Wirkungen von Atomexplosionen

residuale Strahlung – Fallout

Früher Fallout

Üblicherweise wird nach frühem (lokalem) und spätem (globalem) Fallout unterschieden. Früher Fallout ist definiert als der, der den Boden innerhalb von 24h erreicht. Besonders bei bodennahen Detonationen kann eine erhebliche radioaktive Kontamination großer Landstriche erzeugt werden, die unmittelbare biologische Risiken darstellt. Später Fallout besteht aus kleinen, unsichtbaren Partikeln, die sich in niedriger Konzentration über einen beträchtlichen Teil der Erdoberfläche ausbreiten können. Die unmittelbaren Gefahren durch diese Partikel sind deutlich geringer, weil die Aktivität aufgrund der Abklingrate deutlich gemindert ist. Es besteht aber die Gefahr von Langzeitschäden.
Die Strahlungscharakteristik des frühen Fallouts hängt ab von der Menge der Spaltprodukte und der durch Neutroneneinfang erzeugten Isotope. Das Verhältnis beider wird überwiegend vom Verhältnis von Spaltungs- und Fusionsenergie bestimmt, die bei der Detonation frei wurde. Aber auch andere Mechanismen können eine Rolle spielen, wie “Fraktionierung” und “Salzen” (s.u.).
Während der Abkühlung des Feuerballs kondensieren die radioaktiven Partikel zusammen mit den Teilchen, die von unten in den Feuerball eingesogen wurden. Bei Detonationen über Land bestehen letztere vorwiegend aus festen und geschmolzenen Boden- mineralien. Außerdem können die verdampften Spaltprodukte mit Dämpfen anderer Stoffe kondensieren und kleine, solide Partikel formen. Im Verlauf wird sich die Zusammensetzung dieser Partikel verändern: Fraktionierung. Bei bodennahen Detonationen zeigen die großen Partikel, die in der Nähe des Detonationsortes gefunden werden, andere Strahlungscharakteristiken als die, die weiter entfernt zu Boden fallen.

Beispielsweise entsteht Fraktionierung, wenn aus den Gasen Krypton und Xenon durch radioaktiven Zerfall Rubidium und Caesium entstehen, die dann auf festen Teilchen kondensieren. Als Folge werden die ersten Teilchen, die nahe dem Detonationspunkt zu Boden gehen, einen geringeren Teil an Krypton und Xenon enthalten, und ebenfalls einen kleineren Anteil ihrer Zerfallsprodukte. Anderer- seits werden kleinere Teilchen, die länger in der Luft bleiben einen größeren Anteil dieser Isotope enthalten.
Ein anderes Phänomen trägt zur Fraktionierung bei. Mit der Abkühlung des Feuerballs kondensieren die Spaltprodukte ent- sprechend ihren physikalischen Eigenschaften bei verschiedenen Temperaturen, bei höherer Kondensationstemperatur kondensieren sie früher und auf größeren (Boden)-Partikeln, bei niedrigerer Kondensationstemperatur später und auf kleineren Partikeln, weil die größeren schon weitgehend zu Boden gefallen sind.

Entstehung

Neutronen-induzierte Aktivität

Wenn Neutronen, die bei der Kernspaltung freigesetzt werden, aus der Kettenreaktion heraus- fallen, werden sie vom übrigen Waffenmaterial, den Sauerstoff- und Stickstoffatomen der Umgebung oder verschidenen Stoffen am Erdboden eingefangen. Viele von diesen Stoffen werden dadurch radioaktiv und tragen dadurch zur residualen Strahlung bei.
Die induzierte Aktivität hängt großenteils ab von der Konstruktionsart der Bombe und den verwendeten Stoffen. Radioaktive Isotope, die durch Neutroneneinfang entstanden, bleiben in den Trümmern nach der Detonation erhalten. Dazu gehören Uran-237 und -239, Neptunium-239 und -240. Im Zeitraum zwischen 20 Stunden und 2 Wochen können diese Isotope bis zu 40% der Aktivität der Waffen-Residuen ausmachen. Zu anderen Zeiten ist ihre Aktivität vernachlässigbar im Vergleich zu den Spaltprodukten.

Wenn Neutronen mit dem Sauerstoff oder Stickstoff der Atmosphäre reagieren, ist die dadurch erzeugte Radioaktivität unbedeutend, was die frühe residuale Strahlung betrifft. Wenn Sauerstoff-16 ein Neutron ein- fängt, entsteht ein Stickstoff-Isotop mit einer HWZ von nur 7 Sekunden. Es wird also in nur 1 min fast völlig zerfallen sein. Fängt Stickstoff-14 ein Neutron ein, entsteht Kohlenstoff-14 mit einer HWZ von 5730 Jahren. C-14 zerfällt unter Emission eines Beta-Partikels aber ohne Gamma- strahlung. Es entsteht ständig in der Atmosphäre unter Einwirkung der kosmischen Strahlung. Die Gesamtmenge von C-14 auf der Erde wird auf 50 bis 80 t geschätzt, davon befinden sich 1 t in der Atmosphäre und 0,2 t in der Biosphäre. Durch die Atombombentests sollen zusätzlich ca. 2,25 t C-14 in die Atmosphäre gelangt sein, von denen der größte Teil inzwischen in den Ozeanen gebunden ist. Innerhalb von 40-80 Jahren soll der C-14 Anstieg auf 1% über normal gefallen sein.
Einen wichtigen Beitrag zu residualen Strahlung leistet der Neutroneneinfang verschiedener Elemente auf dem Erdboden oder im Wasser. Im Vordergrund steht hier wohl das Natrium-24. Das Isotop besitzt eine HWZ von 15 Stunden und emittiert beim Zerfall ein Beta-Partikel und – wichtiger – ein Gammaquant hoher Energie.
Auch das Radioisotop Mangan-56 (HWZ 2,6 h) ist von Bedeutung. Es findet sich in den meisten Böden und ist essentiell für das Pflanzenwachstum. Beim Zerfall entstehen mehrere Beta-Partikel und mehrere Gammaquanten. In den ersten Stunden nach einer Atomexplosion ist es wohl noch problematischer als Natrium. Silicium-31 (HWZ 2,6 h) und Aluminium-28 (HWZ 2,3 min) tragen erheblich zur hohen Aktivität innerhalb der ersten Stunde bei. Auch Metalle wie Zink, Kupfer, weniger Eisen, werden radioaktiv, Holz und Kleidungsstoffe weniger, dafür aber Glas wegen des hohen Anteils an Natrium und Silicium. Auch Lebensmittel können radioaktiv werden, vorwiegend wegen ihres Natriumgehalts.
Uran und Plutonium: Nicht-gespaltene Uran- und Plutoniumreste stellen weitere Strahlenquellen dar. Ihr Beitrag zur Gesamt- aktivität ist wegen ihrer langen HWZ aber eher gering (HWZ von U-235 703,8 Mio. Jahre, U-238 4468 Mio. Jahre, Pu-239 24110 Jahre). Beim Zerfall entstehen Aplpha-Teilchen und Gammaquanten geringer Energie. Gelangen aber größere Mengen durch Inhalation oder Ingestion in den Körper, stellen sie ein großes Risiko dar. Plutonium z.B. reichert sich in Knochen und Lunge an. Dort können erhebliche Spätschäden auftreten. Man glaubte zeitweise, dass nach dem Einsatz einer großen Anzahl von Atomwaffen die weltweite Verteilung von Plutonium eine große Gefahr darstellte. Heute geht man davon aus, dass radioaktive Spaltprodukte – insbesondere Strontium-90 – viel gefährlicher sind.

