Kosmische Strahlung

Bei der Durchführung der Mission lag unser Fokus auf der Messung der kosmischen Strahlung, um daraus schlussfolgern zu können, wie sich diese auf Flugpersonal oder andere Personen, die oft fliegen, auswirkt. Dazu muss man erstmal verstehen, was kosmische Strahlung genau ist und welche Schäden sie im Allgemeinen im menschlichen Körper hervorrufen kann.


Kosmische Strahlung

Kosmische Strahlung besteht aus hochenergetischen Teilchen, die aus dem Weltall kommen [1]. Es handelt sich hierbei um Ionen, in über 90% um Wasserstoffionen (Protonen). Weitere Teilchen sind schwerere Ionen wie Heliumkerne (α-Teilchen). Begleitet werden diese Teilchen von Gammastrahlung. Quelle der kosmischen Strahlung sind die Sterne. Hier herrschen Temperaturen, welche zum einen die Trennung der positiven Atomkerne und negativen Elektronen eines Teilchens zur Folge haben, zum anderen für hinreichend große Bewegungsenergie sorgen, sodass die Ionen emittiert werden. Aufgrund ihrer Größe werden größere Ionen bereits in sehr großen Höhen absorbiert. Somit spielen bei der Frage nach der biologischen Wirksamkeit kosmischer Strahlung auf den Menschen in Flughöhen (10km bis 15km) nur die Protonen eine entscheidende Rolle.

Des Weiteren muss man differenzieren zwischen primärer und sekundärer Strahlung. Die Teilchen aus dem Kosmos bilden die primäre Strahlung. Gelangen sie in die Atmosphäre, werden sie von Luft-Teilchen, hauptsächlich Sauerstoff und Stickstoff, absorbiert. Das bedeutet, dass die primären Teilchen auf die Atome in der Atmosphäre treffen und ihre Energie an sie abgeben. Diese ist ausreichend, um Teilchen zu spalten, sogar einzelne Nukleonen. Die neu entstandenen Teilchen können nun weitere Teilchen spalten. Durch diesen fortlaufenden Teilchenzerfall entsteht ein Teilchenzoo aus vielen verschiedenen Teilchen, den sekundären Teilchen. Viele von ihnen besitzen eine Lebensdauer von nur Bruchteilen einer Sekunde. Letztendlich sind es Protonen, Neutronen, Elektronen, Myonen und Photonen (Gammastrahlung), die in unteren Schichten der Atmosphäre entscheidend sind. Die Absorption der Protonen nimmt mit der Dichte der Atmosphäre und somit der Nähe an der Erdoberfläche zu, sodass die primäre Strahlung im Gegensatz zu der sekundären auf der Erdoberfläche nicht nachweisbar ist. Ab ungefähr 20km Höhe werden die meisten primären Protonen absorbiert. Folglich ist die Strahlung in dieser Höhe am größten, da sie sich aus hochenergetischer primärer sowie sekundärer Strahlung zusammensetzt.


Biologische Wirksamkeit

Treffen Teilchen auf den menschlichen Körper, werden sie zumindest teilweise von ihm absorbiert. Dabei übertragen sie Energie, was unterschiedliche Folgen haben kann. So ist es möglich, dass durch den Stoß Moleküle ionisiert werden, indem Elektronen aus ihnen entfernt werden. Dies führt zu einer erhöhten Reaktivität des Moleküls, welche nicht kontrollierbar ist. Bei ungünstiger Reaktion kann es zu Zell-, Enzym- oder sogar Erbgutschäden kommen. Zudem ist es möglich, dass Elektronenpaarbindungen in Molekülen zerstört werden und das Molekül in zwei hochreaktive Radikale gespalten wird. Die weiteren Folgen sind dieselben wie nach einer Ionisierung.

