Geislavirk efni hafa verið hluti af náttúrulegu umhverfi á jörðinni frá upphafi. Þau senda frá sér svokallaða jónandi geislun, þ.e. geislun sem hefur næga orku til að rífa rafeind frá frumeind, en slíkt getur m.a. skaðað erfðaefni frumna (DNA). Við verðum daglega fyrir litlu magni jónandi geislunar, bæði frá náttúrulegum og manngerðum uppsprettum. Í kjölfar kjarnorkutilrauna og kjarnorkuslysa eykst magn jónandi geislunar í næsta nágrenni og getur mengunin í umhverfinu varað í langan tíma. Eðli, alvarleiki og tímasetning mögulegra einkenna fer eftir tegund geislunar, stærð geislaskammts og hraða geislunarinnar (þ.e. magni upptekinnar geislunar á tímaeiningu). Einnig skiptir næmni einstaklings máli en næmnin er m.a. háð aldri, kyni og heilsu viðkomandi. Heilsufarsleg áhrif geislamengunar ráðast ekki eingöngu af styrk og eituráhrifum efnanna, heldur skiptir hegðun viðkomandi efnis í náttúrunni einnig miklu máli, en hún ræðst af efnafræðilegum eiginleikum efnisins. Gróðurfar, landnytjar og fæðuvenjur skipta einnig máli.

Geislavirk efni eru mun hættulegri ef þau komast inn í líkamann. Plútóníum er t.a.m. mjög eitrað en líkurnar á því að það komist í líkamann eru frekar litlar. Komist það hins vegar inn í líkamann er það stórhættulegt.

Áður en lengra er haldið skulum við fara yfir nokkrar skilgreiningar. Geislaskammtur (e. radiation absorbed dose) er mælikvarði á þá orku sem vefur eða líffæri verður fyrir vegna jónandi geislunar. Geislaskammtur er mældur í júlum á hvert kg vefs (J/kg) og kallast mælieiningin Gy (e. gray). Þótt geislaskammtur sé mikilvæg stærð í eðlisfræðinni tekur hún ekki tillit til þess að ólíkar tegundir geislunar valda mismiklum skaða í lífverum. T.d. geta 0,05 Gy sem orsakast af alfaögnum valdið jafnmiklum skaða og 1 Gy af gammageislun. Þess vegna er hlutgeislaálag (e. dose equivalent) einnig mælt, en það tekur tillit til þess að mismunandi form geislunar (α, β, γ) veldur mismiklum líffræðilegum skaða. Hlutgeislaálag fæst með því að margfalda geislaskammt hverrar tegundar geislunar með leiðréttingarstuðli (Q) til að endurspegla þann skaða sem viðkomandi tegund geislunar getur valdið. Gildi Q er háð því hversu mikilli jónun geislun veldur. Alfa-ögn veldur geislun sem svarar til einnar milljónar jónapara á hvern millimetra af viðmiðunarvef en beta-ögn og gammageislun um 10.000 á hvern millimetra. Q hefur verið gefið gildið 1 fyrir gammageislun og gildin fyrir aðrar tegundir geislunar eru miðuð við hlutfallslegt gildi þeirra miðað við gammageislun. Q fyrir beta- og gammageislun er því 1, sem og gildið fyrir röntgengeisla og rafeindir. Gildi Q fyrir nifteindir er 5, en 20 fyrir háhraða-nifteindir, róteindir og fyrir alfa-agnir.

Hlutgeislaálag (þ.e. geislaskammtur margfaldaður með leiðréttingarstuðlinum Q) er mælt í sívertum (e. Sievert), skammstafað Sv. Hlutgeislaálagið segir þó ekki alla sögu, því að einnig þarf að taka tillit til þess að sumir hlutar líkamans eru viðkvæmari fyrir geislun en aðrir. Til dæmis er tiltekið hlutgeislaálag mun líklegra til að valda krabbameini í lungum en lifur, því að lungun eru viðkvæmari fyrir geislun. Áhrif geislunar á æxlunarfæri eru sérstakt áhyggjuefni vegna áhættunar á arfgengum áhrifum. Því er svokallað geislaálag (e. effective dose) einnig metið, en það segir til um áhættu einstaklings af jónandi geislun. Geislaálagið er vegið meðaltal áhrifa hlutgeislaálags á líffæri líkamans, þar sem hvert líffæri hefur vægisstuðul í samræmi við hlut þess í heildaráhættu líkamans. Geislaálagið er líka mælt í sívertum og út frá því má áætla líkurnar á krabbameinum og arfgengum áhrifum í kjölfar lítilla geislaskammta. Geislaálagið á hins vegar ekki að vera mælikvarði á áhrif vegna hárra geislaskammta.