Tritium

Tritium (HWZ 12,3 J) entsteht durch Interaktion schneller Neutronen der kosmischen Strahlung mit Stickstoff. Kleine Mengen entstehen durch Kernspaltung, größere Mengen aber durch Explosion thermonuklearer Waffen. Die Fusion von Deuterium und Tritium läuft zwar viel schneller ab als die anderen thermonuklearen Reaktionen. Trotzdem bleibt einiges übrig. Auch können die schnellen Neutronen aus der Kernfusion mit dem Luft-Stickstoff Tritium erzeugen. Die Gesamtmenge an Tritium auf der Erde war nach den Atombomben-Testserien (1963) auf den 16- bis 18-fachen Wert angestiegen. Im Regen fanden sich manchmal Werte bis zum 100-fachen der Normalwerte. Beim Zerfall entstehen Betapartikel niedriger Energie aber keine Gammastrahlung. Tritium stellt daher nur ein Risiko dar bei Inkorporation. Aber das meiste liegt als Tritium-Wasser vor. Wegen der großen Verdünnung sind die Risiken aber im Vergleich zu denen der Spaltprodukte zu vernachlässigen.

“Saubere” und “schmutzige” Waffen

Die Begriffe “sauber” und “schmutzig” werden oft verwendet, um zu beschreiben, ob eine Waffe im Vergleich zu etwas, was man als “normal” betrachten könnte, weniger oder mehr Strahlung produziert. Eine thermo- nukleare Bombe ohne spaltbaren Mantel, bei der der Fusionsanteil bei der Detonationsenergie deutlich überwiegt, gilt als eher sauber. Eine reine Spaltungsbombe ist per se “schmutzig”.
Die Zusammensetzung des Fallouts kann auch durch “Salzen” verändert werden. Dabei werden bestimmte Elemente oder Isotope zugesetzt, um Radioaktivität zu induzieren. Bei einigen Tests wurden solche radioaktiven “Markierungen” verwendet, um die radioaktive Wolke und ihren Fallout zu studieren. Bei der Kobalt-Bombe wird Kobalt im Mantel verwendet. Durch Fusionsneutronen entsteht Cobalt-60, ein Gammastrahler mit einer HWZ von 5 Jahren, welches extremen radioaktiven Fallout erzeugt, mit dem eine Landschaft für lange Zeit unbewohnbar gemacht werden kann. Bisher sollen aber noch keine Kobalt-Bomben getestet oder gebaut worden sein. Gold kann zur Erzeugung von kurzwirksamem Fallout verwendet werden (Tage), Tantalum und Zink für mittelfristigen (Monate).
Eine weitere Variante stellt die Neutronenbombe (enhanced radiation weapon) dar, bei der die große Anzahl schneller Neutronen durch die Fusionsreaktion absichtlich nicht innerhalb der Bombe absorbiert wird sondern entweichen kann. Die Reflektoren und Hüllen der Bombe werden dafür aus Chrom oder Nickel gefertigt, welches die Neutronen weitgehend passieren lässt. Diese Neutronen stellen den wesentlichen zerstörerischen Mechanismus dar. Sie durchdringen Abschirmungen leichter als Gamma- strahlen so dass normale Abschirmungen weitgehend unwirksam werden. Der Begriff “enhanced radiation” bezieht sich aber mehr auf die Strahlung, die unmittelbar bei der Detonation abgegeben wird und nicht auf eine “Verstärkung” des Fallouts (wie beim “Salzen”).

Hohe atmosphärische Detonationen

Bei atmosphärischen Detonationen, so hoch über dem Boden, dass kein Material von der Oberfläche in den Feuerball gesogen wird, kondensieren die radioaktiven Überreste zu Partikeln einer Größe von 0.01 bis 20 µm. Diese Partikel werden, abhängig von der Detonationskraft der Bombe und den atmosphärischen Bedingungen, in sehr grosse Höhe getragen und fallen nur sehr langsam zu Boden. In dieser Zeit ist die Radioaktivität so weit abgeklungen, dass keine signifikante akute Bedrohung von ihnen ausgeht. Andererseits kann am Boden unter dem Detonationspunkt durch Neutroneneinfang Radioaktivität induziert werden. Das Ausmaß hängt von verschiedenen Faktoren wie Größe und Art der Bombe, Detonationshöhe und Zusammensetzung des Bodenmaterials ab.

Detonationen nahe der Bodenoberfläche

Je mehr sich der Detonationspunkt der Erdoberfläche nähert, um so mehr Bodenmaterial wird in den Feuerball gesogen. Auch nimmt die Größe der hochgerissenen Bodenteilchen zu, auf denen dann in solidem oder geschmolzenem Zustand das vaporisierte, radioaktive Bombenmaterial kondensiert. Die Größe der Partikel liegt im Bereich von 1 µm bis mehreren mm, von denen die größeren innerhalb von 24 h zur Erde zurückfallen und einen frühen Fallout produzieren.
Strategische Waffen im Megatonnen-Bereich, wie sie in den 50er und 60er Jahren von den USA und der UdSSR entwickelt wurden, sind bis heute weitgehend durch kleinere Waffen ersetzt worden, die in niedrigerer Höhe detonieren. Die typische Sprengkraft moderner Waffen liegt im Bereich zwischen 200 und 750 kt. Studien mit speziellen Klima-Modellen haben ergeben, dass diese Reduktion der Sprengkraft zu einer erheblich höheren Belastung durch Fallout führt als Studien aus den 60er und 70er Jahren ergaben.
Bei Detonationen tief unter der Erdoberfläche bleibt die Radioaktivität unter der Oberfläche und es entsteht kaum radioaktiver Fallout. Findet die Detonation dicht unter der Erdoberfläche statt, wird ein Teil der Radioaktivität in die Atmosphäre ausgeworfen. Je nach Tiefe, Erdbeschaffenheit und Detonationskraft wird mehr oder weniger Aktivität ausgeworfen bzw. fällt wieder in den Krater zurück. Vorwiegend kleinere Partikel werden weiter vom Detonationsort wegverfrachtet. Die größten Brocken bleiben im Krater oder in dessen unmittelbarer Nähe.