Um Vorhersagen über die tatsächlichen Schädigungen durch eine Strahlenbelastung machen zu können, führt man die Energiedosis D ein [2]. Hierfür wird angenommen, dass eine Masse m bestrahlt wird. Ein Teil dieser Strahlung wird in ihr absorbiert und überträgt ihre Energie E auf die Masse, was Schäden hervorrufen kann. Je größer die Energie der Strahlung ist, desto größer ist auch der potentielle Schaden. Mit steigender Masse hingegen sinkt die Signifikanz der Energie. Somit wird die Energiedosis berechnet durch $ D = \frac{E}{m} $,    $ [D]=1 \frac{J}{kg}=1 Gy $. Um die absorbierte Energie E zu berechnen, benötigt man die Ionendosis J [3]. Sie ist der Quotient aus der Ladung Q welche durch die absorbierten Teilchen entsteht, und der Masse m. Q lässt sich durch ein Zählrohr einfach bestimmen: Sie entspricht der Anzahl der gemessenen Ionisierungen im Zählrohr und ist gleichwertig mit der Anzahl der eingetroffenen Teilchen. Diese muss jedoch in Energie umgerechnet werden. Dazu untersucht man die notwendige Energie, um Ionen mit der Gesamtladung von einem Coulomb in einem bestimmten Medium zu erzeugen. Diese Energie entspricht dann derjenigen, welche ein Coulomb erzeugte Ladung besitzt, welche letztendlich aus der eingetroffenen kosmischen Strahlung kommt. Es gilt folglich die Beziehung $ D = f \cdot J$, wobei f abhängig ist vom Medium. In Luft entspricht f ungefähr dem Wert 35 $ \frac{J}{C} $. Die Energiedosis kann in manchen Fällen bereits aussagekräftig sein, sie berücksichtigt jedoch eine wichtige Größe nicht: die unterschiedliche Schädlichkeit verschiedener Teilchen. So sind Elektronen und Photonen viel weniger schädlich als Protonen und Neutronen, welche dieselbe Energie besitzen. Daher führt man die Äquivalentdosis H ein [4]. Es handelt sich hierbei um die gewichtete Energiedosis: $ H = Q \cdot D $,     $ [H]=[D]=1 \frac{J}{kg}=1Sv $

Dabei ist Q ein teilchenabhängiger Qualitätsfaktor, der jedem Teilchen zugeordnet werden kann (siehe Tabelle) [5].

Art der Strahlung
Qualitätsfaktor Q
Elektronen und Gammastrahlung
1
Protonen und Neutronen (Energieabhängig)
3-10
Alpha-Teilchen
20

Es sei noch gesagt, dass, werden nur einzelne Körperteile bestrahlt, die gewichtete Äquivalentdosis, die effektive Dosis, die unterschiedliche Verträglichkeit verschiedener Organe gegenüber Bestrahlung berücksichtigt. Da man jedoch davon ausgehen kann, dass jedes Organ des Körpers in einem Flugzeug gleichermaßen bestrahlt wird, entspricht die effektive Dosis hier der Äquivalentdosis.

Mithilfe der Äquivalentdosis ist es nun möglich, näherungsweise Aussagen über die Folgen von Bestrahlung zu machen. Dabei muss man unterscheiden zwischen stochastischen und deterministischen Schäden sowie zwischen somatischen und genetischen Schäden [6]. Deterministische Schäden treten jeweils ab einer bestimmten Dosis auf, die jeweiligen Folgen können demnach relativ gut vorhergesagt werden (siehe Tabelle) [7].

