005. Radon in Caves. International Journal of Speleology, 34 (1-2), 1-18. Available at: http://dx.doi.org/10.5038/1827-806X.34.1.1 3. Sainz, C., Quindós, L.S., Fuente, I., Nicolás, J., Quindós, L., 2007. Analysis of the main factors affecting the evaluation of the radon dose in workplaces: The case of tourist caves. Journal of Hazardous Materials 145 (3), 368–371. Available at: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2006.11.033 4. Ševc, J., Kunz, E. and Plaček, V. 1976. Lung-cancer in uranium miners and long-term exposure to radon daughter products. Health Phys., 30, 433-437. 5. Naredba za radiatsionna zashtita (prieta s Postanovlenie Nr. 20 ot 14.02.2018) (in Bulgarian) Available at: https://zbut.eu/bulgarianlaw/naredba-za-radiatsionna-zashtita / 6. Kowalczk, A.J., Froelich, P.N. 2010. Cave air ventilation and CO2 outgassing by radon-222 modeling: How fast do caves breathe? Earth and Planetary Science Letters, 289(1–2), 209–219. Available at: https://doi.org/10.1016/j.epsl.2009.11.010 7. Nojarov, Р., P. Stefanov, K. Turek. 2020. Influence of some climatic elements on radon concentration in Saeva Dupka cave, Bulgaria. International Journal of Speleology, 49 (3), 235- 248. Available at: https://scholarcommons.usf.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=2349&context=ijs 8. Stefanov, P., K. Turek, I. Svetlik, M. Briestensky. 2017. Radon and fault displacements in Bacho Kiro cave (Bulgaria) related to closely situated earthquakes. In: Proceeding papers of the 5th International Scientific conference "Geographical Sciences and Education" (November 4-5, 2016, Shumen University). University Press, Shumen, pp. 49-56. 9. Stefanov, P., M. Briestenský, K. Turek, V. Protopopova, E. Botev. 2018. Exploration of changes in radon concentration and fault displacement in the Bacho Kiro cave (Bulgaria) as seismic activity precursors. 36th General Assembly of the European Seismological Commission, 2-8 September 2018, Valetta, Malta. 10. Cunningham, K. I. and Larock, E., J. 1991. Recognition of microclimate zones through radon mapping, Lechuguilla Cave, Carlsbad caverns national park, New Mexico. Health Phys., 61, 493-500.

RADON ACTIVITY CONCENTRATIONS IN SELECTED CAVES KAREL TUREK, PETAR STEFANOV, IN THE WESTERN RHODOPES WITH DIFFERENT VENTILATION STOYAN KYURKCHIEV 52-84 REGIME 73

