Um Treibstoff zu sparen, fliegen Jets heutzutage in Höhen von 10 bis 12 Kilometern, Überschall-Flugzeuge sogar bis zu 18 Kilometer hoch. Dort ist zwar der Luftwiderstand geringer, allerdings auch die Dichte ionisierender Strahlen größer.

In den achtziger Jahren wurde das Strahlenfeld von Hiroshima und Nagasaki durch Messungen nachträglich bestimmt. Weil es offenbar weniger stark als angenommen war, hat man die Wirkung von Strahlung daraufhin neu bewertet und die Dosisgrenzwerte für beruflich strahlenexponierte Personen verringert. Seitdem war die Frage offen, ob fliegendes Personal und Vielflieger dazu gehören. Dann müßte man die akkumulierte Dosis von Piloten und Stewardessen regelmäßig überprüfen und insbesondere Personen freistellen, die einen Grenzwert erreichen könnten.

Primäre und sekundäre Höhenstrahlung

Ein Maß für die Strahlenexposition und deren Gefährlichkeit ist die sogenannte Äquivalentdosis; das ist die Energie, die von ionisierender Strahlung auf Gewebe übertragen wird, bezogen auf dessen Masse und gewichtet durch Faktoren, um beispielsweise die Strahlungsart und ihre Wirkung zu berücksichtigen (die heute gültige Einheit ist das Sievert, veraltet dagegen ist das Rem; 1 Sievert entspricht 100 Rem). Während der Wert für kosmische Strahlung am Boden in Mitteleuropa lediglich 0,3 Millisievert pro Jahr beträgt – rund 15 Prozent der mittleren natürlichen Umgebungsstrahlung –, kann er in Reiseflughöhen bis mehrere hundert- oder sogar bis tausendmal so groß sein.

Die Quelle der kosmischen Strahlung ist – wie der Name sagt – das Weltall. Sie besteht vor allem aus hochenergetischen Kernbausteinen – 85 Prozent Protonen, 14 Prozent Heliumkernen (Alphateilchen) sowie 1,5 Prozent schwereren Atomkernen; außerdem gibt es Elektronen, Positronen und Neutrinos sowie Röntgen- und Gammastrahlung. Die auf die Atmosphäre auftreffenden Teilchen haben ein breites Energiespektrum: Ein kleiner, von der Sonne emittierter Anteil hat Energien von 10 bis 104 Megaelektronenvolt (Millionen Elektronenvolt; ein Elektronenvolt ist die Energie, die ein Elektron beim Durchfliegen der Spannung von einem Volt erhält). Teilchen mittlerer Energie (104 bis 1010 Megaelektronenvolt) stammen von Supernovae, Pulsaren und dem Kern unserer Milchstraße. Man hat aber auch Protonenenergien bis zu einer Milliarde Gigaelektronenvolt (Milliarden Elektronenvolt), in extrem seltenen Fällen sogar das Hundertfache davon, gemessen – diese Teilchen stammen aus fernen Galaxien und Quasaren. Solch hohe Energien – billionenmal und mehr größer, als sie beim radioaktiven Zerfall entstehen – erhalten die Teilchen vermutlich durch beschleunigende starke Magnetfelder im Weltall beziehungsweise in der Umgebung von exotischen Sternen.

Der kosmische Strom trifft stetig mit rund zehn Teilchen pro Quadratzentimeter und Sekunde auf die Atmosphäre, bleibt also sowohl zeitlich konstant als auch über alle Himmelsrichtungen gleichmäßig verteilt. Bei Kernreaktionen mit den Luftmolekülen entstehen weitere (sekundäre) energiereiche Partikel (Bild 1), die – wie die Primärteilchen auch – ihrerseits Kerne spalten, so daß Strahlungskaskaden den Erdboden erreichen. Bei hohen Primärenergien bilden sich darin bis zu einer Milliarde Sekundärteilchen, hauptsächlich Elektronen.

