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→ Strahlung

Was ist Strahlung?

Unter dem Begriff „Strahlung“ versammeln sich alle Phänomene der Energieübertragung durch Wellen oder

subatomare Teilchen. Die energiereichsten Wellen können sich wie Teilchen verhalten, subatomare Teilchen aber

umgekehrt auch wie Wellen. Das nennt man den Welle-Teilchen-Dualismus. Hier gibt es weitere Informationen.

Das elektromagnetische Spektrum

Wellenstrahlung

Diese Art von Strahlung umgibt uns ständig. Sie ermöglicht es uns

zum Beispiel, diesen Text zu lesen, denn Licht verbreitet sich in

Wellen. Der Ton aus dem Radio erreicht uns über Schallwellen, das

Essen in der Mikrowelle wird mit ebensolchen Wellen erhitzt, die

Sonne bräunt mit Wellenstrahlung und Röntgenstrahlen

durchdringen uns ebenfalls in Wellen. Diese Arten der

Wellenstrahlung sind allesamt Teil des elektromagnetischen

Spektrums. Aus diesem Spektrum ist für uns nur der winzige

mittlere Teil sichtbar, das Licht; doch Tierarten wie Insekten oder

Vögel nehmen auch andere Teile des Spektrums wahr.

Verschiedene Strahlungsarten und ihre Eigenschaften

Elektromagnetische Strahlung wird durch ihre Frequenz charakterisiert, also durch die Anzahl der Wellen pro

Sekunde. Aber auch die Länge einer Welle, also der Abstand zwischen zwei „Wellenbergen“, lässt sich bestimmen.

Frequenzen und Wellenlängen bestimmen

In der Formel c=fλ kommen Frequenz, Wellenlänge und Ausbreitungsgeschwindigkeit (= Lichtgeschwindigkeit)

zusammen. Dabei steht c für die Lichtgeschwindigkeit, f für Frequenz und λ (auch: I) für die Wellenlänge. Wenn c in

Meter pro Sekunde (m s -1 ) und f in Hertz (Hz) angegeben sind, dann ist λ die Wellenlänge in Metern (m).

Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum beträgt knapp 300.000.000 m s -1 .

Je höher die Frequenz, desto kürzer die Wellenlänge.

Der Krebsnebel in vier verschiedenen Wellenlängen

des elektromagnetischen Spektrums:

Licht, längere UV-Strahlung, kürzere UV-Strahlung,

Röntgenstrahlen

Die Energie elektromagnetischer Strahlung

Elektromagnetische Strahlung wird in kleinen Energiebündeln (Quanten), den so genannten Photonen,

ausgesendet. Das Verhältnis zwischen der Frequenz f eines Photons und dessen Energie E wird als E = h f

beschrieben. Dabei steht h für das Plancksche Wirkungsquantum, einer Naturkonstante, benannt nach Max

Planck, einem Mitbegründer der Quantentheorie.

Alle Quanten blauen Lichts mit der Wellenlänge 470 nm (Nanometer, d. h. ein Milliardstelmeter) haben die genau

gleiche Menge an Energie. Photonen roten Lichts mit der Wellenlänge 700 nm sind dagegen energieärmer.

Funkwellen und die Mikrowellen des Handynetzes haben sehr niedrige Frequenzen und sind damit sehr

energiearm. Bei höheren Frequenzen wie ultraviolettem Licht (UV-Licht) trägt jedes Photon wesentlich mehr

Energie. Die energiereichsten Photonen sind die der Gammastrahlung.

Eine Quelle für diese Strahlungsart sind Gammablitze. Sie gehören zu den stärksten Ausbrüchen elektromagnetischer

Strahlung im Weltall und produzieren das hellste Licht, das im Universum bisher entdeckt wurde.


Ionisierende Strahlung

Ab dem hochfrequenten UV-Licht (beispielsweise also bei Röntgen- sowie Gammastrahlen) sind Photonen so

energiereich, dass sie Elektronen aus Atomen „herausschlagen“ können. Zurück bleiben positiv geladene Atome,

d. h. Ionen, weshalb diese Strahlungsart „ionisierende Strahlung“ genannt wird.