11. Kávási, N., Somlai, J., Szeiler, G., Szabó, B., Schafer, I. and Kovács, T. 2010. Estimation of effective doses to cavers based on radon measurements carried out in seven caves of the Bakony Mountains in Hungary. Radiat. Meas., 45, 1068-1071. 12. Fernandez, P. L., Quindos, L. S., Soto, J. and Villar, E. 1984. Radiation exposure levels in Altamira Cave. Health Phys., 46, 445-447. 13. Vaupotič, J., Csige, I., Radolić, V., Hunyadi, I., Planinić, J. and Kobal, I. 2001. Methodology of radon monitoring and dose estimates in Postojna Cave, Slovenia. Health Phys., 80, 142-147. 14. Özen, S.A., Çevik, U. and Taşkin, H. 2018. Comparison of active and passive radon survey in cave atmosphere, and estimation of the radon exposed dose equivalents and gamma absorbed dose rates. Isotopes in Environmental and Health Studies, Available at: https://doi.org/10.1080/10256016.2018.1557163 15. Thinova, L., Rovenska, K. 2011. Radon dose calculation methodology for underground workers in the Czech Republic. Radiation Protection Dosimetry, 145(2-3), 233-237. Available at: https://doi.org/10.1093/rpd/ncr071 16. Varbanov P., V. Velikov, G. Vasilev. 1975. Izsledvane na radioaktivnostta v peshterite v Bulgaria. Higiena I zdraveopazvane, XVIII, 5, 491-495 (in Bulgarian) 17. Turek K., P. Stefanov, H. Orčíková. 2020a. Monitoring of radon concentrations in Bulgarian show caves (with assessment of radiation risk). SocioBrains, 66, 17-31 (in Bulgarian) Available at: http://sociobrains.com/bg/top/issues/Issue+66%2C+February+2020/ 18. Turek К., P. Stefanov, H. Orčíková. 2020b. Radon (Rn-222) concentration in Saeva dupka cave and estimation of effective doses for guides. Problems of geography, 3, 101-117. Available at: http://geoproblems.eu/wp-content/uploads/2020/12/2020_3/5_turek.pdf 19. Stefanov,P., D. Stefanova, K. Turek. 2020. Mikroklimatichni i radiatsionni usloviya i zdravni riskove v turisticheskite peshteri v Bulgaria (na bazata na rezultati ot integriran monitoring). Problemi na geografiyata, 3, 47-100. (in Bulgarian) Available at: http://geoproblems.eu/wp- content/uploads/2020/12/2020_3/4_stefanov.pdf 20. Yordanova, M. P. Stefanov, D. Stefanova, D. Mikhova, N. Ilieva, D. Borisova. 2013. Razrabotvane na eksperimentalen model na kompleksen monitoring za ustoychivo razvitie i upravlenie na zashtiteni karstovi teritorii (ProKARSTerra). Otchet na nauchno-izsledovatelski proekt na FNI (dogovor № 02.260/18.12.2008), Sofia, 2013. (Arhiv na NIGGG-BAN) (in Bulgarian) 21. Turek, K., Stefanov, P., Světlík, I. 2012. Radon in caves: trial measurements in Bulgaria. In: International scientific-practical konference, Protected Karst Territories - Monitoring and Management“, 16-20 Sept 2012, Shumen, Bulgaria, Book of Abstracts, pp. 77-78. 22. Stefanov P., K. Turek, I. Svetlik, M. Guelev. 2014. Experimental radiological monitoring in the Saeva dupka cave (Bulgaria). In: Proceedings "30 years Department of Geography in "St. Cyril and St. Methodius”, University of Veliko Tarnovo, Ivis Publishing House, pp. 73-81. 23. Stefanov, P., K. Turek, I. Svetlik. 2013. First results of experimental Radiological monitoring in the cave Biserna (Natural park "Shumen Plateau", Bulgaria). In: Collection research papers of the Second International Conference “Geography and Education”, 1-2 November 2013, Shumen, University Ed. House “Ep. K.Presslavski”, Shumen, pp. 26-33. 24. Nojarov, P., P. Stefanov, D. Stefanova, E. Botev, G. Zhelev, K. Turek. 2019. Savremenni vazdeystviya na globalnite promeni varhu evolyutsiyata na karsta (na bazata na integriraniya monitoring v modelni karstovi geosistemi v Bulgaria) (ProKARSTerra–Glob`Change). Etapen otchet na nauchno-izsledovatelski proekt na FNI (dogovor № 14/10 ot 20.12.2017), Sofia, 2019. (Arhiv na NIGGG-BAN) (in Bulgarian)

RADON ACTIVITY CONCENTRATIONS IN SELECTED CAVES KAREL TUREK, PETAR STEFANOV, IN THE WESTERN RHODOPES WITH DIFFERENT VENTILATION STOYAN KYURKCHIEV 52-84 REGIME 74

25. Stefanov, P. 2020. Integriran monitoring na peshternata sistema Saeva dupka (Speleo-MIKS “Saeva dupka”). Problemi na geografiyata, 4, 3-39 (in Bulgarian) Available at: http://geoproblems.eu/en/introduction/

