ArchivDeutsches Ärzteblatt22/1996Strahlenexposition bei Flugreisen

MEDIZIN: Aktuell

Strahlenexposition bei Flugreisen

Schalch, Dirk; Scharmann, Arthur

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LNSLNS Ausgelöst durch eine Neubewertung der Strahlenexposition der Bewohner von Hiroshima und Nagasaki wurde seit Mitte der achtziger Jahre das Strahlenrisiko in Reiseflughöhen – zum Teil kontrovers – diskutiert. Von der erhöhten Strahlenexposition sind weniger die Gelegenheitsreisenden als vielmehr das fliegende Personal und die Vielflieger betroffen. Die Expositionen der beiden letztgenannten Berufsgruppen liegen in der Größenordnung derer von Beschäftigten in kerntechnischen Anlagen. In ihren Empfehlungen aus dem Jahr 1990 hat die "International Commission on Radiological Protection" (ICRP) diese Berufsgruppen als "beruflich strahlenexponierte Personen" eingestuft.


Die Höhenstrahlung, auch kosmische Strahlung genannt, ist eine Komponente der natürlichen Umgebungsstrahlung, der wir auf der Erde ständig ausgesetzt sind. Die primäre kosmische Strahlung, deren wesentliche Quelle das Weltall ist, wird durch die Lufthülle der Erde zum größten Teil absorbiert, so daß am Erdboden nur ein Bruchteil der primären Strahlungsleistung auftritt. In Deutschland trägt sie rund 15 Prozent zur mittleren Gesamtexposition des Menschen aus natürlichen Quellen bei (Tabelle 1). Die terrestrische Exposition schwankt stark mit der Art der Bodenformationen; so ist die Exposition durch terrestrische Strahlung in Menzenschwand/Schwarzwald durch Uranerze im Untergrund etwa 35mal so hoch wie der Durchschnittswert.
Um bei geringerem Luftwiderstand Treibstoff einzusparen, fliegen zivile Jets heute in Höhen zwischen zehn und zwölf Kilometern, Überschalljets wie die Concorde in Höhen bis zu 18 Kilometern. Da die Dichte der schützenden Luftschicht mit der Höhe abnimmt, ist der Strahlungspegel dort entsprechend höher.
Die primäre kosmische Strahlung, die auf die Lufthülle der Erde trifft, besteht vor allem aus energiereichen Kernbausteinen – zu 85 Prozent aus Protonen, zu 15 Prozent aus Heliumkernen und zu 1,5 Prozent aus Kernen schwerer Elemente. Der Anteil schneller Elektronen und der Gammastrahlen liegt nur bei rund einem Prozent. Die Primärstrahlung besitzt ein breites Energiespektrum mit Maximalenergien bis zu 1020 eV (Elektronenvolt). Zum Vergleich: in der "normalen" Röntgendiagnostik liegt die Maximalenergie der Strahlung bei rund 105 eV, beim radioaktiven Zerfall wird Strahlung bis maximal rund 107 eV emittiert. Man erklärt die hohen Teilchenenergien der kosmischen Strahlung mit der Existenz starker Magnetfelder im Weltall beziehungsweise in der Umgebung exotischer Sterne. Der kosmische Teilchenstrom trifft mit zeitlich konstanter Intensität und über alle Himmelsrichtungen gleich verteilt auf die Atmosphäre. Er hat eine Flußdichte von rund 10 Teilchen pro Quadratzentimeter und Sekunde und löst Kernreaktionen mit den Luftmolekülen aus. Dabei werden sekundäre, energiereiche Teilchen erzeugt (Grafik 1), die ihrerseits in weiteren Kernreaktionen Kaskaden von schnellen Teilchen und Quanten erzeugen, die bis zum Erdboden vordringen können. Bei hohen Primärenergien können in solchen Kaskaden bis zu einer Milliarde Sekundärteilchen gebildet werden.
Eine zusätzliche Abschirmwirkung hat das Magnetfeld der Erde für niedrige und mittlere Breiten. Die primären und sekundären geladenen Teilchen werden im Erdmagnetfeld zu einem großen Teil in Richtung der Pole abgelenkt; sie bewegen sich auf Spiralbahnen um die magnetischen Feldlinien (Grafik 2). Nur Primärteilchen mit Energien größer als rund 1010 eV können aufgrund dessen in äquatorialen und mittleren Breiten tiefer in die Atmosphäre eindringen. Das hat zur Folge, daß die Sekundärstrahlung – am Erdboden wie auch in Reiseflughöhen – in äquatorialen Breiten nur etwa halb so groß ist wie in den nördlichen und südlichen Regionen.
Das Magnetfeld der Erde bewirkt auch, daß der Beitrag der Sonne zur Höhenstrahlung im zeitlichen Mittel gering ist. Bei Sonneneruptionen sind die Energien der ausgesandten Teilchen selten größer als 109 eV, also zu gering, um den magnetischen Schild der Erde in niedrigen und mittleren Breiten durchdringen zu können. Nur in hohen Breiten können sie tiefer in die Atmosphäre eindringen und größere sekundäre Kaskaden auslösen. Diese sind auch die Ursache für Nordlichter und Funkstörungen. Aus Grafik 2 wird auch verständlich, daß infolge der Neigung der magnetischen Achse gegen die Drehachse der Erde die sogenannte geomagnetische Breite anstatt der geographischen Breite für die Größe des Strahlungsflusses auf der Erde und in Reiseflughöhen bestimmend ist. Der geomagnetische Südpol liegt gegenwärtig bei einer geographischen Breite von 798 Nord und einer geographischen Länge von 718 West im hohen Norden Kanadas (1). Aus dieser Lage – die sich im Laufe der Zeit ändert – wird auch verständlich, daß Orte zum Beispiel in Nordamerika in höheren geomagnetischen Breiten liegen (mit entsprechend höherem atmosphärischen Strahlungsfluß) als Orte auf der mehr von dem geomagnetischen Pol abgewandten Seite der Erdkugel in Europa (Tabelle 2). Frankfurt/M. liegt geographisch fast 10 Grad (etwa 1 000 km) nördlicher als New York. New York und Frankfurt/M. haben aber fast die gleiche geomagnetische Breite. Die geomagnetische Länge ist für die Strahlenexposition nur von nachrangiger Bedeutung. Der atmosphärische Strahlungsfluß ist zeitlich
veränderlich. Er wird durch den elfjährigen Zyklus der Sonnenaktivität moduliert. Der sogenannte Sonnenwind, im wesentlichen aus energiereichen Protonen bestehend, beeinflußt das Erdmagnetfeld in großen Höhen. In den Zeiten maximaler Sonnenaktivität ist die aus dem Weltall eintreffende Primärstrahlung infolge eines Abschirmeffektes minimal. Dagegen ist der Strahlungsfluß in Zeiten minimaler Sonnenaktivität maximal. Gelegentliche außergewöhnlich starke Sonneneruptionen, und die damit verbundenen hohen Protonenflüsse, führen zu kurzzeitigen, bisweilen starken Anstiegen des atmosphärischen Strahlungsflusses – vor allem in hohen Breiten. Innerhalb weniger Stunden kann der Strahlungsfluß um ein bis zwei, selten um drei Größenordnungen ansteigen. Das führt dann zu den bekannten intensiven Nordlichterscheinungen, die sich in seltenen Fällen bis in mittlere Breiten ausdehnen, und parallel dazu zu kurzfristigen, entsprechend erhöhten Strahlenexpositionen in Reiseflughöhen. Aber auch weniger intensive Eruptionen auf der Sonne, die jederzeit unvorhersehbar geschehen können, führen zu Störungen des Erdmagnetfeldes und zu Änderungen des Strahlungsflusses.