Die Ionisierung kann lebende Zellen schädigen. So kann zu viel UV-Einfluss zu Sonnenbrand und auf lange Sicht

auch zu Hautkrebs führen. Röntgen- und Gammastrahlen können noch schneller Krebs hervorrufen oder Zellen

absterben lassen. Aus diesem Grund darf nur Fachpersonal mit derartigen Strahlenquellen umgehen.

Teilchenstrahlung: Radioaktivität und kosmische Strahlen

Die Teilchenstrahlung umgibt uns ständig, macht sich aber nicht so leicht bemerkbar wie die Wellenstrahlung.

Die bekannteste Art der Teilchenstrahlung wird von radioaktiven Atomen ausgesendet. Dabei ist beinahe alles ein

wenig radioaktiv: Steine, Erde, Pflanzen, Tiere, ja sogar wir selbst.

Man unterscheidet zwei Hauptarten von Radioaktivität:

Alphastrahlung (α-Strahlung); dabei bewegt sich der Kern eines Heliumatoms bei etwa 5 % Lichtgeschwindigkeit;

und Betastrahlung (β-Strahlung); dabei bewegt sich ein Elektron bei etwa 90 % Lichtgeschwindigkeit. Radioaktive

Atome emittieren auch Gammastrahlung (γ-Strahlung), doch diese Strahlen breiten sich wellenförmig aus und

gehören daher zum elektromagnetischen Spektrum. Aufgrund des Welle-Teilchen-Dualismus ist es jedoch oft

günstiger, Gammastrahlen in die Teilchenstrahlung einzuordnen. Radioaktive Strahlung stammt zumeist von der Erde.

Doch es gibt noch eine andere Art der Teilchenstrahlung – sie stammt aus dem All und wird daher kosmische

Strahlung genannt.

Was ist kosmische Strahlung?

Die kosmische Strahlung wurde 1912 von dem österreichischen Physiker Victor Hess entdeckt. Während einer

Reihe von Ballonflügen stellte er fest, dass die Ionisierung der Atmosphäre mit steigender Höhe zunahm.

Er schloss daraus, dass „unsere Atmosphäre von oben von einer mächtigen Strahlung durchdrungen wird“. Einige

Jahre danach prägte Robert Millikan die Bezeichnung „kosmische Strahlen“ für diese „außerirdische Strahlung“.

Kosmische Strahlen sind Teilchen, die aus dem Weltall auf die Erdatmosphäre treffen. Zu ihnen gehören Protonen,

Heliumkerne (= Alphastrahlung), Elektronen (= β-Strahlung) und die Kerne schwererer Atome wie Eisen.

Sie alle sind sehr schnell – die schnellsten

erreichen Lichtgeschwindigkeit – und

teilweise milliardenmal energiereicher als

radioaktive Teilchen auf der Erde. Die

energiereichsten kosmischen Strahlen

haben einige Millionen Mal mehr Energie

als die energiereichsten Teilchen, die wir in

den modernsten Teilchenbeschleunigern

erzeugen können, z. B. dem Large Hadron

Collider (LHC) des europäischen

Kernforschungszentrums CERN in Genf.

Einige dieser kosmischen Teilchen stammen

von der Sonne, doch von anderen ist die

Quelle bisher unbekannt. Wahrscheinlich

werden sie bei Supernovae weggeschleudert,

der heftigen Explosion sterbender Sterne.

Bei einer Supernova explodiert ein Überriese. Diese Sternklasse kann bis zum

Zehnmilliardenfachen der Sonnenleuchtkraft besitzen!


Die Auswirkungen von Magnetfeldern

Sollen wir in Deckung gehen?

Die energiereichsten kosmischen Strahlen sind gefährlich wegen ihrer ionisierenden Wirkung. Zum Glück bietet

die Erde sehr guten, zweifachen Schutz durch ihr Magnetfeld und ihre Atmosphäre.

Ein zwischen den Polen eines Magneten verlaufender, unter Strom gesetzter Draht biegt sich im rechten Winkel

zur Richtung des Magnetfelds und des Stromflusses. Nach diesem Prinzip würden sich auch in das Magnetfeld

geschossene Elektronen verhalten. Hier gibt es eine animierte Vorführung dieses Konzepts .

In diesem Bild sind eine SOHO-Aufnahme der Sonne und das Bild eines

Künstlers vom Magnetfeld der Erde miteinander kombiniert.