Über- und Unterwasser-Detonationen

Bei niedrigen Überwasser- Detonationen bilden Wasser und Salz, vom Feuerball in die Atmosphäre gerissen, meist erheblich kleinere Teilchen, die – bei niedriger Luftfeuchtigkeit – viel später kondensieren. Nur bei sehr hoher Luftfeuchtigkeit können die Salzkristalle eine starke Wolkenbildung generieren, so dass durch örtliche Schauer Aktivität in größerem Umfang zu Boden fällt. Durch Neutroneneinfang wird zusätzlich Aktivität im Wasser erzeugt. Durch die Abklingrate und Verdünnungseffekte verringert sich die anfängliche Aktivität innerhalb der ersten 30 min zu vergleichbar niedrigen Werten. Bei Detonationen unter Wasser werden große Mengen Salzwasser mitgerissen, die sich schnell abregnen und hohen lokalen Fallout erzeugen. Detonationen an der Wasser- oberfläche nehmen eine Mittelstellung ein. Man schätzt, dass 20-30% des Gesamt-Fallouts innerhalb der ersten 24 h niedergehen. Bei Detonationen in seichten Gewässern gelangt zusätzlich Material vom Boden in die Wolke. Beim Bikini-Baker Test (1946, 20 kt, Wassertiefe 60 m) hinterließ der Regen auf den Schiffen eine Schicht aus salzhaltigem, kalkartigen Material, die nur schwer zu dekontaminieren war. Wegen der geringen Wassertiefe war auch der Verdünnungseffekt kleiner, so dass es 2-3 Tage dauerte, bis die Gegend einigermaßen sicher war.
Boden-Detonationen: Über die Fallout-Verteilung bei Bodendetonationen ist mehr bekannt. Der frühe Fallout macht ca. 40-70% des Gesamt-Fallouts aus, im Vergleich zu Detonationen an der Wasseroberfläche mit 20-30%. Der Rest des Fallouts erreicht nach deutlichem Abklingen der Radioaktivität in hunderten bis tausenden von Kilometern den Boden. Die Verteilung auf dem Boden hängt großenteils von der Bodenbeschaffenheit und den Wetterverhältnissen ab. Auch die Verteilung der Aktivität innerhalb des Atompilzes spielt eine Rolle. Ca. 90% befinden sich im “Hut” des Pilzes, der Rest im Stamm. Auch wenn die größten Partikel innerhalbkürzerer Zeit und in kleinerem Umkreis um den Detonationspunkt zu Boden gehen, ist – besonders bei Detonationen im Megatonnen-Bereich – die Aktivität des übrigen frühen Fallouts so hoch, dass er eine große Bedrohung für Betroffene darstellt. Die Kontamination kann große Gebiete betreffen und als eine der schlimmsten Folgen eines Atombombenabwurfs betrachtet werden. Wind- und Wetterverhältnisse (Niederschläge) in Verbindung mit der Oberflächenstruktur (Berge) bestimmen die Ausbreitung des Fallouts. Dabei können “hot spots” entstehen, Orte mit deutlich höherer Aktivität als in ihrer Umgebung. Durch Niederschläge können auch bei hohen atmosphärischen Detonationen Regionen mit erheblicher Belastung durch frühen Fallout entstehen. Dabei spielt auch die Höhe der Regenwolken (bei Gewitterstürmen bis zu 20 km) und die Höhe der radioaktiven Wolke eine Rolle. Durch Regen kann Oberflächenaktivität aber auch ausgewaschen und an andere Orte verfrachtet werden oder in tiefere Bodenschichten gelangen und die Oberflächenaktivität verringern.

Abklingrate des frühen Fallouts

Isoplethen

Das Verhalten des Fallouts wurde vorwiegend nach Tests auf der Nevada Test Site und auf den Pacific Proving Grounds am Nordrand der Marshall Inseln untersucht. Die räumliche Verteilung des Fallouts wird durch Isoplethen (Linien gleicher Konzentration) veranschaulicht. Die atmosphärischen Tests in Nevada beschränkten sich auf Detonationen unter 100 Kilotonnen. Sie fanden überwiegend auf Stahlgerüst-Türmen in Höhen von 30 bis 210 m oder an Fesselballons in Höhen von 120 bis 450 m statt. Nur ganz wenige Tests erfolgten wirklich am Boden. Deren Detonationsstärken lagen bei 1 kt oder darunter. Tests mit thermo- nuklearen Bomben bis zu 15 Mt erfolgten im Pazifik, nur wenige von ihnen auf den Atoll-Inseln, die meisten auf Schiffen in flachen Lagunen-Gewässern. Bei all diesen Tests wurde jedenfalls eine erhebliche Menge Meerwasser in den Atompilz gesogen. Der Fallout war daher sicher anders als bei echten Boden-Detonationen.
Überwiegend empirisch ergeben sich für eine Bodendetonation Daten, die in nebenstehender Tabelle zusammengefasst sind. Sie gelten für eine völlig ebene Bodenoberfläche, einen Wind von 15 Meilen/Stunde ohne Scheerwinde in unterschiedlichen Höhen und einen Spaltungs- anteil an der Detonationsstärke von 100%. Die Referenz-Energie- dosisleistung (Ref.-EDL) entspricht der Energiedosisleistung 1 Stunde nach Beendigung des frühen Fallouts (s. obige Abbildung). Aus ihr kann mit der Beziehung y=x-1,2 (s.o.) die Gesamtdosis für einen Zeitraum t2 – t1 (von Bedeutung z.B. operative Tätigkeit in belastetem Areal) und die akkumulierte Gesamtdosis für den Ort mit t1 = t0 und t2 → ∞ (z.B. für die ortsansässige Bevölkerung) bestimmt werden. Y (yield) ist die Detonationsstärke in kt. Die Graphik rechts wurde mit Hilfe der Werte dieser Tabelle erstellt (Punktmarkierungen). Die Kurven folgen der Beziehung:
Ref.-EDL = 460 • 4.8log(Y) • (6 • x-1.5 – 0.024 • 0.21log(Y)).
Beim Click auf den Button “Maximal-Weite” und “GZero-Weite” werden die Daten aus der 3. und 4. Spalte gezeigt. Die durchgezogenen Linien dieser Kurven wurden aber per Hand gezeichnet. Eine Formel- Beziehung ist in anbetracht der wechselnden Exponenten in den Tabellenspalten nicht ohne weiteres möglich.
Die Bedeutung der Begriffe “Abwind-Distanz”, “Maximal-Weite” und “Weite an Ground Zero” werden in untenstehender Graphik verdeutlicht.

Für unterschiedliche Windgeschwindigkeiten (v) wurden Korrekturfaktoren (F) ermittelt,
für Geschwindigkeiten über 15 Meilen pro Stunde: F=1+(v-15)/60 und
für Geschwindigkeiten unter 15 Meilen pro Stunde F=1+(v-15)/30.
Die Abwind-Distanzen aus obiger Tabelle müssen mit diesem Faktor multipliziert werden. Sie gelten im Bereich von ca. 8 bis 45 Meilen pro Stunde, weil sonst zusätzliche Effekte, z.B. Turbulenzen oder Scheerwinde, dominieren.
Ein “schönes” Beispiel ist der Bravo-Test auf dem Bikini-Atoll am 1. März 1954. Damals unternahmen die Amerikaner in heftigem Wett- rüsten mit den Russen um einsatzfähige Wasserstoffbomben ihren größten Test, ließen die Sicherheit aber etwas schleifen. Es kam wohl durch nicht ausreichend berücksichtigte Höhenwinde (bösartige Menschen behaupten, die Mikronesier dort seien absichtlich als “Guinny-pigs” benutzt worden) zu schwerwiegender Verstrahlung auf benachbarten Atollen, die dann erst sehr zögerlich evakuiert wurden. Außerdem wurde ein japanisches Fischerboot (mit dem Namen “Fukuryu Maru” – “glücklicher Drache”) so massiv durch Fallout verstrahlt, dass ein Fischer einige Monate später starb, die anderen über Jahre an Strahlenkrankheit litten.