Jónandi geislun getur haft áhrif á frumur líkamans og valdið frumudauða eða frumubreytingum sem yfirleitt má rekja til skaða á erfðaefninu, DNA. Ef fjöldi frumna sem skaðast eða deyja er nægjanlegur geta afleiðingarnar orðið röskun á líffærastarfsemi eða dauði. Einnig getur orðið skaði á DNA sem ekki drepur frumurnar. Líkami okkar býr yfir ákveðinni getu til að lagfæra þær skemmdir sem frumur okkar verða fyrir vegna jónandi geislunar, en ef geislunin verður meiri en líkaminn ræður við geta orðið stökkbreytingar í erfðaefninu sem geta á endanum valdið krabbameini. Ef frumurnar sem stökkbreytast eru kynfrumur getur geislunin valdið arfgengum áhrifum, þ.e. skaða í afkomendum. Eins getur geislun haft áhrif á fóstur í móðurkviði. Börn eru viðkvæmari fyrir geislun en fullorðnir, en krabbamein og arfgeng áhrif geislunar koma oft ekki fram fyrr en eftir langan tíma, jafnvel áratugi. Fólk getur einnig orðið fyrir bráðum eituráhrifum ef það verður fyrir mikilli jónandi geislun á stuttum tíma. Bráð eituráhrif leiða til þess að skemmdirnar verða meiri en líkaminn ræður við að lagfæra. Dæmi um þessi áhrif eru bruni húðar, ógleði og uppköst, hárlos og skert frjósemi.

Til að bráð eituráhrif eigi sér stað þarf geislunin að ná ákveðnum þröskuldi í stuttan tíma. Alvarleiki einkennanna eykst með vaxandi geislun. Skammtar yfir 50 Gy skemma miðtaugakerfið það illa að búast má við dauða innan nokkurra daga. Skammtar lægri en 8 Gy valda geislaveiki en einkenni hennar eru m.a. ógleði, uppköst, niðurgangur, þarmakrampar, vökvatap, þreyta, sinnuleysi, lystarleysi, hiti, höfuðverkur og lágþrýstingur. Einkennin koma fram strax eftir af einstaklingur verður fyrir geislun. Fórnarlömb geislaveiki – t.d. slökkviðliðsmennirnir í Chernobyl árið 1986 – geta lifað af og jafnvel náð sér af fyrstu einkennunum eftir nokkra daga, en deyja svo e.t.v. 1-2 vikum seinna vegna skaða í meltingarvegi. Ef skammtar eru lægri verður hugsanlega ekki skaði í meltingarvegi en geislunin getur samt valdið dauða innan fárra mánaða vegna blóðmergsskaða. Háir geislaskammtar auka líkurnar á hjartasjúkdómum.

Síðbúin áhrif lægri geislaskammta felast einkum í hvítblæði og krabbameini auk þess sem erfðagallar geta komið fram í afkomendum þeirra sem orðið hafa fyrir geislun. Krabbamein er flókið fyrirbæri. Að öllum líkindum fer ferlið af stað vegna atviks sem hefur áhrif á eina eða fleiri frumur líkamans. Síðan þarf röð annarra atburða að verða til að fruman verði illkynja og æxli myndist. Hvítblæði, skjaldkirtils- og beinkrabbamein koma fram hjá fólki fáeinum árum eftir geislun en mun lengri tíma tekur fyrir aðrar tegundir krabbameins að koma fram. Þegar svo langur tími líður er nær ómögulegt að segja fyrir um upprunalega ástæðu krabbameinsins með fullri vissu.

Mikilvægustu geislavirku samsæturnar í umhverfinu eru plútóníum (Pu-240), joð (I-131), sesíum (Cs-137), strontíum (Sr-90) og trítíum (H-3).

Plútóníum (Pu-240)

Plútóníum er silfurlitur þungmálmur. Plútóníum fyrirfinnst í sáralitlu magni í náttúrunni en styrkur þess hefur aukist þar sem það var í sprengjunni sem varpað var á Nagasaki og vegna kjarnorkutilrauna, auk þess sem það losnaði út í andrúmsloftið í slysunum í Chernobyl og Fukushima. Plútóníum sem hefur losnað í fjölmörgum kjarnorkutilraunum hefur gereyðilagt stór landssvæði. Plútóníum sendir frá sér α-geislun og breytist auðveldlega í U-235 sem umbreytist einnig auðveldlega með tilheyrandi geislun. Helmingunartími plútóníums er 24.000 ár sem er gríðarlega langt á tímaskala okkar mannfólksins þó svo að hann blikni í samanburði við helmingunartíma U-235 sem er 700 milljón ár. Því þarf að koma plútóníum fyrir djúpt í jarðlögum eða brenna það upp í kjarnorkuverum. Plútóníum er mjög eitrað eins og aðrir þungmálmar, jafnvel eitraðra en úraníum. Leysni plútóníums er hins vegar frekar lág og efnið hlutfallslega óhreyfanlegt, þ.e. það flyst ekki mikið til í umhverfinu. Efnið berst frekar inn í líkamann með innöndun en með fæðu og getur sest á bein og líffæri á borð við lifur og lungu. Líffræðilegur helmingunartími þess er nokkrir áratugir.

