核武器爆炸后形成的烟云含有大量放射性粒子，在大气中运动扩散并逐渐向地面沉降，形成放射性落下灰，造成环境污染。研究它们污染环境的特点，对防止落下灰的危害并采取相应防护措施有重要意义。
按照落下灰扩散沉降的范围可分为局部沉降、带状沉降和全球沉降三种类型。局部沉降是烟云中放射性粒子较大的一部分，受重力作用沉降在爆区附近和下风向一定距离内，形成不规则椭圆形的污染区。核武器地爆时，局部沉降占落下灰总放射性的很大部分，有时可占50～80%，造成局部环境的严重污染，可危及人的健康。空爆时，局部沉降轻微。带状沉降是位于对流层顶以下的落下灰向地面沉降造成的，故又叫对流层沉降。对流层顶的高度在低纬度地区为17～18km，在中纬度地区为10～12km，在高纬度地区为8～9km。落下灰在对流层中受所在高度的风向和风速的影响，沿同一纬度绕地球运行数周，逐渐沉降到地面。一般说来，带状沉降对地面的污染比局部沉降轻，但遇到降雨时可加速沉降过程，并对环境造成较严重的污染。大当量地面核爆炸，对流层落下灰也可被风传送到较远地区造成环境广泛的污染。全球沉降是指放射性烟云上升高达到平流层中的那一部分的粒子向全球扩散沉降。其中多是0.1～1μm的小粒子，在平流层中充分混合，以较慢速度均匀地沉降到地面，构成全球性污染。一些研究资料对落下灰中半衰期较长的亲骨性核素90Sr作了大量报道，认为90Sr在平流层中平均停留时间为1.1年，但停留时间因落下灰进入平流层的高度和纬度不同而异。高度为15～25km时，平均停留时间变化在0.3～2年。全球沉降对环境污染轻微，但由于是世界范围的污染，增加了人体剂量负担，引起人们的关心。
一切大气层核爆炸，由于落下灰的全球沉降，都会造成放射性落下灰对大范围和长期的环境污染，它扩散面积广，影响时间长，在一年甚至几年时间内陆续沉降到地面。这种污染与核武器的结构、爆炸的当量、爆炸方式等因素有关。在1957～1958年和1961～1962年美苏两国多次大规模核试验后，世界各地区落下灰对环境的放射性污染明显增高。在这以后，因大气层核试验减少，环境中的放射性污染也降低。表1为联合国原子辐射效应科学委员会1982年报告书中给出的历年90Sr在南、北半球和全球的沉积量。
核武器地爆和低空爆炸都会造成下风向局部地区的污染，由于早期落下灰中的短半衰期核素所占比份较大，因此明显污染的持续时间较短。在爆炸后短时间内，下风向一些地区(不包括局部沉降地区)空气中总β放射性浓度在爆后十几小时内，为10-12～10-11Ci/L，地面γ照射量率为每小时几百微伦到1mR。正在田中生长着的蔬菜也可受到落下灰的污染，但经简单水洗后，一般去污效果都在50%以上。露天水源也会受到落下灰的轻微污染，可比正常本底值增高1～2个数量级。在下风向放牧的羊，在甲状腺中可测出有放射性碘存在，有时可高达10-8 Ci/g。
放射性落下灰对环境的污染，主要是指空气、水、地表和各种动植物食品受到污染的情况。发射γ射线的放射性核素，可直接造成对人的γ外照射。当人们吸入污染的空气、食入污染的水和各种食品，使放射性核素进入体内，其中不溶解的部分可阻留在肺部、或短暂停留在胃肠道中造成对呼吸道和消化道的内照射; 被吸收的放射性核素，根据其稳定性元素的代谢特点而蓄积在一些器官或组织中。例如，早期落下灰中占有重要意义的碘的各种短半衰期的核素蓄积在甲状腺中，90Sr、140Ba蓄积在骨中，137Cs蓄积在肌肉、性腺等软组织中，一些稀土
表1 90Sr的年沉积量和累积沉积量
| 年份 | 年沉积量(MCi) | 累积沉积量(MCi) | ||||
| 北半球 | 南半球 | 全球 | 北半球 | 南半球 | 全球 | |
| 1958以前 1958 1959 1960 1961 1962 1963 1964 1965 1966 1967 | 1.80 0.63 1.05 0.26 0.35 1.44 2.62 1.66 0.77 0.33 0.17 | 0.64 0.26 0.18 0.17 0.17 0.26 0.31 0.42 0.36 0.21 0.11 | 2.45 0.88 1.24 0.43 0.52 1.71 2.93 2.08 1.13 0.54 0.28 | 1.7 2.3 3.3 3.4 3.7 5.0 7.5 9.0 9.5 9.6 9.5 | 0.6 0.8 1.0 1.1 1.3 1.5 1.8 2.2 2.5 2.6 2.6 | 2.3 3.1 4.3 4.6 5.0 6.6 9.3 11.1 12.0 12.2 12.2 |