Die Mikronesier wurden jahrelang hin-und-her verfrachtet und nur zögerlich und spät entschädigt. Statt dessen wurden aber von Militärärzten jahrelang verschie- denste Untersuchungen durch- geführt, die möglicherweise nicht ausschließlich der Behandlung dienten. Früher wohl zugängliche Quellen sind im WWW derzeit wieder blockiert.
Nach den immer noch spärlichen Informationen (genaue Test-Daten noch immer “classified”), handelte es sich um eine 3-stufige (fission- fusion-fission) 15 Mt-Bombe mit einem Spaltungsanteil von 80% an der Detonationskraft. Wind- richtung am Boden aus Süd- westen, nach der Graphik ca. 16 mi/hr. Ein großer Teil des Riffs und des Lagunenwassers wurde in die Luft geblasen, zwei kleinere Inseln verschwanden vollständig, die Insel “Nam” teilweise.
Betrachtet man die kursierende Graphik, liegt die Vermutung nahe, dass es in größeren Höhen einen Scheerwind aus nordwestlicher Richtung gegeben hat, der vom Kommando der Operation (trotz Höhenmessungen mit Ballons) nicht bemerkt (?) oder ignoriert wurde. Betrachtet man nur den Bodenwind aus Südwesten mit ca. 16 mi/hr, kann man mit oben angestellten

Überlegungen versuchen, die ursprüngliche Fallout-Kalkulation zu rekonstruieren. Die Referenz-Energiedosisleistung für die 15 MT Bravo-Test Bombe zum Zeitpunkt 1h nach der Detonation beträgt:

Ref.-EDL = 460 • 4,8log(15 000) • (6 • x−1,5 – 0,024 • 0,21log(15 000)).

Die akkumulierte Energiedosis für einen Punkt exakt abwindig bei 80% Spaltungsanteil beträgt:

EDacc = Ref.-EDL • Ffiss • FΔ acc = Ref.-EDL • 0,8 • FΔ acc.

Wenn man die Zeit vom Beginn des Fallouts bis 96h nach der Detonation betrachtet und Δt die Zeit von der Detonation bis zum Eintreffen der Fallout-Wolke ist gilt bei einem Radius der Atompilzwolke von 28 Meilen und einer Windgeschwindigkeit ohne Scheerwinde von 16 Meilen pro Stunde.

Die Graphik rechts oben wurde mithilfe dieser Gleichung geplottet. Für Energiedosen von 3000, 1000, 300 und 100 rad ergeben sich Abwind-Distanzen von 93, 156, 271 und 437 Meilen. Die Maximal-Weite und die Weite bei Ground Zero wurden nach obiger Graphik der Referenz-Energiedosisleistung etwas grob abgeschätzt. Das Ergebnis der Kalkulation sieht man bei Anklicken des Buttons “Glasstone”.
Der Vergleich der Ausbreitung des Fallouts nach den gemessenen und hier rekonstruierten Werten zeigt, dass bei fehlenden Scheerwinden in großer Höhe der Fallout nördlich der Atolle (außer dem Bikini Atoll) niedergegangen sein müsste. Durch die nicht berücksichtigten Winde (aus 287° Nordwesten) wurde der Fallout aber deutlich nach Süden über die Atolle Alinginae, Rongelap und Rongerik verfrachtet. Bis zu ihrer Evakuierung 44h nach Beginn des Fallouts erhielt die Bevölkerung von Rongelap Strahlendosen bis zu 175 rad.

Auch wenn die Informationen immer noch weniger als spärlich sind, ist davon auszugehen, dass in den Atombombenschmieden der USA und der UdSSR vor ihren Tests und für ihre Kriegssimulationen erheblich ausgefeiltere Berechnungs- methoden entwickelt wurden. Man kennt Simulationsprogramme wie SIMFIC (Simplified Fallout Interpretive Code), DELFIC (Defense Land Fallout Interpretive Code), Newfall und AIRRAD (1989 von Wasmer Consulting für die Sandia National Laboratories und die US Army entwickelt). AIRRAD kann als Zip-Datei heruntergeladen und in einer Dos-Box gestartet werden. Nach Eingabe der Basisdaten, z.B. auch Windrichtungen und -geschwindigkeiten in bis zu 20 verschiedenen Höhen, kann man verschiedene Simulationen durchführen oder die Fallout-Konturen zeichnen lassen. Zusätzlich downloadbare ausführliche Beschreibungen lassen die Komplexität der Berechnungen gut erkennen.
Alle diese Abschätzungen unterliegen erheblichen modifizierenden Faktoren, die zu erheblichen Abweichungen des realen Fallouts von den Schätzwerten führen können. Z.B. hat die Bodenbeschaffenheit Einfluß auf die Partikelgröße und deren Fallgeschwindigkeit, die Oberflächenstruktur kann die Windrichtung und -geschwindigkeit verändern. Luftfeuchtigkeit hat Einfluß auf die Kondensation verdampften Materials, Niederschläge verursachen Auswascheffekte und die Sonneneinstrahlung kann über Thermik die Partikel-Sedimentation beeinflussen. Und meistens finden sich in unterschiedlichen Höhen – die stabilisierte radioaktive Wolke kann immerhin bis zu Höhen von fast 40 km aufsteigen – wechselnde Windrichtungen und -stärken. Durch Scheerwinde wird der Fallout über einen breiteren Bereich verteilt und die Kontour des Fallout-Gebiets verbreitert aber auch verkürzt.

später Fallout – atmosphärische Verteilung

Bei hohen atmosphärischen Detonationen gelangt die meiste Radioaktivität in so hohe Luftschichten, dass sie ganz überwiegend dem späten Fallout zugerechnet werden kann. Anders verhält es sich bei Oberflächendetonationen an Land oder auf dem Wasser, wo nur ca. 40% bzw. 70% als später Fallout vom Himmel fallen.