Wäre die Erde ohne Magnetfeld, gelangten ungleich mehr Höhenstrahlungsteilchen in die Lufthülle. Weil geladene Teilchen aber in einem Magnetfeld durch die sogenannte Lorentz-Kraft abgelenkt werden, und zwar senkrecht zu ihrer Bewegungs- und zur Feldrichtung, wird ein Großteil von ihnen auf Spiralbahnen um die Feldlinien gezwungen, die sie dann zu den Polen führen. Diese gefangenen Ionen bilden die Van-Allen-Strahlungsgürtel in 1000 bis 6000 und 15000 bis 25000 Kilometern Höhe.

Nur ein kleiner Anteil mit Energien größer als 10 bis 15 Gigaelektronenvolt kann diesem Einfluß widerstehen; dementsprechend gering ist die Sekundärstrahlung am Äquator. Zwischen 50 und 60 Grad geomagnetischer Breite erreicht der atmosphärische Strahlungsfluß sein Maximum und bleibt auf diesem Niveau bis zum Pol (Bild 3). Wegen der Neigung der geomagnetischen Achse gegen die Drehachse (Bild 2) betrifft das bereits den Norden Großbritanniens sowie die Grenze zwischen den USA und Kanada. Somit führen Flüge zwischen Europa und Nordamerika über weite Strecken durch Gebiete mit maximalem atmosphärischem Strahlungsfluß.


Messungen in Reiseflughöhen

Die ersten Daten aus bis zu 5000 Metern Höhe gewann der Physiker Viktor Hess im Jahre 1912 (1883 bis 1964, Nobelpreis 1936) mit einem Heißluftballon. In den dreißiger Jahren führten der Physiker Erich Regener (1881 bis 1955) in Stuttgart, in den fünfziger und sechziger Jahren Wissenschaftler in den USA diese Untersuchungen fort. Flüge mit Ballons und Flugzeugen in unterschiedlichen Breiten zwischen Äquator und Polen legten den Grundstein zu ersten Abschätzungen der Strahlenexposition in Verkehrsflugzeugen. Demnach trägt in Reiseflughöhen von 10 bis 12 Kilometern ausschließlich die Sekundärstrahlung dazu bei; das gilt auch im wesentlichen für Überschallflüge in bis zu 18 Kilometern Höhe.

Infolge der Abschirmung durch die Wandung sind es im Flugzeug hauptsächlich sekundäre Neutronen und Gammaquanten, die das menschliche Gewebe schädigen. Auch im bestrahlten Körper selbst können Kerne zertrümmert werden: Als Stern bezeichnet man es, wenn ein getroffener Atomkern platzt und dabei mehr oder weniger große Bruchstücke auseinanderfliegen; derartige Prozesse im Körper haben – vergleichbar denen schneller Neutronen – einen besonders zerstörerischen Effekt.

Wie zu erwarten, ist der Gesamtstrahlenfluß an den Polen etwa doppelt so hoch wie am Äquator. Sekundär erzeugte Neutronen kommen dort in rund 10 Kilometern Höhe sogar fünfmal häufiger vor (Bild 3) und haben einen größeren Anteil an der Gesamtexposition. Das mag zunächst verwundern, weil sie als ungeladene Teilchen dem Einfluß des Erdmagnetfeldes nicht unterliegen, doch entstehen sie in Protonenreaktionen.

Das Magnetfeld der Erde bewirkt auch, daß der Beitrag der Sonne zur Höhenstrahlung im zeitlichen Mittel gering ist: Auch bei Sonneneruptionen sind die Energien der emittierten Protonen – die selten ein Gigaelektronenvolt übersteigen – zu gering, um den magnetischen Schild der Erde in niedrigen und mittleren geomagnetischen Breiten zu durchdringen. Gelangen sie in Polnähe in die Atmosphäre, lösen von der Sonne stammende Protonen Kaskadenprozesse mit hohen Ionisationsdichten in den oberen Luftschichten aus, die wiederum Nordlichter und Funkstörungen verursachen.