26. Turek K., P. Stefanov, I. Svetlik, H. Orcikova, P. Simek, T. Kořínková. 2015б. Radon and CO2 concentration screening in Bulgarian caves. International Journal of Geoheritage, Darswin Publishing House, 3(2), pp. 14-23. Available at: http://www.darswin.com/dw/Journals/ijg/Volume-4.htm 27. Stefanov, P. 2002. Relef. Morfografska harakteristika. - V: Geografiya na Bulgaria. Izd. “ForKom”, Sofia, s. 29-43 (in Bulgarian). 28. Stefanov P., 2006. Physical-Geographical Characteristics of Western Rhodopes (Bulgaria and Greece). In Beron P., (ed) Biodiversity of Bulgaria. 3. Biodiversity of Western Rhodopes (Bulgaria and Greece) I. Pensoft & Nat. Mus. Natur. Hist., Sofia, pp. 15-79. 29. Kozhuharov, D. 1984. Litostratigrafiya dokemriyskih metamorficheskih porod Rodopskoy supergruppi v Tsentralnih Rodopah. Geol. Balcanica, 14, № 1, 43-92 (in Russian) 30. Kozhuharov, D., R. Dimitrova, E. Kozhuharova, N. Katskov. 1994. Obyasnitelna zapiska kam Geolozhka karta na Bulgaria v M 1:100 000, karten list “Gotse Delchev”. KGMR – „Geologiya i geofizika” AD, Sofia, 58 s. (in Bulgarian) 31. Petrov, P. 2004. Unikalniyat hidrotermalen karst v rudniya rayon “Erma reka” v Rodopite. GEOgrafiya`21, 4, 15-21 (in Bulgarian) 32. Katskov, N. R. Marinova. 1992. Obyasnitelna zapiska kam Geolozhka karta na Bulgaria v M 1:100 000, karten list “Belitsa”. KG – Predpriyatie za geofizichni prouchvaniya i geolozhko kartirane, Sofia, 44 s. (in Bulgarian) 33. Kozhuharov, D., R. Marinova. 1993. Obyasnitelna zapiska kam Geolozhka karta na Bulgaria v M 1:100 000, karten list „Dospat”. KGMR – „Geologiya i geofizika” AD, Sofia, 47 s. (in Bulgarian) 34. Stefanov, P. 1989. Karst-morphological analysis and problems of the geomorphological development of the Dabrash part of the West Rhodopes. In: First Bulgarian-Greek Symposium, Smolyan, 1, 9-13. 35. Kozhuharov, D., R. Marinova, N. Katskov, E. Kozhuharova. 1992. Obyasnitelna zapiska kam Geolozhka karta na Bulgaria v M 1:100 000, karten list “Smolyan”. KG – Predpriyatie za geofizichni prouchvaniya i geolozhko kartirane, Sofia, 50 s. (in Bulgarian) 36. Dimitrova, R., N. Katskov. 1990. Obyasnitelna zapiska kam Geolozhka karta na Bulgaria v M 1:100 000, karten list “Velingrad”. KG – Predpriyatie za geofizichni prouchvaniya i geolozhko kartirane, Sofia, 52 s. (in Bulgarian) 37. Kozhuharov, D., E. Kozhuharova, R. Marinova, N. Katskov. 1994. Obyasnitelna zapiska kam Geolozhka karta na Bulgaria v M 1:100 000, karten list “Chepelare”. KGMR – „Geologiya i geofizika” AD, Sofia, 74 s. (in Bulgarian) 38. Kozhuharov, D., R. Dimitrova, N. Katskov. 1992. Obyasnitelna zapiska kam Geolozhka karta na Bulgaria v M 1:100 000, karten list “Devin”. KG – Predpriyatie za geofizichni prouchvaniya i geolozhko kartirane, Sofia, 52 s. (in Bulgarian) 39. Nojarov, P. 2017. Genetic climatic regionalization of the Balkan Peninsula using cluster analysis. Journal of Geographical Sciences, 27 (1), 43-61. Available at: https://doi.org/10.1007/s11442-017-1363-y 40. Kyurkchiev, S. 2020. Mikroklimat v modelni karstovi peshteri v Zapadnite Rodopi. - Problemi na geografiyata, 3, 118-135. (in Bulgarian). Available at: http://geoproblems.eu/wp- content/uploads/2020/12/2020_3/6_kurkchiev.pdf 41. Popov, V. 1976. Rayonirane na peshterite v NR Bulgaria. Problemi na geografiyata, 2, 14-24 (in Bulgarian)

