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OUs - Ökosysteme/Umwelt: Standortfaktor - Strahlung
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Strahlung

Alles Leben auf oder nahe der Erdoberfläche ist von Strahlungen umgeben, und zwar einerseits von der Sonnenstrahlung und andererseits von der langwelligen Wärmestrahlung von in der Nähe befindlichen Oberflächen. Strahlung und Energiehaushalt bestimmen das Klima direkt oder indirekt über Wasserverdunstung, Wolkenbildung und Niederschlag und den lokalen und globalen Einfluss auf das Temperaturgeschehen. Die Gesamteinstrahlung an Sonnenenergie auf die Erdoberfläche (Globalstrahlung) hat direkte und diffuse Anteile und ist wegen Reflexion und Absorption in der Atmosphäre in mittleren geographischen Breiten im Durchschnitt nur etwa halb so intensiv wie die Strahlung, die außerhalb der Atmosphäre in Richtung Sonne gemessen werden (Solarkonstante). Etwa die Hälfte der Globalstrahlung entfällt auf den Bereich der sichtbaren Strahlung (Licht), wobei die kurzwellige Strahlung immer energiereicher ist. Die Strahlung aus dem Weltraum wird als Höhenstrahlung bezeichnet und besteht im Wesentlichen aus Gammastrahlung aber auch anderen schweren Teilchen (Neutronen, Mesonen). Die Intensität der Strahlung kann bei intensiver Sonnentätigkeit sehr stark zunehmen.

Direkte und diffuse Sonneneinstrahlung

Die elektromagnetische Strahlung der Sonne stammt aus der Fusion von Wasserstoffionen zu Heliumatomen, wobei Energie frei wird in Form von elektromagnetischer Strahlung. Das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung ist im Wellenbereich von 100 - 1000 nm biologisch wirksam. Gase und Staub verringern die durch die Atmosphäre dringende Strahlung je nach Frequenz bzw. Wellenlänge verschieden stark.
Direkte Sonneneinstrahlung - Das Sonnenlicht wird bei der Durchdringung durch die Atmosphäre wesentlich (bis 67%) abgeschwächt. Die Durchdringung von Wolkendecken, Wasser und Vegetation führt zu einer weiteren Schwächung der Einstrahlung und auch zu einer Änderung der spektralen Zusammensetzung. Die Strahlenenergie, die an klaren Tagen auf die Erdoberfläche fällt besteht aus 10% UV-Licht, zu 45% aus sichtbaren und zu 45% aus infrarotem Licht (Wärmestrahlung). Die sichtbare Strahlung wird bei der Durchdringung der Wolkendecke am wenigsten vermindert und bleibt für die Photosynthese erhalten. Die Vegetation absorbiert die blauen und roten sichtbaren Wellenlängen kräftig, der grünen Wellenlängen hingegen weniger.
Diffuse Strahlung - Die diffuse Komponente der Globalstrahlung dringt wesentlich besser (tiefer) in Pflanzenbestände ein als die direkte Strahlung. Pflanzen erhöhen je nach Form und Größe der Blätter den Anteil diffuser Strahlung im Bestand (Nadeln erzeugen viel Streulicht). Ein Teil der Globalstrahlung wird von den getroffenen Oberflächen reflektiert, worauf die Pflanzendecke einen Wesentlichen Einfluss hat. Ein Fichtenwald reflektiert nur etwa 10%, kahler Boden kann bis zu 30%, frisch gefallener Schnee bis zu 80% reflektieren.
Strahlungsbilanz - Nach Ausnutzung der photochemischen Energie (Sonnenlicht) durch die Pflanze muss der große Rest der einfallenden Globalstrahlung wieder abgegeben werden. Ein Blatt hat prinzipiell 4 Wege um die aus der Strahlungsbilanz resultierende und vom Blatt absorbierte Energie zu entsorgen: die thermische Abstrahlung, die photochemische Energiebindung (Photosynthese), die Transpiration von Wasser und die Energieabgabe durch Wärmekonvektion.
Über die Wärmeleitfähigkeit der Blattgrenzschicht zur Luft und der Diffusionsleitfähigkeit der Blattepidermis für Wasserdampf nehmen die Pflanzen mit ihren Blättern physiologisch und morphologisch Einfluss auf ihr eigenes Klima, aber auch auf das Klima ihrer Umgebung, wobei sie ganz von der Wasserversorgung abhängig sind. Bei Wassermangel kann nicht gekühlt werden und die Wärmeabfuhr erfolgt lediglich durch Konvektion (Luftbewegung, bei insuffizienter Kühlung tritt der Hitzetod ein. Deshalb haben Pflanzen in heißen, trockenen Gegenden steilgestellte und stark reflektierende Blätter (geringe Strahlungsabsorption und gute thermische Koppelung zur Luftbewegung). Pflanzenbestände haben im Gegensatz zu Einzelpflanzen noch den Nachteil der aerodynamischen Behinderung für den Wärme- und Gasaustausch. Je dichter und niederwüchsiger ein Bestand, desto stärker ist die Entkoppelung von den atmosphärischen Bedingungen und desto größer ist daher der Wärme- und Feuchterückhalt. In flachwüchsige Gebirgspflanzen (sog. Polsterpflanzen), herrschen so in deren Blattschicht bei Sonneneinstrahlung feucht-tropische Bedingungen (Mikroklima).

