Strahlenexposition

Als Strahlenbelastung oder auch Strahlenexposition bezeichnet man die Einwirkung von ionisierender Strahlung auf Lebewesen oder auf Materie. Im Gegensatz zum Begriff Strahlenexposition setzt Strahlenbelastung im Sprachgebrauch des Strahlenschutzes eine schädigende Wirkung voraus.

Quantifizierung der Strahlenexposition

Natürliche und künstliche Strahlenbelastungen

Zur Quantifizierung der Strahlenexposition von Menschen verwendet man den Begriff der Strahlendosis.

Als Energiedosis D (SI-Maßeinheit Gy) bezeichnet man die spezifische Energiemenge, die von einer bestimmten Materiemenge durch Absorption der Strahlung aufgenommen wird. Wird von einem Organ mit einer Masse m_T (SI-Maßeinheit kg) eine bestimmte Energie E (SI-Maßeinheit J) absorbiert, so wird der Quotient ${}_{\frac {E}{m_{T}}}$ als Organenergiedosis D_T,R bezeichnet:

$D_{\mathrm {T,R} }={\frac {E}{m_{\mathrm {T} }}}$

Um die Wirkung der Strahlung auf den menschlichen Körper auszudrücken, reicht die Angabe der Energiedosis nicht aus, da die verschiedenen Strahlungsarten bei gleicher Energiemenge im Körpergewebe unterschiedliche biologische Wirkungen haben. Die biologischen Wirksamkeiten werden durch Strahlungswichtungsfaktoren berücksichtigt. Das Produkt aus Organenergiedosis und Wichtungsfaktor heißt Organdosis (früher Äquivalentdosis). Die SI-Maßeinheit ist das Sv. Anzumerken ist, dass die Wichtungsfaktoren (zum Beispiel für Belastung durch Neutronenstrahlung) nicht unumstritten sind.

Als dritter Schritt in diesem komplexen System von Begriffen und Maßeinheiten ist noch die unterschiedliche Strahlenempfindlichkeit der Organe und Gewebe zu berücksichtigen. Die Haut des Menschen ist beispielsweise weit weniger empfindlich gegenüber einer Strahlenexposition als verschiedene innere Organe. Daher führt man den Begriff der effektiven Dosis ein, bei der durch organspezifische Faktoren deren Empfindlichkeiten Rechnung getragen wird. Die effektive Dosis ist die Summe der gewichteten Organdosen aller einzelnen Organe und ein Maß für das Risiko, das durch die Strahlung verursacht wird. Die Angabe einer Strahlendosis ohne genauere Bezeichnung bezieht sich meistens auf die effektive Dosis. Mit der effektiven Dosis wird das Auftreten von stochastischen Strahlenschäden quantifiziert.

Vereinfacht gesagt wird also aus der vom Körper aufgenommenen Energiedosis durch Gewichtung der biologischen Gefährlichkeit der Strahlenart und der Gefährdung der belasteten Organe die Rechengröße effektive Dosis ermittelt. Dieser Wert kann verwendet werden, um die Folgen der Strahlenbelastung abzuschätzen.

Strahlenexposition durch natürliche Quellen

Strahlenexposition in Deutschland

Die gesamte Welt und damit auch die Menschen sind ständig ionisierender Strahlung ausgesetzt. Die Ursache dafür sind natürliche Strahlenquellen, die unabhängig vom Menschen entstanden sind und existieren.

Aus dem Weltall gelangt kosmische Strahlung auf die Erde. Aufgrund der schützenden Lufthülle ist die Stärke von der Höhenlage abhängig. Im Durchschnitt führt die kosmische Strahlung am Boden zu einer effektiven Dosis von etwa 300 µSv pro Jahr. Reist man mit einem Flugzeug, so reduziert sich die Schutzwirkung der Lufthülle, in Abhängigkeit von Flughöhe und geographischen Breite des Fluges, im Innern eines Flugzeuges in 10 – 12 km Höhe sind 5 µSv pro Stunde eine typische Dosisleistung. Bei einem Flug von Frankfurt nach Tokio wird man dadurch einer Strahlenbelastung im Bereich von 60 µSv (beim Flug in niedrigen Breiten, etwa über Indien) bis über 100 µSv (beim Flug über den Pol, wo das Erdmagnetfeld weniger schützend ist) ausgesetzt.