Messungen der Höhenstrahlung in Reiseflughöhen
Erste Messungen der Höhenstrahlung hat Viktor Hess (1883 bis 1965, Nobelpreis für Physik 1936) im Jahre 1912 in einem Heißluftballon in Höhen bis 5 000 Meter durchgeführt. Umfangreiche Untersuchungen wurden in den dreißiger Jahren von E. Regener in Stuttgart und dann nach dem Kriege vor allem in den USA durchgeführt – bis dahin hauptsächlich mit wissenschaftlichen Zielsetzungen. Mitte der achtziger Jahre wurde dann – als Folge einer Neubewertung der Strahlenexpositionen der Atombombenopfer in Hiroshima und Nagasaki – die Frage nach den Expositionen des fliegenden Personals der Luftfahrtgesellschaften durch die Höhenstrahlung wieder neu aufgegriffen. 1985 hatte E. T. Bramlitt (2) in den USA darauf hingewiesen, daß das fliegende Personal infolge der Neubewertung der Strahlenrisiken in den Kreis der beruflich strahlenexponierten Personen aufgenommen werden müsse, auch deshalb, weil die Flughöhen der modernen Jets erheblich über denen der alten Propellermaschinen liegen. Im Jahr 1989 legte die US-Luftfahrtbehörde FAA modifizierte, an den neuen Normen orientierte Daten zur Exposition in Reiseflughöhen vor (1). Diesem Bericht ist die Grafik 3 entnommen; sie basiert auf Berechnungen, denen ältere Meßdaten zugrunde liegen. Grafik 3 gibt die Äquivalentdosisleistung (Textkasten) in Abhängigkeit von der Höhe und der geomagnetischen Breite wieder. Aus der Grafik geht unter anderem hervor, daß die Änderung in niedrigen Breiten gering ist (08 = Breite des Äquators), ebenso in hohen Breiten oberhalb etwa 60 Grad bis 90 Grad die Äquivalentdosisleistung praktisch konstant und maximal ist (908 = Breite der Pole). Aus Grafik 3 und Tabelle 2 läßt sich weiterhin entnehmen, daß die Flugrouten über den Nordatlantik zwischen Europa und Nordamerika über große Strecken durch Gebiete des maximalen Strahlungsflusses führen. Dagegen sind die Expositionen in niedrigen und mittleren Breiten – wohin die meisten Urlaubsreisen führen – nur etwa halb so hoch.
Grafik 4 zeigt die Äquivalentdosisleistungen in verschiedenen Zeiten des Sonnenzyklus: Die Daten basieren auf älteren Messungen und rechnerischen Korrekturen hinsichtlich der neuen Qualitätsfaktoren durch die NASA (10). Aus Grafik 4 läßt sich entnehmen, daß – wie schon oben erwähnt – in Zeiten geringer Sonnenaktivität ("solares Minimum") die Expositionen deutlich höher sind als in Zeiten maximaler Sonnenaktivität ("solares Maximum"). Das Strahlungsmaximum tritt in etwa 20 Kilometer Höhe auf. Weiterhin wird deutlich, welche Arten der sekundären Strahlung die wesentlichen Beiträge zur Exposition liefern, nämlich Neutronen, Gammastrahlung und sogenannte "Sterne". Neutronen und Gammastrahlen durchdringen die dünne Flugzeughaut fast ungehindert. Neutronen und "Sterne" besitzen eine vergleichsweise hohe biologische Wirksamkeit (Textkasten), wobei letztere hinsichtlich ihrer biologischen Wirkung noch nicht hinreichend erforscht sind. "Sterne" sind das Ergebnis von Kernreaktionen (Kernzertrümmerungen), bei denen die Reaktionsprodukte – schwerere Kernbruchstücke – radial auseinanderfliegen. Diese Reaktionen, verursacht zum Beispiel durch Neutronen, geschehen in Reiseflughöhen nicht nur in den Strukturmaterialien des Flugzeugs, sondern auch in dem Körper des Flugzeuginsassen. Der hohe wR-Faktor (Textkasten) trägt dem im Vergleich zur Gammastrahlung höheren Schädigungspotential Rechnung. Die in den achtziger Jahren diskutierte Neubewertung der Strahlenrisiken, speziell durch Neutronen, gab Anlaß zur Aufnahme von neuen Meßflügen in einer Reihe von Ländern, zum Beispiel in Frankreich, in der UdSSR und in Deutschland. Daran waren die Autoren mit Flügen nach New York, San Francisco und Seattle beteiligt (7, 8, 9).