Bei Detonationen von weniger als 100 kt an der Erdoberfläche oder in der unteren Atmosphäre erreicht die radioaktive Wolke eine Höhe von gerade 10 bis 12 km. Sie bleibt weitgehend innerhalb der Troposphäre, die bis zu einer Höhe von 8km an den Polen und 16 km am Äquator reicht. Dieser Teil der Atmosphäre ist weitgehend für das Wettergeschehen verantwortlich. Mit ihrem hohen Wassergehalt, vertikalen Luftbewegungen und Niederschlägen bringt sie die radioaktiven Partikel großenteils innerhalb weniger Wochen und im Bereich von 10 bis 15 Breitengraden vom Detonationspunkt entfernt zur Erde. In dieser Zeit ist der Gehalt an relativ kurzlebigen Isotopen noch ziemlich groß. Das größte Risiko geht in dieser Phase vom Jod-131 mit einer HWZ von 8 Tagen aus. Über die Milch aufgenommen, reichert es sich in der Schilddrüse an.
Mit größeren Detonationsstärken erreicht ein zunehmend großer Anteil an radioaktiven Partikeln die Stratosphäre. Die Stratosphäre reicht bis zu einer Höhe von 50 km. Sie ist extrem trocken und wird im Gegensatz zur Troposphäre vom Sonnenlicht – also von oben – erwärmt. Die Temperaturen steigen mit zunehmender Höhe an, so dass es kaum vertikale Zirkulation gibt. Die radioaktiven Partikel können hier bis zu einigen Monaten und Jahren verbleiben (“half-residenz time” ca. 10 Monate), bleiben aber trotzdem überwiegend in derselben Hemisphäre. Vorwiegend im Winter und Frühjahr gelangen sie meist von den Polen her in die Troposphäre. Die Aufenthaltsdauer beträgt hier im Mittel 30 Tage. Der größte Teil gelangt dann mit den Niederschlägen in den gemäßigten Zonen zur Erde. Trotz der heftigen Niederschläge in äquatorialen Zonen kommt hier aber nur wenig Fallout an, weil sich die Luftmassen zu langsam von den Polen bis zum Äquator bewegen. Nach dieser langen Zeit ist das Jod-131 weitgehend zerfallen und die Risiken verschieben sich hin zu Isotopen mit langer Halbwertszeit, insbesondere Strontium-90 (HWZ 27,7 J) und Caesium-137 (HWZ 30 J), die sich ebenfalls über die Nahrungskette im Körper anreichern. Strontium und Caesium sind nicht nur wegen ihrer Halbwertszeit sehr ungünstig sondern entstehen auch in ziemlich großer Menge bei den Spaltungsprozessen während der Detonation. Aus 1000 gespaltenen Atomen entstehen ca. 30 bis 40 Atome Strontium und 50 bis 60 Atome Caesium.
Es gibt im wesentlichen zwei Risiken aus der Exposition gegenüber niedrig dosierter Strahlung: Krebs und genetische Defekte. Lange Zeit herrschte wissenschaftlicher Streit, ob es eine Schwelle für diese Schäden gebe. Ein allgemein anerkannter Report (Beir III) kommt zum Ergebnis, dass eine Ganzkörper-Exposition von 100 Millisievert zu einem Anstieg der Krebshäufigkeit von 0,5% bis 1,4% führt und zu 50 bis 750 schweren genetischen Defekten auf 1 Mio. Lebendgeburten. Danach würde eine durchschnittliche Belastung von 20 Millisievert nach einem Atomkrieg innerhalb von 50 Jahren zu 600 000 bis 1,7 Mio zusätzlichen Krebs-Todesfällen und 40 000 bis 600 000 zusätzlichen genetischen Defekten führen. Wenn die Auswirkungen von Kohlenstoff-14 über mehrere Tausend Jahre mit berücksichtigt werden, müssen die Zahlen verdoppelt werden.

Zusammensetzung

Definitionsgemäß erreicht später (globaler) Fallout den Boden nach Ablauf von mehr als 24h nach der Detonation. Später Fallout besteht, wie oben beschrieben, aus kleinen, unsichtbaren Partikeln, die sich in niedriger Konzentration über einen beträchtlichen Teil der Erdoberfläche ausbreiten können. Deren unmittelbare Gefahren sind deutlich geringer als die des frühen Fallouts, weil die Aktivität aufgrund der Abklingrate deutlich gemindert ist. Es besteht aber die Gefahr von Langzeitschäden. Während beim frühen Fallout die Gefahr überwiegend von der Gammastrahlung ausgeht, die den Körper von außen trifft, oder von Betastrahlung, die durch unmittelbaren Kontakt die Haut verbrennt, gehen die Gefahren des späten Fallouts überwiegend von inkor- porierten Isotopen aus, die mit der Nahrung, insbesondere über die Milch, aufgenommen werden. Von den 300 verschiedenen Isotopen, die bei einer Atomexplosion entstehen (s. Kap. Kernspaltung), sind wegen ihrer Konzentration, ihrer Halbwertszeit und wegen ihrer biologischen Aktivität besonders Jod-131, Strontium-90 und -89 und Caesium-137 und -134 bedeutsam. Die übrigen sind entweder sehr kurz- oder extrem langlebig oder sie entstehen nur in äußerst geringen Mengen bzw. spielen wegen ihrer geringen biologischen Aktivität im Organismus keine große Rolle.
Ähnliches spielte sich bei der thermischen Detonation und dem anschließenden Graphit-Brand des Atomkraftwerks von Chernobyl am 26. April 1986 ab. Nur ist die Zusammensetzung der Radionuklide in einem Reaktor, in dem über längere Zeit nicht nur Kernspaltungs- sondern auch Neutronenabsorptions-Prozesse ablaufen anders als bei Atomexplosionen und die Nuklide werden nicht alle zum gleichen Prozentsatz freigesetzt (siehe Tabellen).

Außerdem gelangten in Chernobyl die radioaktiven Partikel wesentlich langsamer in die Atmosphäre, so dass sich kein typischer Atompilz ausbildete. Der Fallout erreichte daher nicht in die Stratosphäre und wurde überwiegend regional verteilt. In den USA wurden nur geringe Spuren des Chernobyl-Fallouts registriert, in Europa und Asien waren die Folgen aber um so verheerender.
Mengenangaben erfolgen in der Literatur in Becquerel oder in Curie; der Umrechnungsfaktor beträgt 1 Ci = 3,7 • 1010 Bq.

Caesium

Caesium-Fallout geriet nach dem Chernobyl-Unfall zum “top”-Thema. Das Element Caesium (Ordnungszahl 55) kommt in Granit und Sediment-Gesteinen in sehr geringer Menge (0,0001 bis 0,0004%) als stabiles Cs-133 vor. Reines Caesium ist neben Gold und Kupfer das dritte gelbe Metall oder genauer ein Alkalimetall wie Kalium. Gleichzeitig ist es das unedelste Alkalimetall und daher besonders reaktiv. Das chemische Verhalten ähnelt dem von Kalium, es kann aber dessen Stoffwechselfunktionen nicht ersetzen und wird daher von Organismen nicht im gleichen Verhältnis wie Kalium aufgenommen. Reines Caesium ist sehr weich, und hat nach Quecksilber den niedrigsten Schmelzpunkt aller Metalle (28,45°C). In dieser Form kommt es aber kaum natürlich vor, weil es sehr heftig mit dem Sauerstoff in Luft und Wasser reagiert. Den Namen erhielt es 1861 von den Entdeckern Bunsen/Kirchhoff wegen seiner hellblauen (caesius) Spektrallinien. Die häufigste kommerziell genutzte Quelle ist das Mineral Polluzit, welches zwischen 5 und 32% Caesiumoxid (Cs2O) enthält. Das größte Polluzit-Vorkommen befindet sich in Manitoba in Kanada. Verwendung findet es in Fotozellen, Caesiumdampf-Lampen für Nachtsichtgeräte, Gettermetall für Vakuumröhren, Ionenstrahl-Triebwerken und Atomuhren (Caesiumuhr als Zeitnormale).

Von den bekannten Isotopen (Cs-129 bis -137) kommt nur das stabile Cs-133 natürlich vor. Die übrigen Isotope entstehen künstlich durch Kernspaltung oder Aktivierung. Die meisten von ihnen besitzen eine sehr kurze Halbwertszeit zwischen 29,2 min bis 13,16 Tagen oder eine sehr lange HWZ (2 Mio. Jahre für Cs-135). Lediglich die Isotope Cs-134 und -137 sind mit mittellangen HWZ (2,06 bzw. 30,17 Jahren) im Fallout von Bedeutung. Cs-134 entsteht vorwiegend in Atomreaktoren durch Neutronen-Aktivierung des Spaltprodukts Cs-133 (Cs-135 durch Aufnahme eines weiteren Neutrons), Cs-137 im Reaktorbetrieb ebenso wie bei Atomexplosionen durch Kernspaltung. Aus dem Mengenverhältnis dieser beiden Isotope wird z.B. bestimmt, ob eine gefundene Caesium-Kontamination eher dem älteren Atomtest-Fallout (fast nur Cs-137) oder dem Chernobyl-Fallout (Cs-134 und -137) zuzurechnen ist.