Joð (I-131)

Joð lítur út eins og málmur þrátt fyrir að vera halógen. Joð er ekki eins hvarfgjarnt og aðrir halógenar, en frekar rokgjarnt og verður að fjólublárri lofttegund við uppgufun. Helmingunartími I-131 er 8 dagar og því er joð hágeislavirkt. Joð sendir frá sér γ- og β-geislun. Geislavirkt joð hefur borist í talsverðu magni út í andrúmsloftið í kjölfar slysa og kjarnorkutilrauna. Joð er mjög hreyfanlegt í umhverfinu, það fellur til jarðar með geislavirku úrfelli, sest á lauf plantna og er einnig tekið upp af plöntum um rótarkerfi. Joð, sem fellur á gras sem bitið er af mjólkandi dýrum, kemur fram í mjólkinni aðeins nokkrum klukkustundum síðar. Fólk er útsett fyrir geislavirku joði ef það borðar mengaðar afurðir. Joðið sest í skjaldkirtilinn og getur valdið þar krabbameini og þá er fólk sem er með joðskort fyrir í sérstaklega mikilli hættu.

Sesíum (Cs-137)

Sesíum er alkalímálmur. Geislavirkt sesíum myndast við margs konar kjarnasundrunarhvörf og losnaði t.a.m. í miklu magni í Chernobyl-slysinu. Helmingunartími sesíums er rétt rúm 30 ár og það sendir frá sér bæði γ- og β-geislun. Geislavirkt sesíum hafði ekki verið í umhverfinu í 1,7 milljarð ára þegar nýting kjarnorku hófst en sesíum er ein helsta ástæða geislamengunar í kjölfar kjarnorkutilrauna og -slysa. Sesíum mun einnig – ásamt strontíum og plútóníum – verða helsta uppspretta geislunar frá kjarnorkuúrgangi næstu rúmlega 100 ár. Sesíum dreifist ekki jafnauðveldlega og joð. Geislavirkt sesíum berst þó smám saman í jarðveg og er tekið upp af plöntum og getur því borist í fæðukeðjuna. Vegna tiltölulega langs helmingunartíma er það marga áratugi í umhverfinu á meðan geislavirkt joð er að mestu horfið innan nokkurra mánuða. Sesíum hegðar sér líkt og kalíum og er tekið upp af vöðvum líkamans.

Strontíum (Sr-90)

Strontíum er jarðalkalímálmur. Geislavirkt strontíum (Sr-90) er ásamt Cs-137 eitt mikilvægasta efnið sem myndast við kjarnasundrunarhvörf og losnaði t.a.m. í miklu magni í slysunum í Chernobyl og Fukushima. Helmingunartími Sr-90 er um 29 ár. Það sendir frá sér β-geislun. Strontíum dreifist minna en sesíum vegna þess að það er ekki eins rokgjarnt. Þar sem strontíum sendir ekki frá sér γ-geislun er erfitt að mæla það í umhverfinu og því er hegðun þess ekki vel kortlögð. Strontíum sendir frá sér β-geislun með stutta drægni og er því hættulegt ef það kemst í líkamann með fæðu eða innöndum. Strontíum hegðar sér líkt og kalsíum. Efnið er tekið upp af beinum líkamans og getur valdið beinkrabbameini eða hvítblæði ef mænan verður fyrir geislun. Strontíum barst með menguðu vatni í sjóinn við Fukushima eftir slysið þar. Hreinsibúnaðurinn sem hreinsar geislavirkar samsætur úr menguðu vatninu hafði hreinsað sesíum úr vatninu í þónokkurn tíma áður en hreinsun á strontíum hófst.

Trítíum (H-3)

Trítíum er vetnissamsæta með tveimur nifteindum. Mikið magn trítíummengaðs vatns hefur fallið til eftir slysið í Fukushima. Helmingunartími trítíums er 12,3 ár. Það sendir frá sér β-geislun en orka geislunarinnar er mjög lítil. Trítíum er mjög hreyfanlegt í umhverfinu. Það getur bundist súrefni og myndað vatn og kemst því auðveldlega í líkama manna. Líffræðilegur helmingunartími í líkamanum er hins vegar aðeins 10 dagar, sem þýðir að það skolast frekar hratt út. Vegna þessa stutta helmingunartíma og þess hve orka geislunarinnar er lítil – auk þess sem trítíum sendir ekki frá γ-geislun – eru eituráhrif þess tiltölulega lítil. Hreinsibúnaðurinn sem hreinsar geislavirkar samsætur úr menguðu vatni í Fukushima nær ekki að hreinsa trítíum úr vatninu þar sem sameindin er svo lítil. Geislavirkt trítíum hefur því borist í talsverðu mæli í Kyrrahafið eftir slysið.