Strahlenexposition

mini|hochkant=2|Natürliche und künstliche Strahlenbelastungen

Als Strahlenexposition oder auch Strahlenbelastung 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 Zur Quantifizierung der Strahlenexposition von Menschen verwendet man den Begriff der Strahlendosis.

Als Energiedosis D (SI-Maßeinheit Gray mit dem Einheitenzeichen Gy) bezeichnet man die spezifische Energiemenge, die von einer bestimmten Materiemenge durch Absorption der Strahlung aufgenommen wird. Wird von einem Organ mit einer Masse mT (SI-Maßeinheit kg) eine bestimmte Energie E (SI-Maßeinheit J) absorbiert, so wird der Quotient als Organenergiedosis DT,R bezeichnet:

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 Organäquivalentdosis (früher Organdosis). Die SI-Maßeinheit ist das Sievert mit dem Einheitenzeichen Sv. Anzumerken ist, dass die Wichtungsfaktoren (zum Beispiel für Belastung durch Neutronenstrahlung) nicht unumstritten sind.

Als dritter Schritt in diesem System ist noch die unterschiedliche Strahlenempfindlichkeit der Organe und Gewebe zu berücksichtigen. Die Haut des Menschen ist beispielsweise weniger empfindlich gegenüber einer Strahlenexposition als verschiedene innere Organe. Daher führt man den Begriff der effektiven Dosis ein, bei der durch organ- bzw. gewebespezifische Faktoren deren Empfindlichkeiten Rechnung getragen wird. Die effektive Dosis ist die Summe der gewichteten Organäquivalentdosen 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 Empfindlichkeit der bestrahlten Organe die Rechengröße effektive Dosis ermittelt. Dieser Wert kann verwendet werden, um die Folgen der Strahlenbelastung abzuschätzen.

Die Strahlenbelastung wird in Europa auf der Basis von Artikel 35 des Euratom-Vertrags (EAGV) beziehungsweise Absatz 1 des Strahlenschutzgesetzes (StrlSchG) in Deutschland, mit Hilfe von Gamma-Ortsdosisleistungs-Messnetzen erfasst. In Deutschland betreibt das Bundesamt für Strahlenschutz hierzu das ODL-Messnetz mit etwa 1800 Sonden. Die radiologische Gefährdungslage beschreibt die Bewertung der Gefahren ionisierender Strahlung.

Strahlenexposition durch natürliche Quellen mini|hochkant=1.8|Mittlere Strahlenexposition (Dosisleistung in µSv/h) außerhalb von Gebäuden in Deutschland, Österreich, Liechtenstein und der Schweiz. Die Karte zeichnet die Oberflächengeologie nach: Niedrige Werte im eiszeitlich geprägten Norden Deutschlands, mittlere und hohe Werte in den Mittelgebirgen und im Alpenraum, insbesondere dort, wo kristallines Grundgebirge zutage tritt.

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 der Flughöhe und der geographischen Breite des Fluges; im Innern eines Flugzeuges in 10 bis 12 Kilometer Höhe sind 5 µSv pro Stunde eine typische Dosisleistung. Bei einem Flug von Frankfurt nach Tokio wird man dadurch einer Strahlenbelastung in der Größenordnung 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. (englisch) Die Bevölkerungsdosis wurde auf ca. 40 kSv/a geschätzt (2000–2013).L.E. Alvarez, S.D. Eastham, S.R. Barrett: Radiation dose to the global flying population. J. Radiol. Prot. 36 (2016), S. 93–103. PMID 26769857 doi:10.1088/0952-4746/36/1/93 Wegen der kosmischen Strahlung (Höhenstrahlung) zählt das fliegende Personal zu den Berufsgruppen mit der höchsten mittleren Strahlenexposition. Mit durchschnittlich 2,35 Millisievert effektiver Dosis pro Person lag die mittlere Strahlenexposition im Jahr 2009 um 20 Prozent höher als noch 2004. Die Bandbreite reichte von weniger als 0,2 Millisievert bis zu Spitzenwerten von sieben Millisievert pro Jahr. Die Höhenstrahlung veränderte sich während eines etwa elfjährlichen Zyklus mit der Sonnenaktivität und hat im Zeitraum von 2004 bis 2009 deutlich zugenommen.IDW-Online vom 18. August 2011