Ab Schwellendosis 0,25Sv
Erste klinisch erfassbare Bestrahlungseffekt:
Kurzzeitige Veränderungen im Blutbild, insbesondere Absinken der Lym-phozytenzahl
Ab Subletale Dosis 1Sv
Vorübergehende Strahlenkrankheit:
Nach 2-3 Wochen treten Haarausfall, wunder Rachen, Durchfall, purpurfarbene Hautflecke auf
Ab Mittelletale Dosis 4Sv
Schwere Strahlenkrankheit:
Große Infektionsneigung, Zusätzlich zu den Erscheinungen bei subletaler Dosis treten noch Fieber, innere Blutungen, Sterilität bei Männern, Zyklusstörungen bei Frauen auf; Bei fehlenden Therapiemaßnahmen ist bei Dosen über 5 Sv mit etwa 50% Todesfällen zu rechnen
Ab Letale Dosis 7Sv
Tödliche Strahlenkrankheit:
Bei fehlenden Therapiemaßnahmen fast 100% Todesrate

Das Auftreten von stochastischen Schäden kann nur anhand von Statistiken vorhergesagt werden. Mit größerer Dosis steigt lediglich die Wahrscheinlichkeit, dass bestimmte Schäden auftreten. Neben der Dosis muss man jedoch noch unterscheiden, wie oft die Bestrahlung auftritt, wie lange sie jeweils anhält und wie lange die Pause dazwischen ist. Bei einmaliger kurzer Bestrahlung lassen sich einfache Tabellen über die Symptome der entstandenen Schäden in Abhängigkeit der Dosis aufstellen. Hierbei handelt es sich um deterministische Schäden. Es sind jedoch sehr große Werte, bei denen solche Schäden erstmals auftreten, verglichen mit einer durchschnittlichen Jahresdosis in Deutschland von ca. 2,1mSv [8]. Bei einem Flug kann man bereits ohne Messungen davon ausgehen, dass solche Werte nicht vorkommen werden. Umso entscheidender sind für uns daher die stochastischen Schäden, welche bei jeder Dosis auftreten können. Dabei handelt es sich in jedem Fall um Spätschäden, welche auch einige Jahre später auftreten können. Meistens ist es Krebs, woran die Person erkrankt. Es lassen sich hier nur Diagramme erstellen, welche die Wahrscheinlichkeiten an einer bestimmten Krankheit zu erkranken in Abhängigkeit des Alters und der Strahlenbelastung darstellen. Die folgende Abbildung zeigt solche Diagramme, wobei der Gewichtungsfaktor der Strahlung gleich eins ist und die Energiedosis der Äquivalentdosis entspricht.



Messungen und Vergleiche

Mit dem Geiger-Müller-Zählrohr haben wir die Anzahl der Ionisationen pro 5 Sekunden gemessen. Im folgenden Diagramm ist dies in Abhängigkeit der Höhe aufgetragen:
Infolge der stochastischen Natur radioaktiver und kosmischer Strahlung schwanken die Werte sehr stark. Daher ist es sinnvoll, die Daten über längere Zeitintervalle zu mitteln und die Verteilung dadurch zu glätten. Bildet man für jede Höhe den Durchschnitt der Messwerte von 10 Werten davor und 10 danach, erhält man das folgende Diagramm:
Zunächst mussten die gemessenen Werte in eine Äquivalentdosis umgerechnet werden. Bei den tatsächlichen Messungen handelt es sich nämlich um die Anzahl der Ionisierungen in jeweils 5 Sekunden. Zwar könnte man nun mit den genannten Formeln die Äquivalentdosis berechnen, dazu benötigte man jedoch die Masse des Mediums im Zählrohr, sowie die Energie die benötigt wird, um einen Coulomb Ionen darin zu erzeugen. Der Hersteller hat daher einen Umrechnungsfaktor bereitgestellt, welcher die Zählungen pro Minute in Äquivalentdosis pro Stunde umrechnet. Er beträgt ca. 0,00812037. Damit lässt sich einfach die Äquivalentdosis berechnen, welche notwendig für weitere Rechnungen und Schlussfolgerungen ist.