Bewertung der Ergebnisse
Infolge der komplexen Natur und der zeitlichen Variabilität des atmosphärischen Strahlungsfeldes sind alle Meßdaten und Berechnungen mit zum Teil erheblichen Unsicherheiten behaftet. Die Meßgenauigkeit der gebräuchlichen Strahlungsmonitore ist in Strahlungsfeldern mit mehreren Komponenten und sehr breiten Energieverteilungen in der Regel nicht sehr groß. Bei Neutronen sind Meßunsicherheiten von 20 bis 30 Prozent und mehr möglich. Auch die zeitlichen Änderungen der solaren Aktivität im elfjährigen Zyklus und zusätzliche längerfristige Variationen der Sonnenaktivität – kein Sonnenzyklus ist wie der andere – verursachen Unsicherheiten. Das gilt ebenso für kurzfristige Änderungen des Strahlungsflusses beim Auftreten von "solar flares" und für kleinere Magnetfeldstörungen. Für letztere ein Beispiel (Tabelle 3): Auf dem Flug Paris–Tokio wurde eine unerwartet hohe Dosis gemessen (6), obwohl zu dieser Zeit keine außergewöhnliche Sonnenaktivität beobachtet worden war. Auf dem anschließenden Rückflug war die Dosis vergleichsweise gering. Vermutlich war eine größere Störung des Erdmagnetfeldes die Ursache. Jeder einzelne Meßflug ist letztlich nur eine "Momentaufnahme" des Strahlenfeldes.
Zu weiteren Unsicherheiten führen die Berechnungsverfahren zum Beispiel für die Daten in Grafik 3 und 4 sowie im Textkasten. Vergleicht man die Daten in Grafik 3 und 4, so findet man signifikante Differenzen. Das liegt daran, daß beide Autorengruppen unterschiedliche Ausgangsdaten, Rechenprogramme und Korrekturen für die Neutronen-Qualitätsfaktoren verwendet haben. Zuletzt seien die großen Unsicherheiten der biomedizinischen Basisdaten für die Qualitätsfaktoren erwähnt.
Das alles aber bedeutet, daß es sich bei quantitativen Angaben von Expositionen – nicht nur im Falle der Höhenstrahlung – nur um mehr oder weniger gute Näherungen handelt. Daher ist immer ein konservatives Vorgehen angebracht, bei der Interpretation von Meßwerten und bei der Festlegung von Grenzwerten.