Der atmosphärische Strahlungsfluß verändert sich zudem deutlich im elfjährigen Zyklus der solaren Aktivität, denn der als Sonnenwind bezeichnete Protonenfluß begrenzt und formt durch seinen Staudruck das Erdmagnetfeld in großen Höhen und schirmt außerdem durch sein eigenes Magnetfeld kosmische Ionen ab. Im Maximum der Sonnenaktivität ist der Strahlungsfluß in der Atmosphäre deshalb geringer als in deren Minimum (Bild 4).

Auch kurzfristige Aktivitätsschwankungen etwa durch gelegentliche starke Sonneneruptionen (Flares) und die damit verbundenen intensiven Protonenflüsse prägen das atmosphärische Strahlungsfeld. Innerhalb von wenigen bis zu etwa 24 Stunden kann der Strahlungsfluß in hohen Breiten um das Zehn- bis Hundert-, seltener um das Tausendfache anwachsen. So entstehen intensive Nordlichter, die sich mitunter bis in mittlere Breiten ausdehnen können. Große Flares mit hohen Protonenflüssen und -energien von mehr als einigen 100 Megaelektronenvolt verstärken in mittleren und hohen Breiten die Höhenstrahlung auf 100 Mikrosievert pro Stunde und mehr; sie häufen sich im Maximum des elfjährigen Sonnenzyklus. Das bisher größte Flare läßt sich durch Messungen auf den Februar 1956 datieren; man berechnete Werte von ein bis zehn Millisievert pro Stunde in hohen Breiten. Ereignisse dieses Ausmaßes sind allerdings sehr selten, ihr Beitrag zur durchschnittlichen jährlichen Strahlendosis von Vielfliegern ist in der Regel vernachlässigbar. Doch auch kleinere Protonenflüsse vermögen das Erdmagnetfeld und den atmosphärischen Strahlungsfluß kurzzeitig zu verändern.


Frühere Beurteilung der Gefährdung

Aus Messungen und Modellrechnungen schloß man allgemein auf die Strahlenbelastung in definierten Höhen und zu bestimmten Zeiten im solaren Zyklus (Bild 4). Sie läge demnach für fliegendes Personals bei wenigen Millisievert pro Jahr, also unter einem Zehntel des in den siebziger Jahren geltenden Grenzwerts von 50 Millisievert pro Jahr für beruflich strahlenexponierte Personen.

Mitte der achtziger Jahre wurde dieser Wert aber aufgrund neuer Ergebnisse über die Wirkung der Atombomben von Hiroshima und Nagasaki gesenkt, in Deutschland 1989 sogar auf durchschnittlich 10 Millisievert pro Jahr. Auch in anderen Staaten, zum Beispiel in den USA und in Großbritannien, wurden neue, strengere Regularien für die Dosisbegrenzung entwickelt.

Jedoch war noch nicht klar, ob das fliegende Personal so hohen Strahlendosen ausgesetzt ist, daß es Strahlenschutzbestimmungen unterliegen sollte. Diese Diskussion begann in den USA 1985; vier Jahre danach legte die US-Luftfahrtbehörde FAA modifizierte Daten zur Exposition von Flugpersonal vor, die allerdings auf Messungen aus den fünfziger und sechziger Jahren beruhten; dabei orientierte sich die Behörde an den neuen Strahlenschutznormen, sah aber eine entsprechende Eingruppierung nicht als erforderlich an.

Die internationale Strahlenschutzkommission (International Commission on Radiological Protection, ICRP) untersuchte dann als richtungsweisendes Gremium das Problem und senkte 1991 die durchschnittliche zulässige Jahresdosis auf 20 Millisievert. Gleichzeitig erhöhte sie den Qualitätsfaktor für Neutronen mit Energien bis zwei Megaelektronenvolt, wies dieser Strahlenart demnach eine größere biologische Wirksamkeit zu. In den ICRP-Empfehlungen wurde das fliegende Personal inklusive der Vielflieger zudem als beruflich strahlenexponiert eingestuft.