Caesium-137 ist von Bedeutung wegen seiner Häufigkeit, seiner relativ langen HWZ und seiner biologischen Aktivität. Cs-137 wandelt sich mit einer HWZ von 30,17 Jahren (94,6%) unter einem Beta-minus-Zerfall (Umwandlung eines Neutrons in ein Proton unter Emission eines Elektrons) mit einer Energie von 0,512 MeV zu Barium-137m und dies mit einer HWZ von 2,6 min unter Emission eines Gamma-Quants (0,622 MeV) zum stabilen Ba-137. Aufgrund dieser Gammastrahlung ist die Caesium-137-Ablagerung auf dem Boden ein guter Maßstab für die Gammastrahlen-Belastung und damit für die Verteilung zusätzlicher Krebserkrankungen aufgrund externer Strahlung.

In kontaminierten Böden werden 85% des Radiocaesiums schnell an Bodenpartikel (vorwiegend Ton und Mergel) gebunden, 15% bleiben verfügbar zur Aufnahme in Pflanzen. Je nach Bodenmaterial kann der Prozentsatz schwanken. Auch der Kaliumgehalt des Bodens spielt bei der biologischen Verteilung eine Rolle. Problematisch ist die lange Verweildauer in den oberen Bodenschichten. Caesium unterliegt kaum Auswascheffekten. Die Verweildauer entspricht daher fast der radioaktiven HWZ. Das an Bodenpartikel gebundene Caesium gelangt allerdings auch kaum in den biologischen Kreislauf und ist daher allenfalls für eine äußere Strahlenbelastung relevant. Ungebundenes Caesium, welches in den biologischen Kreislauf gelangt, unterliegt aber besonders in Waldgebieten einem verhängnisvollen Kreislauf und kann über herabfallendes Blattwerk wieder zurück in den Boden oder über die Pflanzen in Weide- oder Waldtiere gelangen. In diesem Kreislauf kann es sich in manchen Pflanzen und Tieren erheblich anreichern.
Die chemische Reaktivität und das Verhalten im Stoffwechsel ähnelt der von Kalium. Wird Caesium vom Körper aufgenommen, verteilt es sich ziemlich gleichmäßig in den Weichteilen. Etwas höhere Konzentrationen findet man in Muskeln, geringere in Knochen. Caesium wird über den Urin und in geringerem Maß über den Stuhl ausgeschieden. Die biologische Halbwertszeit im Körper beträgt ca. 100 Tage.

Nach dem Chernobyl-Unfall vom 26.04.1986 wurden aus Süddeutschland und Österreich erschreckende Zahlen berichtet.  Nur sagen einem als Laien Angaben von mehreren Tausend Becquerel/m² nichts, wenn man keinen Vergleich hat. So wurde oft die Frage gestellt, ob die Caesium-Belastung nach dem Unfall höher gewesen sei als die durch die atmosphärischen Atomtests. Die Antwort ist nicht so einfach, weil es sich bei den aus Atomtests stammenden Caesium-Werten in Europa um globalen Fallout handelt, der teilweise bis in die Stratosphäre gelangt war. Immerhin ein Viertel dieses Fallouts (24%) erreichte auch die Südhalbkugel der Erde. Beim Unfall von Chernobyl gelangte das radioaktive Material aber nur auf eine Höhe von ca. 1500 m und verteilte sich ganz überwiegend mit dem Niederschlag in bestimmten Regionen “downwind” vom Unglücksort. Kein Fallout von Chernobyl wurde auf der Südhalbkugel registriert.

Jod-131

Jod ist wie Fluor, Chlor, Brom und Astat ein Halogen (Salzbildner). In Reinform bildet es schwarz-violette Kristalle, die bei Raumtemperatur sublimieren, d.h. direkt in den Gaszustand übergehen, ohne vorher zu schmelzen. Siede- und Schmelzpunkt liegen bei 114 und 185 °C. Jod ist als Salz gut wasserlöslich und wird wegen seiner oxidativen Eigenschaften als Desinfektionsmittel verwendet. Im Körper wird es in der Schilddrüse stark angereichert. Jod gehört zu den selteneren Elementen. Früher wurde es aus Seetang gewonnen, heute fast ausschließlich aus Chilesalpeter. Das einzige natürlich vorkommende Isotop ist das stabile Jod-127. Von den radioaktiven Isotopen I-120 bis I-135 entstehen nur I-129 (Spalthäufigkeit ca. 1%) und I-131 (2,9%) in nennenswerter Menge bei der Spaltung von Uran oder Plutonium. Mit einer HWZ von 15,7 Mio. Jahren und entsprechend niedriger spezifischen Aktivität stellt I-129 im Gegensatz zu I-131 kein besonderes Risiko dar.

Dadurch erzeugt die Spaltung von 1 kg U-235 eine I-131-Aktivität von 74,36 • 1015 Bq, im Vergleich dazu aber nur 0,1169 • 1015 Bq Caesium-137 und 0,06993 • 1015 Bq Strontium-90 (kalkuliert nach Tabelle-5). Pro kt Sprengkraft entstehen 5,9 • 1015 Bq Iod-131 bzw. 0,0074 • 1015 Bq Cs-137 und 0,0070 • 1015 Bq Sr-90.

Obige Tabelle zeigt, dass bei Atomexplosionen die Jod-131-Emission mehr als 600x über der von Cs-137 liegen. Wegen seiner kurzen HWZ klingt die Aktivität innerhalb weniger Wochen beträchtlich ab (nach 1 Monat um ca. 93,75%).

In einer ganzen Reihe von Berichten haben sich Organisationen um die Aufklärung des Zusammenhangs der Jod-131-Emission vom Nevada-Testgelände mit Krebserkrankungen der amerikanischen Bevölkerung bemüht: das United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation (UNSCEAR), das US National Academy of Sciences Committee on the Biological Effects of Ionizing Radiation (BEIR), und die International Commission on Radiological Protection (ICRP). Vom National Cancer Institute wurde ein Bericht im WWW veröffentlicht (“Estimated Exposures and Thyroid Doses Received by the American People from I-131 in Fallout Following Nevada Atmospheric Nuclear Bomb Tests”), der detaiiliert die Beziehung zwischen Jod-131-Kontamination des Bodens, Belastung der Milch und Schilddrüsenkrebsrate aufzeigt, u.a. mit vielfältigen US-County-Karten der Jod-131- Bodenkontamination sowie der Jod-131-Belastung der Milch (s. Abb. 26+27) und der Strahlenbelastung der Bevölkerung. Bei Kindern ist das Schilddrüsenkrebs-Risiko durch radioaktives Jod besonders hoch und ihr hoher Milchkonsum verstärkt diesen Effekt. Die Diskussionen um die durch den Fallout von der “Nevada Test Site” (NTS) hervorgerufenen Krebserkrankungen dauern bis heute an. Die Schätzungen bezüglich Schilddrüsenkrebs liegt im Bereich zwischen 10 000 und 75 000 Erkrankungen. Nach langem Sträuben erliess die US-Bundesregierung ein Gesetz, nach dem den Betroffenen 50 000 US-$ als Kompensation zugesprochen wurden.