Eine weitere Strahlungsquelle sind die natürlichen Radionuklide in den Böden und Gesteinen der Erdkruste, die als terrestrische Strahlung bezeichnet wird. Ursache sind Radionuklide, die vor der Entstehung des Sonnensystems gebildet wurden und nun aufgrund ihrer langen Halbwertzeit noch übrig geblieben sind. Auffallend ist der hohe Gehalt von Uran und Thorium in Monazit. Der Mittelwert der effektiven Dosis beträgt ebenfalls etwa 300 µSv pro Jahr.

Aus dem Boden gelangen die natürlichen Radionuklide in Wasser, Pflanzen und Tiere und damit in die Nahrung des Menschen. Alle Nahrungsmittel und auch das Wasser enthalten geringe Konzentrationen natürlicher Radionuklide. Am häufigsten ist das radioaktive Element Kalium-40. Dies führt dazu, dass auch der Mensch selbst eine gewisse Menge natürlicher Radionuklide enthält. Diese sind die Ursache für eine Aktivität von etwa 9.000 Becquerel (Bq) im Körper eines Menschen.

Eine besondere Stellung unter den natürlichen Radionukliden nimmt das Radon ein. Radon-222 ist ein radioaktives Edelgas, das aus dem Boden stammt und in geringer Konzentration praktisch überall vorkommt. Es entsteht aus dem Zerfall von Uran und zerfällt selbst in eine Reihe weiterer Nuklide. Im Freien wird es rasch verdünnt, in Wohnungen kann es sich jedoch unter Umständen zu höheren Konzentrationen anreichern, insbesondere in einigen Gebieten Deutschlands, in denen besondere geologische Verhältnisse existieren. Die durchschnittliche Radonkonzentration in Wohnungen beträgt in Deutschland etwa 50 Bq/m³.

Insgesamt beträgt die effektive Dosis des Menschen durch natürliche Quellen etwa 2,4 mSv pro Jahr, etwa die Hälfte davon wird durch das Radon verursacht. Der Wert schwankt jedoch regional und liegt in Deutschland zwischen 1 und 5 mSv pro Jahr. Innerhalb Europas gibt es Dosen bis etwa 10 mSv pro Jahr. Die höchste natürliche Strahlenbelastung weltweit findet sich im iranischen Ramsar mit einer jährlichen effektiven Dosis von ca. 200 mSv.

Zunahme der Strahlenexposition durch kosmische Strahlung mit der Höhe, Abnahme des terrestrischen Anteils

Höhe über dem Erdboden	Effektive Dosis im Jahr
300 km (außerhalb des Space Shuttles)	400…500 mSv (bei ruhiger Sonne)
300 km (Space Shuttle)	100…200 mSv (bei ruhiger Sonne)
10 km (Flugzeug-Reisehöhe)	40 mSv (bei Daueraufenthalt)
3800 m	1,8 mSv
3000 m	1 mSv
2000 m	0,6 mSv kosmisch + ca. 1 mSv terrestrisch
0 m	0,3 mSv kosmisch + 0,5 – 2 mSv terrestrisch

Geschätzte Strahlenexposition pro Jahr im Weltall

Aufenthaltsort im All	Effektive Dosis im Jahr
interstellar	300…700 mSv
interplanetar	≈ 200 mSv (bei ruhiger Sonne)
Mond	≈ 100 mSv (bei ruhiger Sonne)

Strahlenbelastung pro Jahr von Bauteilen im Weltraum:

• LEO: je nach Bahn und Höhe: 0,5–2 krad/a (10 Gy/a)
• Van-Allen-Strahlungsgürtel: 50 krad/a

Strahlenexposition durch künstliche Quellen

Bildgebende Verfahren in der Medizin

Mit der Entwicklung von Industrie, Forschung und Medizin hat sich der Mensch in zunehmendem Maße radioaktive Stoffe und ionisierende Strahlung nutzbar gemacht. Diese sind Ursache einer zusätzlichen, so genannten zivilisatorischen Strahlenexposition. Der weitaus größte Teil davon ist der Medizin zuzurechnen, vor allem der diagnostischen Anwendung der Röntgenstrahlung und in der Nuklearmedizin. Bei den meisten Untersuchungen treten Dosen auf, die mit jenen vergleichbar sind, die der Mensch seit je durch natürliche Strahlenquellen aufnimmt. Insgesamt beträgt die effektive Dosis durch medizinische Anwendungen im Durchschnitt etwa 1,9 mSv pro Jahr. Den höchsten Anteil an der medizinischen Strahlenexposition hat die Computertomographie. 6,1 % aller medizinischen Aufnahmen sind vom Computertomographen, der Anteil an der Strahlenexposition liegt aber bei 51,9 %. Eine Computertomographie des Bauchraumes führt zu einmaligen Expositionsdosen von 10 - 25 mSv.