Beurteilung des Strahlenrisikos bei Flugreisen
Bei Aussagen über das Strahlenrisiko im zivilen Flugverkehr ist zunächst zu unterscheiden zwischen einerseits den Gelegenheitsfliegern und andererseits den Vielfliegern und dem Flugpersonal. Die Expositionen derer, die nur gelegentlich fliegen, sind an den Grenzwerten für die Normalbevölkerung zu messen (Tabelle 4). Als Beispiel sei der Flug Frankfurt–New York (Tabelle 3) erwähnt. Hin- und Rückflug würden eine Strahlenexposition von 120 µSv nach sich ziehen. Dieser konservativ ermittelte obere Grenzwert kann aber nicht unmittelbar mit den in Tabelle 4 angegebenen Grenzwerten verglichen werden. Es sei daran erinnert, daß die Grenzwerte effektive Dosen sind. Kalkuliert man ein, daß die effektive Dosis deutlich niedriger als die Äquivalentdosis von 120 µSv liegt, so beträgt die Exposition bei einer Flugreise Frankfurt nach New York und zurück nur ein Bruchteil des Grenzwertes. Hier sei angemerkt, daß der restriktivere deutsche Grenzwert von 0,3 mSv aller Voraussicht nach durch den Grenzwert der ICRP von 1 mSv ersetzt werden wird. Vergleicht man die Exposition von dieser Flugreise mit der gesamten mittleren effektiven Dosis von 3,6 mSv/a am Boden in Deutschland (Tabelle 1), so ergibt sich ein zusätzlicher, vernachlässigbarer Anteil von rund drei Prozent, der in der Schwankungsbreite des Mittelwertes von 3,6 mSv völlig untergeht.
Eine weitere Vergleichsbasis bieten direkte Abschätzungen des Strahlenrisikos (4, 5): Die Wahrscheinlichkeit für die Krebsinduktion durch Strahlung wird mit 4 bis 11 Fällen/100 Personen mal einem Sievert (Sv) angegeben. Für die vorerwähnte Flugreise nach New York entspricht das umgerechnet zirka fünf bis 13 zusätzlichen Fällen unter 1 000 000 Personen. Diese fünf bis 13 Fälle sind mit den 200 000 bis 240 000 Krebserkrankungen, die in einer gleich großen Bevölkerungsgruppe unter normalen Umständen auftreten, zu vergleichen. Das Risiko, auf dem gesamten Flug einen genetischen Schaden zu erleiden, ist noch um eine Größenordnung kleiner.
Besondere Beachtung kommt Schwangeren zu. Die Risiken für Strahlenschäden des Embryos liegen bei weniger als elf Fällen pro 10 000 Schwangerschaften mal einem mSv (zusammen für alle Risiken wie Abort, genetische und Krebsschäden). Für die Flugreise nach New York errechnen sich weniger als 13 Fälle pro 100 000 schwangeren Frauen. Das Risiko ist rund eine Größenordnung höher als bei Normalpersonen. Es ist hinzuzufügen, daß das normale Risiko für die Geburt genetisch geschädigter Kinder bei 2 000 bis 3 000 pro 100 000 Geburten liegt. Das Krebsrisiko ist vergleichbar mit dem der Normalbevölkerung. Nach allgemeiner Auffassung sollte Schwangeren wegen der Strahlenexposition nicht von einer Flugreise abgeraten werden, insbesondere nicht von Urlaubsflügen in den Süden.
Anders stellen sich die Risiken bei Vielfliegern und fliegendem Personal dar. Obwohl die Expositionen dieser Personengruppen vergleichbar mit denen von Beschäftigten in kerntechnischen Anlagen sind (5), wurde diese Gruppe bisher nicht als beruflich strahlenexponiert klassifiziert und unterliegt deshalb auch nicht der Strahlenschutzüberwachung. Die Expositionen wurden bei unterstellten 600 Flugstunden/Jahr in hohen Breiten auf rund 5 mSv/a geschätzt (7). Das Bundesamt für Strahlenschutz hat in einem neuen Bericht eine maximal mögliche Exposition von 8,3 mSv/a bei 875 Flugstunden pro Jahr in hohen Breiten genannt (3). Diese Werte stellen einen nicht zu vernachlässigenden Bruchteil des neuen Grenzwertes dar, obwohl auch hier – wie schon oben erwähnt – gilt, daß Grenzwerte als effektive Dosen, nicht als Äquivalentdosen angegeben werden. Die US-Luftfahrtbehörde (1) schätzt das zusätzliche Krebsrisiko für das fliegende Personal bei 700 Flugstunden pro Jahr und einer Dienstzeit von 20 Jahren auf Langstrecken auf ein bis zwei Fälle pro 180 Personen.
In der zweiten Hälfte der achtziger Jahre hatten Proteste der Pilotenvereinigungen und ein Bewußtseinswandel in den internationalen und nationalen Strahlenschutzgremien zu intensiven Diskussionen geführt. Die ICRP hat in ihren Empfehlungen von 1990 (4) Vielflieger und fliegendes Personal prinzipiell als beruflich strahlenexponiert anerkannt. Innerhalb der Europäischen Gemeinschaft wurden Richtlinien für den Schutz der betroffenen Personengruppen ausgearbeitet. Die deutsche Strahlenschutzkommission hat nach intensiven Beratungen einen Bericht zur Umsetzung der Vorgaben der ICRP und der EG in nationales Recht vorbereitet (3).


