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Untersuchung zur biologischen Wirkung der niederenergetischen Strahlung in der Magnetosphäre der Erde

Gutermuth, Frank


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Freie Schlagwörter (Deutsch): Magnetosphäre , niederenergetische Strahlung , Erde
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Strahlenzentrum
Fachgebiet: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 22.12.2000
Erstellungsjahr: 2000
Publikationsdatum: 22.01.2001
Kurzfassung auf Deutsch: Ionisierende Strahlung führt zu Schädigungen in biologischem Gewebe. Die Wirkung der Strahlung hängt von der Ionisationsdichte ab. Um
beispielsweise die erhöhte Wirksamkeit von Schwerionen oder Neutronen zu beschreiben, werden üblicherweise Photonen mit Energien
von einigen hundert bis tausend Kiloelektronenvolt als Referenzstrahlung herangezogen. Es gibt Hinweise in der Literatur, dass Elektronen
und Photonen mit Energien von einigen wenigen bis einigen zehn Kiloelektronenvolt eine erhöhte biologische Wirksamkeit aufweisen. Dies
wird in aktuellen Strahlenschutzüberlegungen nicht berücksichtigt.


Im Strahlengürtel der Erde sind Elektronen und Protonen eines weiten Energiebereichs eingefangen. Auf der Außenhaut von Satelliten
führen die niederenergetischen Teilchen zu erheblichen Strahlungsdosen. In einer Höhe von einigen hundert Kilometern über der
Erdoberfläche, wo sich beispielsweise die Raumstationen MIR und ISS aufhalten, beginnt der Strahlengürtel. Die Gradienten der
Teilchenflüsse sind hier am inneren Rand des Gürtels besonders ausgeprägt, wodurch eine Modellierung erschwert ist. Die zu erwartenden
Oberflächendosen liegen im Bereich von einigen Gray, eine genaue Festlegung ist aufgrund der Unsicherheit der Modelle und der geringen
Anzahl von bisher durchgefürhten Messungen nicht möglich.


Ziel der vorliegenden Untersuchung ist eine experimentelle Bestimmung der biologischen Wirkung dieser niederenergetischen
Strahlungskomponenten in der Magnetosphäre. Hefezellen vom Typ Saccharomyces cerevisae werden auf einem russischen Satelliten im
Strahlengürtel exponiert und das Zellüberleben bestimmt. Während der 12,66-tägigen Exposition wird eine Reduktion des Zellüberlebens
um (33 +/- 7) % festgestellt. Durch einen Vergleich mit Laboruntersuchungen, welche eine genaue Simulation des Weltraumexperimentes
beinhalten, wird eine der biologischen Wirkung der Weltraumexposition äquivalente Röntgendosis von (37 +/- 7) Gy ermittelt. Daraus lässt
sich für eine Flächenbelegung von 11 mg/cm^2 eine Dosisleistung von (2,90 +/- 0,55) Gy pro Tag ableiten.


Die in dieser Untersuchung festgestellte biologisch wirksame Dosisleistung übertrifft die Vorhersagen der gegenwärtig verwendeten
Strahlengürtelmodelle der NASA um einen Faktor 4 bis 5. Im Gegensatz hierzu berichten einige Autoren neuerer Modelle von einer
Überschätzung der niederenergetischen Strahlungsanteile durch die NASA-Modelle. Die das Zellexperiment begleitenden physikalischen
Thermolumineszenzdosimeter weisen jedoch, wie die Reduktion des Zellüberlebens, auf eine Unterschätzung hin.


Die Ergebnisse des Zellexperimentes lassen eine erhöhte biologische Effektivität der niederenergetischen Komponenten im Strahlengürtel
vermuten, wenn man sie mit den Resultaten der Thermolumineszenzdosimetrie vergleicht. Es ist jedoch nicht auszuschließen, dass die
physikalische Dosis am Ort der Zellen etwas größer ist, als dies aus den Thermolumineszenzmessungen hervorgeht, da aufgrund der
Selbstabsorption eine genaue Festlegung der Dosisleistung für sehr kleine Flächenbelegungen erschwert wird. Mögliche Werte für die
relative biologische Wirksamkeit können jedoch aufgrund der Ergebnisse auf einen Bereich zwischen 1 und 2 eingeschränkt werden. Hier
ist zu beachten, dass die biologische Wirkung in dieser Untersuchung unter Ausschluss von Sauerstoff bestimmt wird. Eine Erhöhung der
RBW ist unter aeroben Bedingungen wahrscheinlich weniger stark ausgeprägt.


Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die aus der niederenergetischen Strahlung in der Magnetosphäre in einer Höhe von 220 km
bis 405 km resultierende physikalische Dosisleistung durch die empirischen Strahlengürtelmodelle um einen Faktor 2 bis 5 unterschätzt
wird und die hier ermittelte biologisch wirksame Dosisleistung das ein- bis zweifache der physikalischen Dosisleistung beträgt.
Dosisabschätzungen für nur geringfügig abgeschirmte Exponate im Strahlengürtel, welche auf den bisherigen Modellen und
Strahlenschutzbestimmungen basieren, können daher nur größenordnungsmäßig als zutreffend angesehen werden. Eine genauere
Einschätzung erfordert weitere biologische und physikalische Dosismessungen auf der Oberfläche von Satelliten oder Raumstationen.