Eine weitere Strahlungsquelle sind die natürlichen Radionuklide in Böden und aufgeschlossenem Gestein, die als terrestrische Strahlung bezeichnet wird. Ursache sind primordiale Radionuklide, also solche, die vor der Entstehung des Sonnensystems gebildet wurden und aufgrund ihrer langen Halbwertzeit heute noch in merklichen Mengen vorhanden sind. Insbesondere plutonische Gesteine und speziell das aus einem stark differenzierten Magma hervorgehende Gestein Granit weisen nennenswerte Gehalte von Uran und Thorium auf.

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 40K. So enthält jeder Mensch selbst eine gewisse Menge natürlicher Radionuklide. Diese sind die Ursache für eine Aktivität von etwa 9.000 Becquerel (Bq) im Körper eines durchschnittlichen Menschen.Martin Volkmer: Radioaktivität und Strahlenschutz. Köln 2012, ISBN 978-3-926956-45-3, S. 56 (PDF; 14 MB).

Eine besondere Stellung unter den natürlichen Radionukliden nimmt das Radon ein. 222Rn ist ein radioaktives Edelgas, das aus dem Boden stammt und in geringer Konzentration praktisch überall vorkommt (siehe Radonbelastung). 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, in Österreich sind 400 Bq/m³ als Richtwert (wobei in zahlreichen Gegenden der Wert höher liegt), für Neubauten 200 Bq/m³ als Planungsrichtwert angegeben (ÖNORM S5280-2,3 und Natürliche Strahlenquellen-Verordnung NatStrV).Österreichische Fachstelle für Radon, Kompetenzzentrum Radioökologie und Radon (CC-RARA); Österreichischen Radon-Datenbank, vergl. Grenzwerte in:

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 ein und fünf Millisievert pro Jahr, in Österreich liegt die Belastung mit ionisierender Strahlung durchschnittlich bei etwa 100 nSv/h (70–200 nSv/h, Alarmpegel der Ortsdosisleistung ist 300 nSv/h), die Dosis also bei etwa 1 mSv/Jahr; einschließlich Radon sind es etwa 2,5 mSv/Jahr.vergl. , www.umweltnet.at und Begleitartikel Innerhalb Europas gibt es Dosen bis etwa 10 mSv pro Jahr. Eine der höchsten natürlichen Strahlenbelastungen weltweit findet sich im iranischen Ramsar mit einer durchschnittlichen jährlichen effektiven Dosis von ca. 7 mSv und Spitzenwerten von bis zu 131 mSv.

Übersicht: Kosmische Strahlung + Zunahme der Strahlenexposition durch kosmische Strahlung mit der Höhe, Abnahme des terrestrischen AnteilsHöhe über dem ErdbodenEffektive Dosis im Jahr300 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 m1,8 mSv3000 m1 mSv2000 m0,6 mSv kosmisch + ca. 1 mSv terrestrisch0 m0,3 mSv kosmisch + 0,5–2 mSv terrestrisch

+ Geschätzte Strahlenexposition pro Jahr im WeltallAufenthaltsort im AllEffektive Dosis im Jahrinterstellar300–700 mSvinterplanetar≈ 200 mSv (bei ruhiger Sonne)Mond≈ 100 mSv (bei ruhiger Sonne)

Strahlenbelastung pro Jahr von Bauteilen im Weltraum: LEO: je nach Bahn und Höhe: 5–20 Gy/a Van-Allen-Strahlungsgürtel: 500 Gy/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 jeher 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.Reza Fazel et al.: Exposure to low-dose ionizing radiation from medical imaging procedures. In: New Engl. J. Med. 361, Nr. 9, 2009, S. 849–857, PMID 19710483; Zitiert nach: H. S. Füeß: Strahlenbelastung durch Bildgebung nicht ohne. In: MMW-Fortschr. Med. 151, Nr. 51–52, 2009, S. 25.