Häufungen von Schilddrüsenkrebs fanden sich auch in ande- ren Gegen- den mit loka- lem und regionalem Fallout, z.B. auf den Marshall-Inseln (bis 2003 ca. 123 zusätzliche Fälle). Nach dem Unfall von Chernobyl traten allein in Weissrußland ca. 5300 zusätzliche Schilddrüsen-Krebserkrankungen auf (in den letzten 12 Jahren vor dem Unfall 1392, in den folgenden 13 Jahren kamen 5449 Fälle dazu). Andere Quellen berichten von 4000 Fällen von Schilddrüsenkrebs, 9 Patienten seien daran verstorben. Die maximalen Bodenkontaminationen von Jod-131 lagen dabei über 37 000 kBq/m². Auch für die Umgebung des russischen Atomtestgeländes von Semipalatinsk und für die Überlebenden von Hiroshima und Nagasaki wird in verschiedenen Untersuchungen eine erhöhte Rate von Schilddrüsenkrebs berichtet. Wegen mangelnden Problembewusstseins oder aus politischen Gründen wurden genauere Daten damals nicht erhoben oder sie wurden bis heute nicht veröffentlicht.
Im Gegensatz zum locoregionalen Fallout ist der globale Fallout von Jod-131, anders als der von Caesium und Strontium, von geringerer Bedeutung. Die atmosphärischen Tests weltweit hatten im Durchschnitt eine deutlich höhere Sprengkraft als die Atombomben, die auf der NTS getestet wurden. Der größte Teil des Fallouts der thermonuklearen Detonationen von mehr als 1 Mt, die für 90% des Fallouts verantwortlich sind, gelangte in die Stratosphäre. Die mittlere Aufenthaltsdauer dieses Fallouts in der Stratosphäre betrug ca. 1 Jahr. Bei der relativ kurzen HWZ war daher die Aktivität des Jod-131 großenteils abgeklungen, bevor der Fallout den Boden erreichte. Wegen fehlender Meßdaten aus der Zeit der atmosphärischen Tests und weil die J-131-Aktivität aus jener Zeit heute praktisch nicht mehr nachweisbar ist, können genaue Daten und Karten nicht mehr rekonstruiert werden. Abbildung 28 zeigt die Jod-131-Bodenkontamination von Chernobyl in den USA. Zu beachten ist der Maßstab im Vergleich mit der Kontamination durch die NTS (Bq/m² bzw. kBq/m²).

Strontium

Das dritte im Bunde der wichtigen radioaktiven Spaltprodukte ist das Element Strontium (Ordnungszahl 38). Es wurde erstmals 1790 von A. Crawford im Mineral Strontianit (SrCO4) in einem Bleibergwerk in Schottland entdeckt. Den Namen erhielt es wie das Mineral von der nahen Stadt “Strontian”. Es gehört zusammen mit Beryllium, Magnesium, Calcium, Barium und Radium zu den Erdalkalimetallen. In Reinform ist es sehr weich, silbrig-weiß-glänzend und läuft an der Luft gelb-grau an. Der Schmelzpunkt liegt bei 777°C, Siedepunkt bei 1382°C. Strontium zeigt sich sehr reaktionsfreudig und verbrennt bei Erhitzen unter Funkensprühen, in Pulverform entzündet es sich spontan. In der Natur kommt es außer als Strontianit auch als Mineral Cölestin (SrSO4) vor. Hauptfundorte sind in England, Spanien und Mexiko. Verwendung findet es als Leuchtstoff in Fernsehschirmen, bei der Herstellung von Ferritmagneten, als Strontiumtitanat wegen des hohen Brechungsindexes in optischen Geräten und wegen der roten Farbwirkungen in Feuerwerkskörpern. Neuerdings wird über Erfolge bei der Osteoporosebehandlung durch Strontium-Ranelat berichtet. Andererseits weisen Einzelberichte über Strontiumvergiftungen auf bestimmte Formen von Osteomalazie und Rachitis hin, insbesondere bei Kindern.

In der Natur findet man vier stabile Isotope: Sr-84 (0,6%), Sr-86 (9,9%), Sr-87 (7,0%) und Sr-88 (82,6%). Sr-87 ist ein Zerfallsprodukt von Rubidium-87 (HWZ 48,8 Millionen Jahre). Sr-86 dagegen ist kein radioaktives Zerfallsprodukt. Aus dem Verhältnis von Sr-86 zu Sr-87 kann das Alter mancher Gesteine bestimmt werden. An radioaktiven Nukliden werden beim “Korea Atomic Energy Research Institute” 28 verschiedene Isotope aufgelistet. Davon gelten aber nur neun als bedeutsam (z.B. “Webelements”): Sr-80 bis -83, -85, -89 bis -92. Sechs von ihnen wurden im Fallout von Atomexplosionen oder in entsorgtem Reaktorbrennstoff nachgewiesen: Sr-82, -85, -89 bis -92. Während die übrigen nur in geringen Mengen innerhalb einer Zerfallskette über Yttrium, Zirkonium oder Rubidium entstehen, sind Sr-89 und Sr-90 mit einem Anteil von je ca. 3% auch direkte Zerfallsprodukte der atomaren Spaltstoffe U-235, U-238, Pu-239 und Pu-240. Bei annähernd gleichem Anteil unter den Spaltprodukten unterscheiden sich die HWZ von etwas über zwei Tagen (Sr-89) bzw. über 28 Jahren (Sr-90) beträchtlich. Entsprechend invers verhalten sich die spezifischen Aktivitäten (1043,40 • 1012 bzw. 5,217 • 1012Bq/g) und die bei Atomexplosionen oder auch dem Chernobyl-Unfall freigesetzte Aktivität mit einer Verhältnis von 200:1 bzw. 10:1 (s.o., Tab. 2 und 3). Weil die Aktivität von Sr-89 vier bis fünf mal so schnell abklingt wie die von Jod-131, ist es zwar im lokoregionalen Fallout von großer, global aber von geringer Bedeutung und nach wenigen Jahren kaum noch nachweisbar. Mit einer HWZ, die der des Cs-137 sehr nahe kommt, bedeutet der Sr-90-Anteil im Fallout aber eine beträchtliche mittel- und langfristige Belastung. Sr-89 wird in der Krebstherapie verwendet zur Schmerzlinderung bei Knochenmetastasen und Sr-85 zur Knochenszintigraphie.

Sr-89 zerfällt unter Emission eines Beta-Partikels von 1,495 MeV zum stabilen Yttrium-89. Auch Sr-90 ist ein Beta-Emitter (546 keV). Den größten Schaden richtet es aber über sein Tochter-Nuklid Yttrium-90 an. Dieses hat eine HWZ von 64,1 Stunden, zerfällt so schnell wie es erzeugt wird ins stabile Zirconium-90 und emittiert dabei ein Beta-Partikel von 2,28 MeV. Die Reichweite von Beta-Partikeln im Gewebe beträgt bei 546 keV ca. 2 mm, bei 1,498 MeV 8 mm und bei 2,28 MeV 11 mm (s. Kap. Strahlung und Wechselwirkungen/Beta-Strahlen). Strontium ähnelt in seinem chemischen Verhalten dem Calcium und wird vom Körper im Knochen angereichert. Der größte Teil des vom Körper aufgenommenen Strontiums wird mit einer biologischen HWZ von 40 Tagen relativ schnell wieder ausgeschieden. Knapp 10% werden aber im Knochen dauerhaft (biolog. HWZ 50 Jahre) eingebaut. Weil Knochenmark zu den strahlensensibelsten Geweben gehört, bedeutet das ein großes Risiko bei hohen Dosierungen hinsichtlich Blutbildungsstörungen, bei niedrigeren Dosierungen hinsichtlich einer Beeinträchtigung des Immunsystems und der Gerinnung und langfristig eine Leukämiegefahr.