Das Magnetfeld der Erde funktioniert so ähnlich.

Die aufgeladenen Teilchen der kosmischen Strahlung

werden vom Magnetfeld abgelenkt und treffen so meist

erst gar nicht direkt auf die Atmosphäre. Einige jedoch

verfangen sich in zwei konzentrischen „Schwimmringen“

der Erde. Dies sind die Van-Allen-Gürtel, die 1958 mit dem

amerikanischen Satelliten Explorer 1 entdeckt wurden.

In ihnen werden Teilchen der Sonnenwinde und der

kosmischen Strahlung vom Magnetfeld zum Nord- und

Südpol hin abgelenkt. Beim Auftreffen auf die obere

Atmosphäre regen sie die dort vorkommenden Atome

an. Während diese wieder zur Ruhe kommen, wird ein

Licht ausgesendet – nach einem ähnlichen Prinzip

funktioniert übrigens auch eine Neonröhre. Dieses Licht

ist als Aurora Borealis (Nordlicht) und Aurora Australis (Südlicht) zu sehen. Hier gibt es eine Vorführung des

Teilchenverhaltens in Magnetfeldern.

Ist es draußen sicher?

Wie bereits erklärt, sind wir auf der Erde von einem starken Magnetfeld geschützt. Im restlichen Sonnensystem

ist es jedoch nicht ganz so sicher.

Der Mond ist zu klein, um eine Atmosphäre halten zu

können und sein Magnetfeld hat er zum größten Teil

verloren, als sein flüssiger Kern abkühlte und erstarrte.

Sollte es deshalb einmal eine bemannte Mondbasis

geben, müsste man eine Möglichkeit finden, die

Astronauten dort vor kosmischer Strahlung zu

schützen. Wahrscheinlich wäre dafür eine Basis unter

der Mondoberfläche am sichersten.

Der Mars als vergleichsweise großer Planet wirkt auf den

ersten Blick sicherer. Da allerdings sein flüssiger Kern viel

kleiner als der der Erde war, ist er bereits abgekühlt und

erstarrt, als die Erde noch in den Kinderschuhen steckte.

Deshalb hat auch der Mars praktisch kein Magnetfeld.

Durch diesen Mangel an magnetischer Ablenkung

können kosmische Strahlen direkt auf die Atmosphäre

auftreffen und alle Gasmoleküle davonfegen.

Aus diesem Grund wäre es auf dem Mars genauso

lebensfeindlich wie auf dem Mond.

Diese UV-Aufnahme zeigt das Polarlicht vom All aus gesehen über einer

normalen Aufnahme der Erde. Die hellsten und dunkelsten Stellen des

Polarlichts sind in Falschfarben-Rot bzw. -Blau dargestellt.

Polarlichter sind gegen Mitternacht am hellsten.


Hier gibt es weitere Informationen zum Magnetfeld der Erde.

Teilchen, die es am Magnetfeld der Erde vorbeischaffen, müssen noch ihre Atmosphäre überwinden. Und die hat

quasi die Funktion einer kugelsicheren Weste: Trifft ein kosmischer Strahl auf die obere Atmosphäre, überträgt er

seine Energie auf eine Wolke sekundärer Teilchen, die zur Erde fallen.

Nur sehr wenige dieser Sekundärteilchen erreichen die Erdoberfläche, und wenn sie es tun, sind sie so viel

energieärmer als die Ursprungsstrahlung, dass sie uns nicht schaden können.

Ihre Anzahl steigt, je höher wir in der Atmosphäre aufsteigen. Anfang der fünfziger Jahre nutzten Physiker dazu

Heißluftballons. Weit oben wollten sie kosmische Strahlen nachweisen, bevor diese zu lange mit der Atmosphäre

in Kontakt kamen und ihre Energie abgaben.

Der erste ESA-Satellit für ein großes Einzelexperiment, COS-B, hatte ein Gammastrahlen-Teleskop dabei,

um kosmische Strahlen zu messen. Denn je höher man ist, desto mehr gibt es davon.

Das bedeutet auch, dass Menschen, die häufig bei großer Höhe fliegen (z. B. über den Atlantik), einer geringfügig

höheren Strahlendosis als am Boden ausgesetzt sind.