UV-Strahlung

UV-Strahlung - Der Bereich 250-280 nm wird UV-C, von 280-320 UV-B und von 320-390 UV-A-Strahlung genannt. Der Sonnenbrand wird im wesentlichen durch den UV-B-Anteil ausgelöst, die UV-A-Strahlung hingegen löst in der Regel eine Hyperpigmentierung ohne Rötung der Haut aus. Die kurzwelligen UV-Strahlung (UV-C) unter 290 nm, die für Protoplasma tödlich ist, wird von der Ozonschicht in 25 km Höhe absorbiert und ist somit von entscheidender Bedeutung für das Leben auf der Erde, denn diese Strahlung ist photochemisch aktiv und wirkt zerstörend auf Nukleinsäuren und Proteine.

Wärmestrahlung

Die Wärmestrahlung, die andere energetische Komponente der Umwelt, wird von jeder Oberfläche mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunktes abgegeben. Aber nicht nur der Boden, Wasser und Vegetation, sondern auch die Wolken strahlen ganz wesentliche Beiträge an Wärmeenergie in die Ökosysteme ab. Die langwellige Strahlung ist dabei ständig vorhanden, wohingegen die gerichtete Sonnenstrahlung nur bei Tag einfällt.

Höhenstrahlung

Die Strahlung aus dem Weltraum wird als Höhenstrahlung bezeichnet, wobei die wesentliche Strahlungskomponente eine Gammastrahlung ist. Die Gesamtintensität der Höhenstrahlung (kosmische Strahlung) ist gering und hängt von der Höhe über dem Meeresspiegel ab, da die aus dem Weltall eindringende bzw. in der obersten Stratosphärenschichte gebildete Strahlung durch die dazwischen liegenden Luftschichten erheblich abgeschwächt wird. Auf Meeresniveau ist sie eine Sekundärstrahlung, da die Primärstrahlung aus dem Weltraum (Protonen, alpha-Teilchen u.a.) in der Atmosphäre oberhalb von 20 km vollständig zersetzt und in andere Teilchen umgewandelt wird. Die niedrigsten Werte werden daher auf Meeresniveau beobachtet (etwa 0,2 mSv/a). Mit zunehmender Höhe nimmt auch die Höhenstrahlung stark zu. Sie kann in den Gasteiner Bergen bis 0,6 mSv pro Jahr gehen. Der Durchschnittswert in Österreich liegt bei 0,36 mSv pro Jahr. Die gesamte externe Dosis (Summe aus Boden- und Höhenstrahlung) liegt um 0,8 mSv pro Jahr.
Die Höhenstrahlung in 10.000 m Höhe beträgt etwa 4 µSv pro Stunde, in 12.000 m Höhe 7,5 µSv/h. Ein Transatlantikflug mit etwa 8 Stunden Flugzeit ergibt daher eine Dosis von etwa 0,04 mSv. Ein einzelner Langstreckenflug verursacht also eine nur sehr geringe Dosis, bei einer starken Häufung von Flügen ist dieser Dosisbeitrag jedoch nicht vernachlässigbar.