Analysiert man die Anzahl der Messungen des Zählrohrs in Abhängigkeit der Höhe, dann stellt man fest, dass die kosmische Strahlung dieses Experiments nach bei ungefähr 17km Höhe am größten ist. Bis dahin steigt sie, ab dann fällt sie leicht wieder ab. Das stimmt gut mit den zu erwartenden Werten überein, da die kosmische Strahlung in Höhen von 20km schließlich am größten sein soll und eine gewisse Abweichung natürlich ist. Zudem muss unbedingt beachtet werden, dass, aufgrund der Bauweise des verwendeten Zählrohrs, ausschließlich Elektronen und Gammastrahlung, also Sekundärstrahlung gemessen wurde. Dies hat die Erwartung zur Folge, dass die Messdaten weitaus niedriger sind als tatsächliche Werte, die auch die Protonen und Neutronen, welche einen weitaus höheren Gewichtungsfaktor besitzen, berücksichtigen. Während die durchschnittlichen Messwerte knapp über dem Erdboden nämlich noch gut mit dem zu Erwartenden Wert von ca. 0,08 µSv/h übereinstimmen, gehen die Werte in Höhen wie einer durchschnittlichen Flughöhe stark auseinander. Deutlich wird dies bei der Näherung, die gemessene Äquivalentdosis übertragen auf einen Flug von Frankfurt nach New York. Als durchschnittlichen Wert wird vom Bundesamt für Strahlenschutz sowie der Lufthansa ca. 50µSv angegeben [9]. Bedenkt man, dass in niedrigeren Höhen die Strahlenbelastung geringer ist, kommt man unseren Berechnungen nach auf einen realistischen Wert von ca. 0,78 µSv/h. Dabei wird angenommen, dass die Anzahl der Ionisierungen pro 5 Sekunden im Durchschnitt 8 beträgt. Dies wird auf Ionisierungen pro Minute umgerechnet um schließlich mit dem oben genannten Faktor die Äquivalentdosis pro Stunde zu berechnen. Multipliziert man diese mit einer Flugzeit von 9 Stunden, erhält man eine Äquivalentdosis von ca. 7µSv.


Einschätzung

Vergleiche unserer Messwerte mit anderen, die noch viel mehr Faktoren berücksichtigen, haben nun gezeigt, dass unsere Messungen nicht ausreichen, eine realistische Einschätzung zu geben, wie sehr Personen, die oft fliegen, von kosmischer Strahlung betroffen sind. Dies hängt jedoch auch damit zusammen, dass es bis heute keine genauen Vorhersagen gibt, welche langfristigen Schäden bei dauerhafter jedoch geringer Strahleneinwirkung zu erwarten sind. Dass Höhenstrahlung existiert, ist schon lange bekannt. Seitdem wurden viele Messungen durchgeführt, um die Dosis, die eine Person bei einem bestimmten Flug erfährt, angeben zu können. Problematisch ist jedoch die Beurteilung, inwiefern diese Belastungen langfristig gesundheitsschädlich sind. Dies lässt sich nur anhand von Studien beurteilen, welche sich häufig widersprechen. Dabei betrachtet man eine bestimmte Gruppe an Piloten und Flugbegleitern und prüft, ob die Anzahl an bestimmten Krankheiten erkrankten Vielflieger prozentual größer ist, als die von Personen mit einer geringeren Jahresdosis. Zwar besagt die bislang größte Studie, bei der über 25.000 Personen kontrolliert wurden, dass es keine erhöhte Erkrankungswahrscheinlichkeit gäbe, jedoch ist man sich deswegen noch nicht sicher. Daher wird die Dosis, die Flugpersonal erfährt, regelmäßig überwacht, obgleich die Werte heutzutage nicht für eine sichere Prognose genügen.