RADON ACTIVITY CONCENTRATIONS IN SELECTED CAVES KAREL TUREK, PETAR STEFANOV, IN THE WESTERN RHODOPES WITH DIFFERENT VENTILATION STOYAN KYURKCHIEV 52-84 REGIME 75

42. Popov, V. 1982. Karstov relef. - V: Fizicheska geografiya na Bulgaria. Izd. BAN, Sofia, s. 121- 124. (in Bulgarian). 43. Stefanov, P.1982. Morfometriya i motfografiya na peshterata Manailovska dupka. Problemi na geografiyata, 3, 51-59. (in Bulgarian) 44. Spasov, K., P. Stefanov. 1990. Problems of karst regionalization in the Rila-Rhodopy mountain massif. In: 2nd Hellenic-Bulgarian Symposium, Thessaloniki, 2, 43-51. 45. Jakucs, L. 1979. Morfogenez karstovih oblastey. Varianti evolyucii karsta. Izd. “Progress”, Moskva, 389 s. (in Russian) 46. Nagy H.E., Szabó Z., Jordán G., Szabó C., Horváth Á. & Kiss A. 2012. Time variations of 222Rn concentration and air exchange rates in a Hungarian cave. Isotopes in Environmental and Health Studies, Volume 48 (3), 464-472. Available at: https://doi.org/10.1080/10256016.2012.667809 47. Kyurkchiev, S. 2019. Mikroklimatichna harakteristika na peshtera Chelevechnitsata v Zapadnite Rodopi. Izvestiya na BGD, 41, 10-17. (in Bulgarian). Available at: http://geography.bg/images/Izv_BGD/tom%2041/JBGS_vol41_2019_Kyurkchiev_St.pdf 48. Tommasino, L. 1970. Electrochemical etching of damaged track detectors by HV–pulse and sinusoidal wave form. Report Lab. Dosimetrica e Standardizzacione CNEN, Casaccia, Rome.

49. Guelev, G.M., I.T. Mishev, B. Burgkhard, E. Piesch. 1994. A Two-element CaSO4:Dy Dosemeter for environmental monitoring. In: Radiation Protection Dosimetry, 51 (1), 34-40. 50. Popov, V. 1982. Pateshestvie pod zemyata. Nauka i izkustvo, Sofia, , 152 s. (in Bulgarian) 51. State Office for Nuclear Safety (SÚJB). 2018. Recommendation “Stanovování osobních dávek pracovníků na pracovištích s možným zvýšeným ozářením z radonu. DR-RO-5.2 (Rev. 0.0). Prague, Feb 2018. (in Czech) 52. Recommendation “Stanovování osobních dávek pracovníků na pracovištích s možným zvýšeným ozářením z radonu. DR-RO-5.2(Rev. 0.0). In Czech, SUJB, Prague, Feb 2018 Available on https://www.sujb.cz/fileadmin/sujb/docs/dokumenty/publikace/DR-RO-5-2-Rev-0-0- cj_3924_2018_radon.pdf 53. Tirmarche, M., Harrison, J.D., Laurier, D., Paquet, F., Blanchardon, E., Marsh, J.W. 2010. Lung Cancer Risk from Radon and Progeny and Statement on Radon. ICRP Publication 115, Annals of the ICRP, 40(1), 1-64. Available at: https://doi.org/10.1016/j.icrp.2011.08.011 54. Nojarov, P. 2020. Climate and its changes in the period 1979–2018 in selected model karst regions in Bulgaria. Problems of Geography, 3, 11-28. Available at: http://geoproblems.eu/wp-content/uploads/2020/12/2020_3/2_nojarov.pdf 55. Stefanova D., P. Stefanov. 2018. Current state and problems of cave tourism in Bulgaria. Traditions and Inovations in Contemporary Tourism, Camridge Scholars Publishing, 20, pp.170-189. 56. Stefanova D., P. Stefanov. 2019. Administration and management of tourist caves in Bulgaria. SocioBrains, 54, 411-429 (in Bulgarian). Available at: http://sociobrains.com/bg/top/issues/Issue+54%2C+February+2019/ 57. Stefanov, P. 2013. Modelat “Speleo-MIKS Biserna”. V: Sbornik dokladi ot Vtorata mezhdunarodna konferentsiya “Geografski nauki i obrazovanie” (Shumen, 1-2 Noemvri 2013), Univ. izd. „Episkop Konstantin Preslavsky”, Shumen, s. 34-48. 58. Briestenský, M., P. Stefanov, M. D. Rowberry. 2014. The first results from new underground extensometric laboratories established in caves in Bulgaria. In: Proceeding papers of the Third International Conference “Geographical Sciences and Education” (12 September 2014, Shumen University). University Press, Shumen, 48-53. 59. Briestenský, M., M. D. Rowberry, J. Stemberk, P. Stefanov, J. Vozár, S. Šebela, Ľ. Petro, P. Bella, Ľ. Gaal. 2015. Evidence of a tectonic pressure pulse provided by the monitoring of