Neuere Meßergebnisse

Europäische Fluggesellschaften forderten und fordern jedoch genauere Zahlen und Messungen. Darum unternahm die französische Atomenergiekommission (CEA) zwischen 1988 und 1992 einzelne Meßflüge. Ab 1990 führten das Institut für Strahlenschutz des Forschungszentrums für Umwelt und Gesundheit in Neuherberg (GSF) und das I. Physikalische Institut der Universität Gießen Meßflüge durch. Ein gemeinsamer Flug mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) führte 1992 entlang der Route Frankfurt-Seattle-Hamburg (Bild 5). Diese Meßflüge querten alle relevanten geomagnetischen Breiten, insbesondere aber die häufig frequentierten Nordatlantikrouten.

Die aus den Messungen berechneten Äquivalentdosisleistungen (Äquivalentdosis pro Zeiteinheit) der verschiedenen Gruppen (Bild 6) für Flugstrecken in hohen geomagnetischen Breiten zeigen deutliche Unterschiede. Das gilt auch für die Ergebnisse der deutschen Gruppen trotz identischer Meßbedingungen, möglicherweise ein Effekt differierender Geräteausrüstung. Innerhalb der Fehlergrenzen stimmen sie jedoch gut überein.

Schwieriger ist der Vergleich mit neueren Computerrechnungen der US-Luftfahrtbehörde, da sie nach wie vor die gleichen älteren Daten verwenden und zudem nicht auf eine bestimmte Route bezogen sind.

Die CEA-Werte demonstrieren, welch unterschiedliche Dosisleistungen sogar zwischen Flügen auftreten können, die in vergleichbaren Breiten und Flughöhen gemessen wurden. Beispielsweise lag bei dem Flug Paris-Tokio 1992 der maximale Wert bei 20, der über die gesamte Flugstrecke gemittelte bei 16 Mikrosievert pro Stunde. Dagegen wurden einige Tage später auf dem Rückflug deutlich niedrigere Dosisleistungen festgestellt. Die hohen Resultate waren aber nicht etwa die Folge einer Sonneneruption, sondern eines kurzzeitigen Nachlassens des Sonnenwindes (in den Jahren 1988 bis 1992 war die Sonnenaktivität maximal, ein geringer atmosphärischer Strahlungsfluß also normal).

Für Überschall-Jets (Concorde, Tupolew 144), die nur einen verschwindend geringen Anteil an der Welt-Luftflotte haben, liegt die Äquivalentdosisleistung neueren Rechnungen der NASA zufolge bei 12 bis 13 Mikrosievert pro Stunde in 18 Kilometern Höhe für die Route New York – London. Aufgrund von Messungen gab die Fluggesellschaft British Airways in einem älteren Bericht Äquivalentdosisleistungen zwischen 7 und möglichen 38 Mikrosievert pro Stunde an, abhängig von Flugroute und -höhe sowie vom solaren Zyklus. Andererseits werden diese vergleichsweise hohen Werte dadurch relativiert, daß ein Flug von Europa zur nordamerikanischen Ostküste nur rund 3,5 Stunden dauert – im Gegensatz zu 7 bis 8 Stunden mit subsonischen Jets. Nach Auskunft der Luftfahrtgesellschaften British Airways und Air France sind die jährlichen Flugstunden des betreffenden Personals auf 250 begrenzt. Darum unterstellt man, daß die Jahres-Äquivalentdosis des Concorde-Personals näherungsweise der des Personals in normalen Jets entspricht.


Meßprobleme

Die differierenden Einzelergebnisse zeigen, daß es schwierig ist, in Reiseflughöhen die Strahlung zu messen:

- Sowohl das Teilchen- als auch das Energiespektrum ist komplex und verursacht beträchtliche Meßunsicherheiten.

- Auf dem Erdboden bewährte Meßgeräte sind selten für das Strahlungsfeld in Flughöhen ausgelegt, und die Kalibrierung dieser Geräte ist schwierig.

- Auch die zum Teil unvorhersehbaren zeitlichen und örtlichen Schwankungen des atmosphärischen Strahlungsfeldes verursachen Unsicherheiten. Zudem sind solare Flares nicht vorhersagbar, weder ihr Auftreten noch ihre Intensitäten, ebensowenig der mittlere Strahlungsfluß in den jeweiligen Perioden des Maximums und des Minimums der elfjährigen Zyklen der Sonnenaktivität.