Teilchenmessung: eine eigene Nebelkammer bauen

Die Nebelkammer wurde Anfang des 20. Jahrhunderts von Charles Wilson erfunden. Sie dient zum Nachweis von

Spuren ionisierender Teilchen in einem Medium. Die Nebeltröpfchen, die beim Durchgang des Teilchens

entstehen, sind vor dem schwarzen Hintergrund zu sehen und enthüllen die Bahn des Teilchens. Hier wird erklärt,

wie man eine Nebelkammer nachbauen kann.

Strahlung und Leben

Astronauten und Kosmonauten, die die Internationale

Raumstation ISS besuchen, umkreisen in ihr die Erde

in rund 400 km Höhe und damit außerhalb der

schützenden Erdatmosphäre. Tatsächlich passiert die

ISS beim Überflug nahe der Ostküste Südamerikas die

Spitze des inneren Van-Allen-Gürtels.

An diesem Punkt der Umlaufbahn erhöht sich das

Strahlungsniveau an Bord etwa um das

Dreißigfache. Innerhalb einer Woche sind die

Astronauten dadurch der Strahlungsmenge eines

Jahres am Boden ausgesetzt.

Seit den Apollo-Mondmissionen in den sechziger

und siebziger Jahren berichten Astronauten von

seltsamen Lichtblitzen, die sie auch mit

geschlossenen Augen sehen. Man vermutet, dass sie

das Ergebnis kosmischer Strahlung sind, die das Auge

durchdringt und dabei entweder einen Blitz im Auge

erzeugt oder Nerven auf der Netzhaut stimuliert.

Mittlerweile erforschen ESA-Astronauten in der ISS

diese Lichtblitze mit dem Experiment ALTEA.

Die Internationale Raumstation

Was ist ALTEA?

Entwickelt wurde das ALTEA-Experiment (Anomalous Long-Term Effects in Astronauts' Central Nervous System;

abnorme Langzeiteffekte im zentralen Nervensystem von Astronauten) von der italienischen Raumfahrtagentur ASI

in Zusammenarbeit mit einem Forscherteam unter Prof. L. Narici von der Universität Tor Vergata in Rom. Es wurde im

Dezember 2006 vom ESA-Astronauten Christer Fuglesang während der Celsius-Mission an Bord der ISS durchgeführt.


Worum geht es dabei?

Zu ALTEA gehört ein Astronautenhelm mit sechs

Teilchendetektoren, die die Bahn der kosmischen

Strahlen auf ihrem Weg durch den Kopf aufzeichnen.

Bei einem Lichtblitz drückt der Träger auf einen Knopf

und der Helm erstellt ein Elektroenzephalogramm (EEG)

zur Aufzeichnung der Hirnaktivität, das Gehirn bzw.

Auge durchquerender kosmischer Strahlen sowie des

Energieniveaus und der Art des Teilchens (Proton,

schweres Eisen usw.).

Was bedeutet ALTEA für uns?

Wir wissen noch nicht, ob ein solcher Lichtblitz die Zellen

in der Netzhaut oder sogar im Gehirn schädigen kann.

ALTEA wird daher noch eine Weile weitergeführt werden,

bis Antworten auf diese Fragen gefunden sind. Und auch

Christer Fuglesang mit dem ALTEA-Helm

ohne den Helm hilft das Experiment bei der allgemeinen

Überwachung der Menge an kosmischen Strahlen an

Bord der ISS.

Ohne diese Messungen wäre es nicht möglich, die Risiken für die Astronauten auf niedriger Erdumlaufbahn und

bei zukünftigen Mond- und Marsmissionen abzuschätzen.

Möglicherweise gewinnen wir dank ALTEA außerdem neue Erkenntnisse über die Abläufe beim Sehen im Auge

und im Gehirn. Dieses Wissen könnte sich in der Medizin als nützlich erweisen.

Biologische und physiologische Auswirkungen von Strahlung

Im Science-Fiction-Film „Die fantastischen Vier“ sind vier Astronauten während einer Forschungsmission im All

kosmischer Strahlung ausgesetzt, die ihnen Superkräfte verleiht. Leider hat das All in der Realität keine solche

Wirkung, stattdessen schädigt ionisierende Strahlung unsere Zellen.