RADON ACTIVITY CONCENTRATIONS IN SELECTED CAVES KAREL TUREK, PETAR STEFANOV, IN THE WESTERN RHODOPES WITH DIFFERENT VENTILATION STOYAN KYURKCHIEV 52-84 REGIME 76

aseismic transient deformations in the Balkan Peninsula and elsewhere on the Eurasian Plate. Geol. Carpathica, 66, 5, 427-438. 60. Botev, E., V. Protopopova, I. Popova, P. Stefanov. 2020. Seismic monitoring in Bulgaria and some interconnections. Problems of Geography, 3, 136-143. Available at: http://geoproblems.eu/wp-content/uploads/2020/12/2020_3/7_botev.pdf 61. Mikhova, D., P. Stefanov. 1993. Proektirane na informatsionna sistema za funktsionalno modelirane na karstova geosistema. Problemi na geografiyata, 2, 68-82 (in Bulgarian) 62. Andreychuk, V., P. Stefanov. 2006. Karstovite geosistemi i printsipite za opazvane na karstovi teritorii. GEOgrafiya`21, 1, 5-11 (in Bulgarian). Available at: http://www.prokarstterra.bas.bg/geo21 63. Andreychouk, V., P. Stefanov. 2021. Some methodological remarks concerning of karst studies from the system approach perspective. – Problems of Geography, 1, 3-15. Available at: http://geoproblems.eu/en/introduction/

URL: 64. http://www.prokarstterra.bas.bg/lab 65. http://www.prokarstterra.bas.bg/lab/base.html 66. http://www.prokarstterra.bas.bg/lab/sci-networks.html 67. http://www.prokarstterra.bas.bg/lab/methodology.html 68. http://hinko.org/bgcaves/viewcaves.php 69. https://caves.speleo-bg.org

RADON ACTIVITY CONCENTRATIONS IN SELECTED CAVES KAREL TUREK, PETAR STEFANOV, IN THE WESTERN RHODOPES WITH DIFFERENT VENTILATION STOYAN KYURKCHIEV 52-84 REGIME 77

Таблица 2. Карстови пещери в Западните Родопи, обекти на изследването

Вход/ове Размери на Пещера Местоположение ( н.в, м / проучените части Морфология Води Специален статут** ( № по БФСп ) ( № на пещерен район / експозиция * / (обща дължина / селище) произход ) денивелация, м )

Манаиловска дупка 404 / с. Рибново, 1150 / СИ / 2175 / -115 Низходаща каскадна, Пещерна река в Извора от пещерата ( 0769 ) общ. Гърмен 1 естествен 2-етажна, разклонена, долната галерия; е каптиран за изворна синтрови езера в водоснабдяване горната галерия