In einer retrospektiven Kohortenstudie wurden in den Regionen Arizona, Dallas, Orlando, Florida und Wisconsin zwischen 1. Januar 2005 und 31. Dezember 2007 die kumulativen effektiven Strahlendosen von 952.420 Personen zwischen 18 und 64 Jahren errechnet. In diesem Zeitraum unterzogen sich 655.613 Versicherte (68,8 %) mindestens einem bildgebenden medizinischen Verfahren mit Strahlenexposition. Die durchschnittliche kumulative effektive Dosis durch die Bildgebung betrug 2,4 ± 6,0 mSv pro Versicherten und Jahr. Einer moderaten effektiven Dosis zwischen 3 und 20 mSv waren 193,8 pro 1000 Versicherten und Jahr ausgesetzt. Dies entspricht der Größenordnung, wie sie bei berufsmäßig strahlenexponierten Personen im Gesundheitswesen und in der Nuklearindustrie, die sich unter laufender Kontrolle befinden, erreicht werden darf. Bei Patienten erfolgt diese Kontrolle allerdings nicht. Hohe effektive Expositionen zwischen 20 und 50 mSv wurden bei 18,6 und sehr hohe Belastungen über 50 mSv bei 1,9 pro 1000 Versicherten und Jahr errechnet. Im Allgemeinen beobachtete man eine Zunahme der Strahlendosis mit zunehmendem Lebensalter, wobei Frauen noch stärker belastet waren als Männer. Computertomografien und nuklearmedizinische Untersuchungen trugen zu 75,4 % zur kumulativen effektiven Dosis bei. 81,8 % der gesamten Strahlendosis wurde bei ambulanten Untersuchungen appliziert.

Deutschland nimmt mit etwa 1,3 Röntgenaufnahmen pro Einwohner und Jahr einen Spitzenplatz ein. Die medizinische Anwendung von ionisierender Strahlung führt zu einer zusätzlichen Strahlenexposition von grob 2 mSv/a pro Einwohner. Auf diese lassen sich theoretisch 1,5 % der jährlichen Krebsfälle zurückführen.

Kerntechnische Anlagen

Ein weiterer, allerdings sehr geringer Teil der zivilisatorischen Strahlenexposition ist auf den Normalbetrieb von kerntechnischen Anlagen, beispielsweise Kernkraftwerken, zurückzuführen. Technisch bedingt gelangen beim Betrieb von Kernkraftwerken geringe Mengen radioaktiver Stoffe über den Kamin in die Luft oder werden über das Abwasser in die Umgebung abgegeben. Die daraus resultierende effektive Dosis liegt in der Praxis im Mittel unter 10 µSv, das heißt erheblich unterhalb der natürlichen Strahlenexposition.

Deutlich größer können die Belastungen bei gravierenden Unfällen sein. Für das erste Jahr nach dem Reaktorunglück von Tschernobyl wurde eine zusätzliche durchschnittliche effektive Dosis von 1,0 mSv in Bayern und 0,1 mSv in Nordrhein-Westfalen errechnet. Die derzeitige zusätzliche Strahlenexposition in Deutschland durch den Reaktorunfall beträgt noch ca. 16 µSv/a.

Bedeutsame Strahlenexpositionen können über die Nahrungskette erfolgen. Nach dem Reaktorunglück von Tschernobyl wurden beispielsweise in einigen Landkreisen Bayerns große Mengen Cs-137 durch Starkregen ausgefällt. Während Ackerboden kaum noch belastet ist, verbleibt das Cs-137 in den oberen Schichten des Waldbodens und kann beträchtliche Belastung von Pilzen bewirken. Die höchsten 2008 durch das Bayerische Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit gemessenen Werte lagen bei 10000 Bq/kg. Die orale Aufnahme von 1000 Bq Cs–137 bewirkt eine Belastung von 14 µSv.

Weitere künstliche Quellen

Von kerntechnischen Unfällen einmal abgesehen, ist die Strahlenbelastung des Menschen durch Gewinnung und Einsatz von Kohle deutlich höher als diejenige durch Kernkraftwerke. In Kohle sind Spuren verschiedener radioaktiver Substanzen enthalten, vor allem von Radon, Uran und Thorium. Bei der Kohleförderung, vor allem aus Tagebauen, über Abgase von Kraftwerken oder über die Kraftwerksasche werden diese Substanzen freigesetzt und tragen über ihren Expositionspfad zur künstlichen Strahlenbelastung bei. Dabei ist vor allem die Bindung an Feinstaubpartikel besonders kritisch. In der Umgebung von Kohlekraftwerken können z. T. höhere Belastungen gemessen werden als in der Nähe von Kernkraftwerken. Die weltweit jährlich alleine für die Stromerzeugung verwendete Kohle enthält unter anderem etwa 10.000 t Uran und 25.000 t Thorium. Nach Schätzungen des Oak Ridge National Laboratory werden durch die Nutzung von Kohle zwischen 1940 bis 2040 weltweit 800.000 t Uran und 2 Mio. t Thorium freigesetzt werden.