Radionuklide in der Atmosphäre

Die natürliche radioaktive Strahlung setzt sich aus der terrestrischen und der kosmischen Strahlung zusammen. Die durchschnittliche Strahlenexposition der österreichischen Bevölkerung (Effektivdosis pro Jahr) beträgt 4,6 mSv. Davon fallen 1 mSv auf die kosmische und terrestrische Strahlung, ca. 2 mSv auf die Inhalation von Radon und Folgeprodukten, der Rest auf künstliche Radioaktivität. Im österreichweiten Durchschnitt lag die Strahlenexposition im ersten Jahr nach dem Unfall in Tschernobyl (Mai 1986 - April 1987) bei 0,54 mSv. Anmerkung: Eine Effektivdosis von bis 100 mSv zeigt bei Lebewesen statistisch keine nachweisbaren Effekte (?!).
Untersuchungen haben gezeigt, daß nach dem Reaktorunfall von Tschernobyl alpine Höhenstufen besonders stark radioaktiv kontaminiert wurden. Im alpinen Bereichen werden Radionuklide von der Vegetation aufgenommen. Die Flachgründigkeit der Böden sowie langsamer Abbau der organischen Substanz bewirken eine hohe Persistenz künstlicher Radionuklide innerhalb alpiner Ökosysteme, besonders die langlebigen Isotope 90Sr und 137Cs. Der radioaktive Fallout wurde im Gasteinertal anhand von Flechten am Stubnerkogel studiert und deren Ergebnis veröffentlicht.

Der Unfall im Kernkraftwerk von Tschernobyl am 26. April 1986 verursachte mehr als 10 Tage lang hohe Aktivitäten in die Atmosphäre (UMWELTBUNDESAMT 1986). Die erste radioaktive Wolke erreichte Österreich am 30. April. Heftiger Regenfall machte das Bundesland Salzburg zu den am stärksten belasteten Gebieten in Westeuropa (WHO 1986, STEINHÄUSLER et al. 1988). Nach Schätzungen russischer Experten wurden bei dieser Katastrophe 1 bis 2 × 10E18 Bq (10E18 = Trillion) frei. Strontium (90Sr) entwich zu 4 %, 137Cs zu 13 % und 131I zu 20 %. Die leichtflüchtigen Edelgase entwichen fast zu 100 % (UMWELTBUNDESAMT 1986). Der Aktivitätsanteil der beiden relativ langlebigen Cäsiumisotope 137Cs und 134Cs stieg innerhalb von drei Jahren von 10% auf 90% (NIEMANN et al. 1989). Radiocäsium ist somit die wichtigste Größe bei der Beurteilung der längerfristigen Folgen des Reaktorunglücks von Tschernobyl.
Strontium (90Sr) hat eine physikalische HWZ von 28 Jahren und eine sehr lange Verweildauer im Knochen (wird wie Calcium in den Knochen eingebaut), wodurch eine langdauernde Strahlenbelastung gegeben ist. Die aktuelle Strahlenbelastung von 137Cs ist deutlich höher. Das in der Umwelt gefundene Plutonium entstammt zu über 99% dem "fall out" überirdischer Atombombenversuche der 50er und 60er Jahre. Plutoniumisotope (entstehen bei Kernwaffenexplosionen und in Kernkraftwerken) haben beim Zerfall durch die energiereiche alpha-Strahlung krebserzeugende Wirkung.

Anmerkung: Die Höchstzulässige Ganzkörperdosis für beruflich Strahlenexponierte (Röntgenstrahlen pro Jahr) ist mit 0,05 Gy (=5 rd) festgelegt (entspricht 50 mSv bzw. 5 rem). Da ionisierende Strahlen je nach Strahlenart eine unterschiedliche biologische Wirksamkeit zeigen, wurde die Äquivalentdosis eingeführt. Die Äquivalentdosis berücksichtigt zusätzlich die Art der ionisierenden Strahlung (Strahlungswichtungsfaktor). Röntgenstrahlen, Gammastrahlen und ß-Strahlen haben den Strahlungswichtungsfaktor von 1 - Energiedosis und Äquivalentdosis sind somit hier gleich.

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Anmerkung: Die Textstelle des Kernkraftwerkunfalles von Tschernobyl wurde dem Umweltbericht des Austrian Research Centers Seibersdorf 2001 entnommen.

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© 1.3.2007 by Anton Ernst Lafenthaler
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