| 1968 1969 1970 1971 1972 1973 1974 1975 1976 1977 1978 1979 1980 总沉积量 | 0.20 0.15 0.21 0.19 0.086 0.032 0.121 0.058 0.028 0.081 0.100 0.031 0.030 12.38 | 0.10 0.14 0.13 0.15 0.096 0.031 0.039 0.034 0.021 0.022 0.018 0.011 0.011 3.89 | 0.30 0.29 0.33 0.34 0.18 0.063 0.160 0.092 0.048 0.103 0.118 0.042 0.041 16.27 | 9.5 9.4 9.4 9.3 9.2 9.0 8.9 8.7 8.5 8.4 8.3 8.2 8.0 | 2.7 2.8 2.8 2.9 2.9 2.9 2.8 2.8 2.8 2.7 2.7 2.6 2.6 | 12.2 12.2 12.2 12.2 12.1 11.9 11.7 11.5 11.3 11.1 11.0 10.8 10.6 |
(据UNSCEAR 1982 Report to the General Assembly，1982资料)
族元素蓄积在肝脏等。这些放射性核素在器官组织中成为暂时或长期的内照射源。核爆炸后放射性核素主要是经食物进入体内，此过程称为食物链转移。为了解各种放射性核素经食物链进入人体的情况，对放射性核素在食物链中各环节间的转移系数作了大量的研究。由于地区和膳食组成的差异，转移系数也有波动，从实测情况来看，90Sr从膳食到人骨的转移系数波动于0.10～9.16。
自从利用核裂变反应进行核爆炸试验以来，已经有423次核试验是在大气层中进行的，在地下和水下核试验中也有部分落下灰逸出地面或污染海洋。核试验场区和下风向一定范围内地区受到落下灰较重的污染，由于带状沉降和全球性沉降，使全球环境都受到不同程度的污染。北半球进行核试验的频度高，故受落下灰污染的程度比南半球高。核试验落下灰对人群照射会造成一定的剂量负担，准确估算落下灰污染环境后对人类造成的剂量负担是困难的，因为各种放射性核素在环境中的情况和剂量学特性各不相同，而且人群的地理分布、生活习惯和年龄也有差异。联合国原子辐射效应科学委员会在历次报告书中曾报道了全世界居民受落下灰照射的剂量负担。现将1982年报告书中，对1980年以前由大气层核试验落下灰的放射性核素所造成的剂量负担的估算结果列于表2。总的印象是，七十年代中期以前的核试验，由于落下灰污染环境，对全世界居民造成的剂量负担约相当于两年天然本底辐射的照射。
表2 1980年以前核试验产生的放射性核素造成的剂量负担(μGy)
| 辐射源 | 北温带 | 南温带 | 全世界 | |||||||||
| 性腺 | 红骨髓 | 骨内膜 细胞 | 肺 | 性腺 | 红骨髓 | 骨内膜 细胞 | 肺 | 性腺 | 红骨髓 | 骨内膜 细胞 | 肺 | |
| 外照射 | ||||||||||||
| 短寿命核素 137Cs | 470 600 | 470 600 | 470 600 | 470 600 | 80 170 | 80 170 | 80 170 | 80 170 | 310 370 | 310 370 | 310 370 | 310 370 |
| 内照射 | ||||||||||||
| 3H 14C 55Fe 89Sr | 51 77 10 — | 51 370 6 2 | 51 340 10 3 | 51 91 10 24 | 14 77 2 — | 14 370 1 0.6 | 14 340 2 0.9 | 14 91 2 6 | 47 77 9 — | 47 370 5 1 | 47 340 9 2 | 47 91 9 15 |
| 90Sr 106Ru | — — | 940 — | 2100 — | 120 410 | — — | 260 — | 570 — | 34 95 | — — | 570 — | 3700 — | 74 250 |
| 137Cs 144Ce | 280 — | 280 — | 280 — | 280 500 | 78 — | 78 — | 78 — | 78 140 | 170 — | 170 — | 170 — | 170 250 |
| 239Pu 241Pu 241Am | 0.04 3 0.07 | 3 16 0.4 | 39 20 5 | 12 30 — | 0.01 0.8 0.02 | 0.9 4 0.1 | 11 54 1 | 3 8 — | 0.03 2 0.04 | 2 10 0.2 | 25 120 3 | 7 18 — |
| 总计(约) | 1500 | 2700 | 3900 | 2600 | 420 | 980 | 1300 | 720 | 990 | 1900 | 2700 | 1700 |
表中14C项为积累至2000年的剂量;239Pu项包括240Pu的剂量负担(引UNSCEAR 1982 Report to the General Assembly， 1982)
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