Kernwaffentests fallen mittlerweile mit ca. 5 µSv (in Deutschland) nicht mehr stark ins Gewicht. In den 1960er Jahren dagegen war die Strahlenexposition für Mitteleuropäer höher als nach dem Unfall in Tschernobyl.

Eine weitere Strahlenquelle sind Zigaretten. Das Rauchen von täglich 20 Zigaretten führt laut einer Studie mit griechischen Tabakblättern zu einer mittleren jährlichen Strahlenbelastung in Höhe von 290 µSv durch Polonium (²¹⁰Po) und radioaktives Blei (²¹⁰Pb). Andere Quellen sprechen von einer gesamten Strahlenbelastung in Höhe von 70 µSv pro Zigarette in der Partikelphase. Davon werden zwischen 40 und 70 % im Filter zurückgehalten.

Von den 1950ern bis in die 1980er Jahre war der Schutz und die Schutzvorschriften gegen die Röntgenstrahlung aus militärischen Radargeräten weitgehend unzureichend, was zu Gesundheitsschäden bei einer größeren Anzahl von Soldaten führte.

Schutz vor ionisierender Strahlung

Da die Wirkungen auf rein statistischen Werten beruhen, kann man nur schwer Grenzwerte für die Normalbevölkerung festlegen. In der Praxis legt man dafür die Schwankungsbreite der natürlichen Strahlenexposition zu Grunde. Jeder Grenzwert ist auch ein gesellschaftlich relevanter Wert. Das bedeutet, dass die gesetzlichen Werte nur so hoch sein können, wie sie die menschliche Gesellschaft akzeptiert.

Für den Schutz der Bevölkerung und der Umwelt vor Strahlung aus der gezielten Nutzung von Radioaktivität ist folgender Grenzwert (effektive Dosis) in der europäischen Richtlinie 96/29/EURATOM und der deutschen sowie der schweizerischen Strahlenschutzverordnung (StrlSchV) festgelegt:

• 1 mSv pro Jahr für Personen der allgemeinen Bevölkerung (damit sollen auch speziell strahlenempfindliche Segmente wie keimendes Leben oder Kinder abgedeckt sein).

Für volljährige Personen (mit Ausnahme von schwangeren Frauen), die beruflich strahlenexponiert sind, gelten nach den o. g. Rechtsnormen folgende Grenzwerte (effektive Dosis):

• 20 mSv pro Jahr
• 50 mSv pro Jahr (Einzelfall)

Nach der österreichischen Strahlenschutzverordnung werden die beruflich strahlenexponierten Personen in zwei Kategorien eingeteilt:

• Personen der Kategorie A: Sie dürfen eine maximale Jahresdosis von über 6 mSv erreichen, müssen aber jährliche ärztliche Untersuchungen durchführen lassen. Es ist jener Personenkreis, der sich regelmäßig in Kontrollbereichen aufhält.
• Personen der Kategorie B dürfen maximal 6 mSv erhalten und müssen laufend dosimetriert werden. Sie dürfen sich maximal dauernd im Überwachungsbereich aufhalten.

Wichtig sind aber auch Grenzwerte, die für Hilfsdienste festgelegt werden, da diese naturgemäß höher sein müssen, wenn es um die Rettung von Menschenleben oder besondere Sachwerte geht. So wurden in Österreich nach dem Strahlenschutzgesetz für Einsatzkräfte bei Personengefährdung und Hilfeleistung folgende Grenzwerte festgelegt und u. a. vom Österreichischen Bundesfeuerwehrverband übernommen:

• 15 mSv im normalen Feuerwehreinsatz (Einsatzdosis)
• 100 mSv zur Lebensrettung - dieser Wert darf einmal pro Jahr aufgenommen werden (Lebensrettungsdosis)
• 250 mSv im Katastrophenfall, diese darf nur einmal im Leben aufgenommen werden (Katastrophendosis).