Ausblick
Alle oben berichteten Expositionsdaten basieren auf physikalischen Messungen. Inzwischen liegen auch erste Ergebnisse der biologischen Dosimetrie (Bestimmung von strahleninduzierten Chromosomenaberrationen) an fliegendem Personal vor, die die physikalischen Messungen im großen und ganzen zu bestätigen scheinen, obwohl gegenwärtig die Fallzahlen für statistisch gesicherte Aussagen noch zu klein sind. Epidemiologische Untersuchungen deuten auf erhöhte Risiken für bestimmte Krebsarten beim fliegenden Personal hin, zum Beispiel für Brustkrebs bei Stewardessen. Auch hier sind die Fallzahlen für endgültige Aussagen noch zu klein. Daher sind unter anderem in Deutschland Untersuchungen an größeren Personengruppen als bisher vorgesehen.
Zitierweise dieses Beitrags:
Dt Ärztebl 1996; 93: A-1458–1463
[Heft 22]

Literatur
1. Advisory Circulars, US Department of Transportation, Federal Aviation Administration: Radiation exposure of air carrier crew members, AC No. 120–152, 1990 Radiation exposure of air carrier crew members II, DOT/FAA/AM-92/2, 1992
2. Bramlitt ET: Commercial aviation crewmember radiation doses. Health Phys 1985; 49: 945–948
3. Bundesamt für Strahlenschutz: Die Ermittlung der Strahlenexposition des fliegenden Personals. BfS, 1995
4. ICRP 60, 1990 Recommendations of the International Commission on Radiological Protection (IRCP). Oxford: Pergamon Press, 1991
5. Martignoni K: Radiation risk in commercial aviation. Kerntechnik 1993; 58: 226–228
6. Nguyen VD, Lebaron-Jacobs L, Bouisset P, Kerlau G, Itie C: Real-time determination of the quality factor and dose equivalent of cosmic radiation aboard French airliners. 40th International Congress of Aviation and Space Medicine, Tokio, 1992
7. Regulla D, Schalch D, Scharmann A: Radiation exposure of civil aircrew. Kerntechnik 1993; 58: 299–303
8. Schalch D, Scharmann A: In-flight measurements at high latitudes: fast neutron doses to aircrews. Proceedings of the EG-Workshop on Radiation Exposure of Civil Aircrew, Luxemburg 1991. Radiat Prot Dosim 1993; 48: 85–91
9. Schalch D, Scharmann A: Strahlenexposition in Verkehrsflugzeugen. Naturwiss Rundschau 1993; 46: 348–
352
10. Wilson JW, Townsend LW: Radiation
safety in commercial air traffic: a need for further study. Health Phys 1988; 55: 1001–1003 und Health Phys 1989; 56: 973–974


Anschrift für die Verfasser:
Prof. Dr. DSc. Dr. h. c. mult. Arthur Scharmann
Physikalisches Institut der Justus-Liebig-Universität Gießen
Heinrich-Buff-Ring 16
35392 Gießen

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