Sowohl die wellenförmige Ionen- als auch die Teilchenstrahlung schleudern Elektronen aus Atomen und

Molekülen. Diese durchlaufen dann chemische Reaktionen mit anderen Atomen und Molekülen in der Zelle, und

es entstehen dadurch sowohl kurz- als auch langfristige Folgen.

Wer ionisierender Strahlung, z. B. Röntgenstrahlen, ausgesetzt ist, sollte Schutzkleidung aus Blei tragen.

Besonders bei Arbeiten mit radioaktiven Substanzen ist dies notwendig. Blei kommt jedoch bei bestimmten

anderen Strahlungsarten nicht infrage, da es einen Schauer aus Sekundärteilchen auslösen würde.

Trotz alledem und obwohl wir ständig von Strahlung umgeben sind, scheinen sehr geringe Dosen keine

Auswirkungen auf unsere Zellen zu haben. Bei leicht erhöhten Dosen erkennen die Zellen Schäden an ihrer DNA

und lösen die Heilung aus.

Bei höheren Dosen ist der DNA-Schaden irreparabel. Dann spricht man von Mutationen, die an Tochterzellen

weitergegeben werden. Eine mögliche Folge davon ist Krebs. Hier ist zu sehen, wie Strahlung DNA dauerhaft

schädigen kann.

Ab einem gewissen Ausmaß des Strahlungsschadens erkennt die Zelle die Änderungen und vollzieht den

programmierten Zelltod („Apoptose“). Dieser Mechanismus hindert geschädigte Zellen daran, sich zu teilen und

später Probleme zu verursachen. Er ist völlig natürlich und vollzieht sich ständig.


Strahlung wird dann zum Problem, wenn die Dosis ausreicht, um viele Zellen auf einmal abzutöten.

Leicht anfällige Zellen wie die Magenschleimhaut, Haarfollikel oder das Knochenmark, das weiße Blutkörperchen

für das Immunsystem bildet, sind am stärksten betroffen. Ihre Schädigung beeinträchtigt das Immunsystem,

führt zu Haarausfall und schwerem Durchfall mit Blut – dies sind die Symptome der Strahlenkrankheit.

Auch Personen, die beim Umgang mit stark radioaktiven Stoffen einen Unfall haben, zeigen diese Symptome.

Wir kennen sie hauptsächlich aus Untersuchungen an Überlebenden der Atombomben auf Hiroshima und Nagasaki.

Langzeitaufenthalte im All

Astronauten auf Missionen außerhalb der Erdumlaufbahn haben zwei Hauptprobleme. Zum einen müssen sie

auf den Schutz der Erdatmosphäre und des Magnetfelds verzichten. Damit ist die allgemeine Strahlendosis viel

höher als an Bord der ISS, die die Erde in 400 km Höhe umkreist. Nach nur wenigen Tagen würde ein Astronaut

auf dem Weg zum Mars so viel Strahlung ausgesetzt sein wie in einem Jahr auf der Erde.

Zum anderen schwankt die Aktivität der Sonne. Sie kann plötzlich in einer so genannten Sonneneruption

hochenergetische Protonen und Elektronen ausstoßen. Ereignet sich eine solche Eruption in Richtung des

Raumfahrzeugs mit den Mars-Astronauten an Bord, müssten sich diese in einen speziellen Schutzraum

zurückziehen, um der tödlichen Strahlendosis zu entgehen.

ISS-Astronauten tragen deshalb ein Dosimeter, das die herrschenden Dosen aufzeichnet.

Und da draußen?

Auch auf dem Mars oder Mond müssten die Astronauten Schutzräume bauen, da die Himmelskörper kaum bzw.

keine Atmosphäre und nur sehr schwache Magnetfelder haben. Das heißt, das Strahlungsrisiko ist auf der

Oberfläche fast so groß wie im All.

Derzeit werden viele Möglichkeiten für einen solchen Schutz getestet. Eine der einfachsten wäre es, den Lebensraum

der Astronauten unter der Oberfläche anzulegen.

Je mehr Zeit Astronauten

in der ISS verbringen

und je konkreter

die Pläne für Missionen

zum Mond und Mars

werden, desto wichtiger

wird das ALTEA-Experiment

werden.

Kosmische Strahlung ist

ein Fakt – man muss

Wege finden, damit zu

leben!

Künstlerische Darstellung einer Marsstation

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