Die Ausbreitung des Strontium-Fallouts ähnelt der des Caesium. Karten der Bodenkontamination durch die Tests in Nevada zeigt das gleiche Kontaminationsmuster. Die Dichteunterschiede sind durch die unterschiedliche Spaltausbeute von 3,50% (Sr-90) zu 5,57% (Ca-137) zu erklären. Die Gesamtmenge der durch die NTS-Tests freigesetzten Nuklide betragen für Sr-90 1,8 (für Cs-137 2,3) • 1015Bq, für die weltweit durch die atmosphärischen Tests freigesetzten Nuklide 622 (Cs-137 948) • 1015Bq. Für Sr-89 betragen die Werte 330 (NTS) und 117 000 (globale Tests) • 1015Bq. Die kumulative globale Sr-90-Boden- belastung (Deposition + Abklingquote) durch die Atomtests verhält sich ganz analog zu der von Caesium-137. Der Abstand der beiden Kurven erklärt sich aus der unterschiedlichen Spaltausbeute. Der Anstieg im Jahr 1986 durch den Chernobyl-Unfall fällt aber beim Strontium so gering aus, dass er in der Kurve nicht erkennbar ist.
Anders als Caesium ist Strontium mit seinen hohen Schmelz- und Siedetemperaturen (777 und 1382°C im Vergleich zu Caesium mit 29 bzw. 671°C) kaum flüchtig und bei der Reaktordetonation und anschließenden Graphitbrand großenteils im Reaktor verblieben. Ca. 30% des Reaktorbestands an Caesium wurden bei dem Unfall freigesetzt (ca. 85 • 1015Bq) im Gegensatz zu ca. 5% des Strontium (ca. 10 • 1015Bq). Möglicherweise haben diese physikalischen Eigenschaften dazu beigetragen, die relativ kleinen Strontium-Mengen noch stärker lokal zu deponieren. Eine Depositionsdichte von mehr als 100 kBq/m² war auf die 30km – Zone begrenzt.

Untersuchungen nach dem Chernobyl-Unfall haben gezeigt, dass 96% des Strontiums durch Niederschläge auf den Boden gelangten. Im Boden ist Strontium nur wenig mobil. 10 Jahre nach Chernobyl fanden sich mehr als 95% des Strontium-Fallouts in den oberen 30 cm Boden. Nur in humusarmen Sandböden ist das Strontium mobiler. Durch Nitrat-Dünger kann die Mobilität erhöht werden. Es wird leicht von den Pflanzen aufgenommen, sowohl über die Blätter als auch aus dem Boden. Auswascheffekte werden durch den Blatt-Humus-Kreislauf gebremst. Wegen der Ähnlichkeit im chemischen Verhalten kann ein hoher Calciumgehalt im Boden die Bioakkumulation verringern.
Strontium gelangt meist über die Nahrung in den Körper und wird wegen seiner Ähnlichkeit mit Calzium im Knochen angereichert. Bei mässigen Belastungen kann das zu chronischer Abwehrschwäche und Leukämie führen, bei sehr hohen Belastungen kommt es zur Störung der Blutbildung und damit zum akuten Strahlensyndrom. Im Tierversuch wurden bei Inhalation von mit Radiostrontium belasteten Partikeln Nekrosen, Strahlenpneumonie und Lungenfibrose beobachtet, später auch Krebserkrankungen. Bei Inhalation von Strontium in wasserlöslicher Form wird dieses auch wieder in die Knochen transportiert. Durch Belastung von Schwangeren, wie das bei der Bevölkerung am Fluss Techa (s.o.) beobachtet wurde, die das Flusswasser trank, kam es zu einer ansteigenden Zahl von Geburtsdefekten und einer erhöhten Kindersterblichkeit. Ähnliche Folgen wurden tierexperimentell durch Radiostrontium bestätigt. Kinder, wegen ihres hohen Knochenstoffwechsels und ihrer großen Zellteilungsrate im Knochen, und Individuen mit einem Vitamin-D-Mangel scheinen am empfindlichsten auf eine Strontium-Belastung zu reagieren. Hohe Belastungen von Fallout-Staub, wie das z.B. auf den Marshall-Inseln beobachtet wurde, führen zu den sog. “Beta-burns”, verbrennungsähnlichen Hauterscheinungen mit Rötung, trockenen und feuchten Hautabschälungen, Hyperpigmentierungen und Hautfibrose, später Plattenepithel-Carcinom und Basaliom. Die Erscheinungen sind aber meist nicht alleine durch das Strontium verursacht.
Anders als bei Schilddrüsenkrebs durch Jod-131 ist bei der Krebsinduktion durch Strontium mit einer deutlich längeren Latenzzeit von 10 bis 30 Jahren zu rechnen (s. Abschnitt Caesium). Die Latenzzeit für Leukämie ist deutlich kürzer – 4 bis 15 Jahre. Für Hiroshima wird bis zum Jahr 2000 eine Zahl von 90 zusätzlichen Leukämietoten unter den 48 000 Überlebenden berichtet. Das sind 45% aller an Leukämie Verstorbenen. Nach dem Chernobyl-Unfall wurde bisher vereinzelt eine Zunahme von Leukämiefällen in der Region berichtet. André Aurengo (La Pitié-Salpêtrière Hospital in Paris) berichtet von 10 zusätzlichen Leukämiefällen bei Kindern im Alter unter 14 Jahren. Vom UNSCEAR wurde das bisher aber nicht bestätigt.

Quellen

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Zender, C. S., D. J. Newman, and O. Torres, Spatial heterogeneity in aeolian erodibility: Uniform, topographic, geomorphic, and hydrologic hypotheses, J. Geophys. Res., 108, 4543, doi:10.1029/2002JD003039, 2003.
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Carey Sublette: Freq. Asked Questions
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United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation: UNSCEAR Reports
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A Feasibility Study of the Health Consequences to the American Population From Nuclear Weapons Tests
U.S. Dept. of Homeland Security – Environmental Measurements Lab.: Worldwide Deposition of Strontium-90 through 1990
Department for Environment, Food and Rural Affairs: Monitoring of Radioactivity in Air & Rainwater in the UK
Agency for Toxic Substances and Disease Registry : Toxicological Profile for Strontium
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Chernobyl : The Effects on Public Health ? André Aurengo, La Pitié-Salpêtrière Hospital in Paris
Scientists for Global Responsibility: Does anybody remember the Nuclear Winter?
Nuclear Weapon Archive: Gallery of U.S. Nuclear Tests
U.S. Department of Energy – Office of Scientific & Technical Information: Historical Nuclear Weapons Test Films
Dreamland Resort: Nevada Test Site
Atomic Weapons Establishment: Nuclear Effects Group