Ein weiterer Ansatz, die Schädlichkeit zu beurteilen, ist der Vergleich mit anderen Personen, die beruflich einer erhöhten Strahlendosis ausgesetzt sind, sowie mit gesetzlich festgelegten Grenzwerten, die durch Experten entschieden wurden. Dabei ergibt sich, dass Flugpersonal zu den Personen mit einer der höchsten beruflich bedingten Strahlenbelastung gehören (folgende Abbildung). Dies gibt natürlich keine Auskunft über die tatsächliche biologische Wirkung, verschafft jedoch ein Bild von der nicht zu unterschätzenden Dosis der kosmischen Strahlung. Anders sieht es wiederum aus, wenn man Grenzwerte hinzuzieht. So liegt die festgelegte maximale Strahlenbelastung pro Jahr in Deutschland bei 20mSv [4], ein Wert, von dem die kosmische Strahlung auf Flughöhe noch weit entfernt liegt.
Abbildung: Berufe im Vergleich [10]

Die Darstellung bisher könnte dazu neigen lassen, anzunehmen, dass kosmische Strahlung auf Flugpersonal einen eher insignifikanten Einfluss hat. Tatsächlich lässt sich dies jedoch nicht pauschal sagen. Wovon man nach heutigem Erkenntnisstand überzeugt sein kann, ist, dass die kosmische Strahlung für Gelegenheitsflieger unschädlich ist, da die stochastischen Schäden bei Weitem zu gering sind, als dass sie tatsächlich zu Erkrankung führen. Selbiges gilt sogar für Babys oder gar Ungeborene im Mutterleib.

Flug von Frankfurt nach…
Äquivalentdosis in µSv
Las Palmas de Gran Canaria
10 - 18
Johannesburg
18 - 30
New York
32 - 75
Rio de Janeiro
17 - 28
Rom
3 - 6
San Francisco
45 - 110
Santo Domingo (Dom. Rep.)
30 - 65
Singapur
28 - 50
Tokyo
45 - 110
Abbildung: Verhältnismäßig sehr geringe Belastungen (im µSv-Bereich) [11]

Um genauere Angaben machen zu können, wird ständig an der Auswirkung kosmischer Strahlung geforscht, auch wenn sich die Forschung dabei meistens auf die Dosis bezieht. Dadurch werden beispielsweise Bereiche in der Atmosphäre entdeckt, in denen es größere Strahlungseinwirkung gibt als gewöhnlich, und Programme entwickelt wie das EPCARD, mit welchen sich die Strahlendosis auf bestimmten Flügen berechnen lässt. Möglicherweise lässt sich die tatsächliche Leitfrage unserer Mission in Zukunft dann genauer beantworten...



Quellen:
[1] Wikipedia: Kosmische Strahlung. In: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Kosmische_Strahlung&oldid=168802436.
[2] Wikipedia: Energiedosis. In: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Energiedosis&oldid=165727876.
[3] Wikipedia: Ionendosis. In: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Ionendosis&oldid=154112046.
[4] Wikipedia: Äquivalentdosis. In: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=%C3%84quivalentdosis&oldid=171354654.
[5] https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik/artikel/aequivalentdosis
https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/radioaktivitaet-einfuehrung/ausblick/dosiseinheiten
[6] B. f. S. (BfS): Schädliche Gewebereaktionen. In: http://www.bfs.de/DE/themen/ion/wirkung/akute-schaeden/akute-schaeden_node.html. [7] Deterministische Schäden: https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/radioaktivitaet-einfuehrung/ausblick/biologische-strahlenwirkung.
[8] B. f. S. (BfS): Wie hoch ist die natürliche Strahlenbelastung in Deutschland?. In: http://www.bfs.de/DE/themen/ion/umwelt/natuerliche-strahlenbelastung/natuerliche-strahlenbelastung_node.html.
[9] B. f. S. (BfS): Höhenstrahlung beim Fliegen. In: https://www.bfs.de/DE/themen/ion/umwelt/luft-boden/flug/flug.html.
[10] https://www.bfs.de/SharedDocs/Bilder/BfS/DE/ion/strahlenschutz/beruf-jahresdosis-mittel.jpg?__blob=poster&v=5.
[11] Verhältnismäßig sehr geringe Belastung (im µSv-Bereich). In: https://www.bfs.de/DE/themen/ion/umwelt/luft-boden/flug/flug.html.
© 2018, Jonathan Knoll