Somit zeigt jeder Meßflug quasi nur eine Momentaufnahme des Strahlungsfeldes, und letztlich erlauben die vorliegenden Ergebnisse lediglich Abschätzungen der Exposition von Flugpersonal und Vielfliegern (Bild 7). Sie basieren zum einen auf den gemessenen beziehungsweise berechneten Werten für die Dosisleistungen, zum andern auf einer Annahme von 600 oder 500 Flugstunden in den betreffenden Höhen pro Jahr.

Das deutsche Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) hat 1992 einen Richtwert für die mittlere Strahlenexposition von 5 Millisievert für 500 Flugstunden pro Jahr festgelegt, dabei wird eine durchschnittliche Dosisleistung von 10 Mikrosievert pro Stunde in Höhen über 10 Kilometern angenommen. Die von der GSF und dem Gießener Institut für 600 Flugstunden pro Jahr berechneten Werte auf den Flügen in nahezu 12 Kilometern Höhe sind dem Betrage nach diesem Richtwert vergleichbar. Die Angaben der US-FAA sind über den elfjährigen Zyklus der Sonnenaktivität gemittelt, die NASA gibt Maximal- und Minimalwerte für die Extreme im solaren Zyklus an. Wie in Bild 6 sind nur Bestwerte wiedergegeben, die Meßunsicherheiten also nicht berücksichtigt.

Allerdings kann die Zahl der jährlichen Flugstunden erheblich von den Annahmen abweichen. Gesetzlich zugelassen sind bislang maximal 1000 Stunden pro Jahr (Frachtpiloten zufolge keine Seltenheit), doch die Fluggesellschaften schöpfen den Gesetzesrahmen unterschiedlich aus. Es läßt sich also nicht ausschließen, daß ein kleiner Personenkreis auch stärker belastet wird.

Die Diskussion darüber, ob fliegendes Personal und Vielflieger als beruflich strahlenexponierte Personen anzusehen sind, ist im Prinzip abgeschlossen. Die internationale Strahlenschutzorganisa-tion (ICRP), die zuständigen Instanzen der Europäischen Union und auch nationale Stellen haben dementsprechende Empfehlungen abgegeben. Weitere Messungen, um etwa die Schwankungen des Strahlungsfeldes exakter zu erfassen, sind vorgesehen. Das deutsche Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) hat in einer neueren Stellungnahme eine maximale jährliche Exposition von rund 8 Millisievert ergänzend zum mittleren Wert angenommen. Eine gesetzliche Regelung, die wegen des grenzüberschreitenden Luftverkehrs auch europäisch sein muß, steht noch aus.

Unklar ist, wie eine Strahlenschutz-Überwachung aussehen könnte. Angesichts der Arbeitsabläufe in der Luftfahrt erscheint es wenig sinnvoll, wie in kerntechnischen Anlagen Personendosimeter zu verteilen. Dort gibt es überwachte Zugänge; doch wer sollte kontrollieren, ob ein Pilot oder eine Stewardeß ihr Dosimeter trägt? So könnten fest im Flugzeug installierte Meßgeräte eine Alternative sein, doch spektral messende Systeme haben lange Meßzeiten und entsprechen somit nicht den Anforderungen modernen Linienverkehrs. Vielleicht wird man zunächst einige wenige Flugzeuge damit ausrüsten und mehrere Jahre lang umfassendere Messungen vornehmen, aus denen sich dann mit noch größerer Genauigkeit die Strahlenexposition auf den Flugrouten und vor allem deren Schwankungsbreite bestimmen ließen.

Literaturhinweise

Radiation Exposure of Civil Aircrew. Herausgegeben von G. Reitz, K. Schnuer und K. Shaw. In: Radiation Protection Dosimetry, Band 48, Heft 1, Nuclear Technology Publishing, 1993.

– Radiation Exposure of Civil Aircrew. Von D. Regulla, D. Schalch und A. Scharmann in: Kerntechnik, Band 58, Heft 5, Seiten 299 bis 303, 1993.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 12 / 1994, Seite 120
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