Лепеница 406 / гр. Ракитово 975-990 / ЮИ / 1920 / 10 Субхоризонтална Пещерна река в Извора от пещерата / Водната, Мократа / 1 естествен възходяща, 2-етажна, долната галерия; е каптиран за ( 0513 ) (с каптаж) и изворна синтрови езера в водоснабдяване; 1 изкуствен горната галерия ПЗ (от 1962 г.); (туристически) от 2010 г. отворена за туристи

Снежанка 406 / гр. Пещера 880 / С-СИ / 230 / -18 Субхоризонтална ПЗ (от 1961 г.); ( 1960 ) 1 естествен низходяща, благоустроена (затворен) и разкрит тип туристическа пещера 1 изкуствен (от 1966) (туристически)

Новата 406 / гр. Пещера 547 / З-ЮЗ / 955 / -5 Хоризонтална, Езера и сезонни В БР „Купена” / Новата стара пещера / 2 естествени входа лабиринтна, 2-етажна, синтрови езера (от 1961 г.) ( 1158 ) изворна

Юбилейна 406 / гр. Пещера 580 / И-ЮИ / 814 / -18 Субхоризонтална Пещерна река в Опити за ( 0791 ) 1 естествен възходяща, долната галерия благоустрояване 2-етажна, разклонена, изворна

Челевешка дупка 407 / с. Орехово, 1120 / С-СЗ / 305 / 15 (-12, +3) Субхоризонтална Синтрови езера

RADON ACTIVITY CONCENTRATIONS IN SELECTED CAVES KAREL TUREK, PETAR STEFANOV, IN THE WESTERN RHODOPES WITH DIFFERENT VENTILATION REGIME STOYAN KYURKCHIEV 52-84 78

/ Чиляшка, Челевеча / общ. Чепеларе 1 естествен низходяща, 3-етажна, ( 0799 ) разклонена, разкрит тип

Иванова вода 407 / с. Добростан, 1337 / З / 695 / -113 Пропастна, понорна Пещерна река и В ЗМ „Марциганица” ( 0099 ) общ. Асеновград 1 естествен езера (от 1980 г.)

Гаргина дупка 407 / с. Добростан, 1325 / И-ЮИ / 17 / -14 Пропаст ( 1391) общ. Асеновград 1 естествен

Топчика 407 / с. Добростан, 990 / Ю-ЮИ / 727 / -61 Пропастна, разклонена, ПЗ (от 1970 г.) ( 0072 ) общ. Асеновград 1 естествен 2-етажна, понорна

Ягодинска пещера 408 / с. Ягодина, 990, 997, 1020 / З / 10 500 / -36 Субхоризонтална Пещерна река в В ПЗ „Буйновско / Имамова дупка / общ. Борино 1 естествен и каскадна, долната галерия ждрело” (от 1971 г.); ( 0412 ) 2 изкуствени 3-етажна, лабиринтна, благоустроена (туристически) част от понорно- туристическа пещера изворна система (от 1982 г.)

Дяволското гърло 408 / с. Триград, 1054 и 1150 / Ю и 548 / -89 Пропастна каскадна, Пещерна река В ЗМ „Триградско / Хърлога, Клокотник / общ. Девин И-СИ /1 естествен понорна със сифон ждрело” (от 1963 г.); ( 0792 ) и 1 изкуствен благоустроена (туристически) туристическа пещера (от 1977 г.)

Надарската пещера 410 / с. Надарци, 1151 / ЮЗ / 55 Хоризонтална ( 1224 ) общ. Смолян 1 естествен

Ухловица 410 / с. Могилица, 1040 / И / 460 / -25 Субхоризонтална Синтрови езера ПЗ (от 1979 г.); / Улцата / общ. Смолян 1 естествен възходяща, пропастна, благоустроена / 0924 / 2-етажна, изворна туристическа пещера (от 1983 г.)