Die gleichen Grenzwerte haben in Deutschland Eingang in die Feuerwehr-Dienstvorschrift FwDV 500 „Einheiten im ABC-Einsatz“ gefunden.

Die Berufslebensdosis für strahlenexponierte Personen soll 0,4 Sv, für Astronauten 1–4 Sv nicht überschreiten.

Tabellen

Die folgende Tabelle zeigt Art und Ausmaß verschiedener Arten von Strahlenexpositionen. Bei den Zahlenangaben handelt es sich um Mittelwerte. Abweichungen nach oben und unten sind je nach Wohnort, Tätigkeit etc. möglich. Für die Bundesrepublik Deutschland werden diese Werte in einem jährlichen Parlamentsbericht veröffentlicht.

Art der Strahlenquelle	Effektive Dosis im Jahr
Natürliche Strahlenquellen
Kosmische Strahlung (auf Meeresniveau)	0,3 mSv
Terrestrische Strahlung Äußerliche Bestrahlung Einatmen von Radon sonstige innere Strahlung	0,4 mSv 1,1 mSv 0,3 mSv
Summe natürliche Strahlenquellen	≈ 2 mSv
Künstliche Strahlenquellen
Medizinische Anwendungen	1,9 mSv
Kernkraftwerke (Normalbetrieb)	< 10 µSv
Folgen des Tschernobyl-Unfalls	< 16 µSv
Atombombenversuche	< 10 µSv
Sonstige künstliche Strahlung	< 20 µSv
Summe künstliche Strahlenquellen	≈ 2 mSv
Summe nat. + künstl. Strahlenquellen	≈ 4 mSv

Beispiele für Einzeldosen

Art der Exposition	Einzeldosis
	Herddosis (Zielgewebe) (Angaben in mGy)
Strahlentherapie bei Krebs	30.000–70.000
Radioiodtherapie bei gutartigen Erkrankungen	120.000–400.000
	Äquivalentdosis (Ganzkörper) (Angaben in mSv)
Schwellendosis für akute Strahlenschäden	250
Strahlentherapie	30–70
Computertomographie (Brustkorb)	20
Flugzeugreise (8 h, Höhe 12 km)	0,04 – 0,1
Röntgenaufnahme (Schädel)	0,1

Siehe auch

• Hormesis
• Matroschka (Strahlungsmessung)
• Strahlenkrankheit

Quellen

• Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit: Umweltradioaktivität und Strahlenbelastung
  • Jahresbericht 2009 (PDF-Datei; 1,69 MB)
  • Jahresbericht 2008 (PDF-Datei; 1,74 MB)
  • Jahresbericht 2007 (PDF-Datei; 1,2 MB)
  • Jahresbericht 2006 (PDF-Datei; 1,18 MB)
  • Jahresbericht 2005 (PDF-Datei; 942 kB)
  • Jahresbericht 2004 (PDF-Datei; 811 kB)
• Bundesamt für Strahlenschutz: Strahlung und Strahlenschutz (Informationsbroschüre, 1998)
• Physik für Gymnasien; Berlin, 1991. Siehe unter Strahlenbelastung (S. 434)
• Microsoft Encarta '99, Stichwort: Strahlenwirkungen, biologische
• Feuerwehr-Dienstvorschrift FwDV 500 "Einheiten im ABC-Einsatz" (Stand: August 2004) (PDF-Datei; 2,91 MB)

Weblinks

• Umweltradioaktivität und Strahlenbelastung: Jahresbericht 2009 des Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit
• Abschätzung der Strahlendosis bei einer Flugreise
• Das "Glossar Strahlenschutz" des Forschungszentrums Jülich (Sicherheit und Strahlenschutz) erläutert viele Begriffe auf dem praktischen Strahlenschutz und ist speziell für Personen erstellt, die beruflich mit Strahlung umgehen.
• Aufsatz von Dr. Roth „Inwieweit lebt der Mensch ständig unter Strahlenbelastung?“ (energie-fakten.de)
• Interview mit Prof. Dr. Hoffmann „Radioaktive Strahlung ist gefährlicher als bislang angenommen“ (IPPNW)
• Langzeitbeobachtung der Dosisbelastung der Bevölkerung in radioaktiv kontaminierten Gebieten Weißrusslands – Korma-Studie (H. Dederichs, J. Pillath, B. Heuel-Fabianek, P. Hill, R. Lennartz), Verlag Forschungszentrum Jülich 2009, ISBN 978-3-89336-562-3, 2004 (PDF-Dokument)
• Graphische Übersicht über die Größenordnungen von Strahlungsdosen (Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit, GRS)