Голобоица-1 410 / с. Кошница, 860 / И / над 1700 / 22 Субхоризонтална, Пещерна река със Обект за / Гълабица / общ. Смолян 1 естествен изворна сифони туристически ( 1322 ) посещения със специална екипировка и водач

RADON ACTIVITY CONCENTRATIONS IN SELECTED CAVES KAREL TUREK, PETAR STEFANOV, IN THE WESTERN RHODOPES WITH DIFFERENT VENTILATION REGIME STOYAN KYURKCHIEV 52-84 79

* Обозначения за основните географски посоки: С – север; И – изток; Ю – юг; З - запад ** Защитени територии: БР – биосферен резерват; ЗМ – защитена местност; ПЗ – природна забележителност

Таблица 3. Стойности на основни показатели на спелеоклимата в карстовите пещери в Западните Родопи, в които се провежда мониторинг на радона

Пещера Спелеоклиматична зона Температура на въздуха, оС Относителна влажност (брой спелеоклиматични (пещерна част, зала) на въздуха, % пунктове) Мин. Макс. Средна Мин. Макс.

Манаиловска дупка Привходна зона -0,2 10,4 7,4 84 97 ( 29 ) Преходна зона Долна галерия 3,9 8,2 6,1 98 100 Горна галерия 9,4 9,7 9,6 96 98 Вътрешна зона Долна галерия Зала Щастие 5,2 8,7 7,5 96 100 Горна галерия Зала Дружба 10 10,7 10,4 95 100 Зала ГГФ 11,0 11,4 11,1 98 100

Лепеница Привходна зона 9,2 до 11,2 15 до 18 14 96 98 ( 16 ) Преходна зона Срутището 8,2 8,4 8,3 97 100 Вътрешна зона Камината 7,2 7,5 7,4 98 100

RADON ACTIVITY CONCENTRATIONS IN SELECTED CAVES KAREL TUREK, PETAR STEFANOV, IN THE WESTERN RHODOPES WITH DIFFERENT VENTILATION REGIME STOYAN KYURKCHIEV 52-84 80

Коридор 600 м 7,3 7,6 7,5 97 99

Снежанка Привходна зона: 3 9,4 8 92 98 Зала на виметата 7,9 10 9 96 100 ( 14 ) Преходна зона: Зала на брадите 9 10,4 10 98 100 Голямата зала 8,4 9,8 9,2 97 100 Вътрешна зона: Срутището 9,9 10,4 10,3 97 100 Вълшебната зала 9,8 10,4 10,3 97 100

Новата пещера Привходна зона Долна галерия 6,6 10,4 8,6 87 97 ( 12 ) Горна галерия 11,2 13,2 11,9 91 98 Преходна зона Долна галерия 6,0 10,6 8,9 90 98 Горна галерия 11,1 12,0 11,4 95 100 Вътрешна зона Горна галерия 11,0 11,6 11,4 95 100

Юбилейна Привходна зона 10,2 12,2 11,2 85 98 ( 9 ) Вътрешна зона 10,6 11,2 10,8 95 100

Челевешка дупка Привходна зона 6,0 10,2 8,6 90 98 ( 9 ) Преходна зона 8,4 9,2 8,9 95 100

Вътрешна зона 8,7 9,8 9,0 97 100

Иванова вода Привходна зона -4,6 15,8 5,2 80 97

RADON ACTIVITY CONCENTRATIONS IN SELECTED CAVES KAREL TUREK, PETAR STEFANOV, IN THE WESTERN RHODOPES WITH DIFFERENT VENTILATION REGIME STOYAN KYURKCHIEV 52-84 81

( 10 ) Преходна зона 1,4 5,0 3,6 95 97

Вътрешна зона 2,6 6,8 4,9 97 98

Топчика Привходна зона 9,2 13,2 11,2 53 96 ( 11 ) Преходна зона 9,7 12,6 11,2 70 96

Вътрешна зона Долна галерия 9,7 11,8 10,9 92 98 Горна галерия 11,0 11,6 11,2 95 98

Ягодинска пещера Привходна зона (изкуствен тунел) 3,2 до 4,6 8 до 9,4 7 95 100 ( 31 ) Преходна зона: Новогодишна зала 5,9 7,5 7 97 100 Зала с перлите 4,8 7,4 6,9 97 100 Вътрешна зона: Орбитална зала (Срутище) 7 7,7 7,5 96 100 Лява водна галерия 7,3 7,8 7,6 97 100

Приизходна зона (изк. тунел) 2,9 8 6,8 97 100

Дяволското гърло Привходна зона (изкуствен тунел) 1,8 до 8,5 12,4 до 13,2 10 95 99 ( 12 ) Преходна зона: Балконите 2,8 13,2 12,2 98 100 Бучащата зала 1,2 13,2 12 99 100 Приизходна зона: Стълбище – средна част -1,5 14,4 8,5 95 100

Ухловица Привходна зона 9,1 до 9,8 13,2 до 15,2 12 94 98

RADON ACTIVITY CONCENTRATIONS IN SELECTED CAVES KAREL TUREK, PETAR STEFANOV, IN THE WESTERN RHODOPES WITH DIFFERENT VENTILATION REGIME STOYAN KYURKCHIEV 52-84 82

( 20 ) Преходна зона Зала на пропастите (г. галерия) 10 13 11 95 100 Дъно на пропастите (д. галерия) 8,8 10,2 10 98 100 Вътрешна зона Срутището 8,9 10,1 9,9 96 100 Синтровата каскада 10,1 10,5 10,2 96 100

Таблица 4. Концентрация на радона в карстовите пещери в Западните Родопи с провеждан мониторинг

Период на Rn-концентрация, Bq.m-3 Пункт на мониторинга Пещера мониторинга Начало Продължи- Най-ниска Най-висока MAX* (месец, год.) телност (год.) през периода през периода за периода

Манаиловска дупка - Начално ляво 6.2019 0,98 300 1 294 730 разклонение - Базов лагер 6.2019 0,98 1 059 1 578 1 307

Лепеница - Камината 8.2014 5,2 626 2 943 2 439 - Коридор 600 м 8.2014 6,1 579 4 280 2 630

Снежанка - Голямата зала 4.2012 7,8 437 1 484 1 041 - Вълшебната зала 4.2012 7,8 514 2 456 1 531

RADON ACTIVITY CONCENTRATIONS IN SELECTED CAVES KAREL TUREK, PETAR STEFANOV, IN THE WESTERN RHODOPES WITH DIFFERENT VENTILATION REGIME STOYAN KYURKCHIEV 52-84 83

Новата пещера Дъно на горната галерия 7.2016 3,4 331 1 426 982

Юбилейна Преди сифона 12.2014 5,5 638 1 813 1 635

Челевешка дупка Зала в дъното 12.2014 4,7 1 997 4 496 3 487

Иванова вода При Голямото езеро 12.2014 5,5 129 680 514

Гаргина дупка В дъното 12.2014 1,6 262 2 772 1 523

Топчика Лагера (долна галерия) 5.2016 4,1 609 2 159 1 419

Ягодинска пещера Срутището 4.2012 6,1 560 1 961 1 561 Лява водна галерия 4.2012 6,1 437 1 853 1 405

Дяволското гърло Балконите – т. 1 9.2018 0,74 132 132 97 Балконите – т. 2 9.2018 0,74 248 248 183

Надарската пещера Вътрешната зала 9.2018 2,1 66 595 411

Ухловица Под пропастите (долна галерия) 9.2014 6 102 1 909 1 064 Синтровата каскада 4.2012 6,3 306 2 112 1 170

Голобоица-1 Преди полусифона 9.2015 2 358 934 508 Преди сифона 9.2015 2 334 702 574

* Информация за същността на МАХ се съдържа в текста.

RADON ACTIVITY CONCENTRATIONS IN SELECTED CAVES KAREL TUREK, PETAR STEFANOV, IN THE WESTERN RHODOPES WITH DIFFERENT VENTILATION REGIME STOYAN KYURKCHIEV 52-84 84