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Ionisierende Strahlung

Umweltradioaktivität - Medizin - Beruflicher Strahlenschutz - Nuklear-spezifische Gefahrenabwehr

Ionisierende Strahlung

Atombombenabwürfe auf Hiroshima und Nagasaki: Bedeutung für den Strahlenschutz

  • Im August 1945 wurden in der Endphase des Zweiten Weltkrieges zum ersten und einzigen Mal Atomwaffen in einem militärischen Konflikt eingesetzt. Die erste von zwei amerikanischen Atombomben wurde am 6. August über der japanischen Stadt Hiroshima abgeworfen. Der zweite Bombenangriff auf die Stadt Nagasaki erfolgte drei Tage später.
  • Das heutige Wissen über die gesundheitlichen Risiken ionisierender Strahlung basiert überwiegend auf den Beobachtungen an den Überlebenden der Atombombenabwürfe. Insbesondere auf den Ergebnissen der sogenannten Life Span Study, einer epidemiologischen Kohortenstudie an den Atombombenüberlebenden.
  • Die Studienergebnisse bilden eine wichtige Grundlage für den Strahlenschutz, insbesondere für die Festlegung von Grenzwerten. Auch in Zukunft sind wichtige Erkenntnisse aus dieser Studie zu erwarten.

Historie

Friedensdenkmal in Hiroshima Friedensdenkmal in HiroshimaFriedensdenkmal in Hiroshima: Gedenkstätte für den ersten kriegerischen Einsatz einer Atombombe

Während des Pazifikkriegs zwischen Japan und China beschloss die amerikanische Regierung, den Export von Erdöl und Stahl nach Japan einzuschränken, um die Kriegsausweitung nach Südostasien zu verhindern. Dieses wirtschaftliche Embargo führte am 7. Dezember 1941 zum japanischen Angriff auf Pearl Harbour und zur Ausweitung des Pazifikkrieges auf Amerika. Die USA begannen daraufhin im Jahr 1942 mit der Entwicklung und dem Bau der Atombombe ("Manhatten Project"), die dann im Juli 1945 in Los Alamos erfolgreich getestet wurde ("Trinity Test").

Nach fast 4 Jahren andauernder Kriegsführung und der Ablehnung eines Kapitulationsultimatums seitens Japans, bat die US-Militärführung um die Erlaubnis für deren Einsatz. Trotz Abratens vieler an der Entwicklung beteiligter Wissenschaftler, wurde 1945 beschlossen, die Atombombe einzusetzen. Als Ziel für den Abwurf am 6. August wurde Hiroshima gewählt. Es war Sitz des Hauptquartiers der 2. Hauptarmee Japans und diente gleichzeitig zur Lagerung kriegswichtiger Güter. Zudem befand sich dort kein Kriegsgefangenenlager (mit US-Insassen). Als Ziel für den Abwurf der zweiten Atombombe am 9. August war ursprünglich die für die Rüstungsindustrie wichtige Stadt Kokura vorgesehen. Wegen schlechter Sicht wurde jedoch Nagasaki angeflogen, das Sitz des Rüstungskonzerns Mitsubishi war.

Atombombenabwürfe: Auswirkungen

Durch die Druck- und Hitzewellen (von mindestens 6.000 °C) waren Sekunden nach den Abwürfen 80% der Innenstädte völlig zerstört. Die daraufhin aufsteigenden Atompilze bestanden aus aufgewirbeltem Staub und Asche, an die sich radioaktive Teilchen anhefteten. Diese Staubwolke ging ca. 20 Minuten später als radioaktiver Niederschlag (sogenannter Fall-out) auf die Umgebung nieder. Die Opfer der Atombombenabwürfe kamen zum einen unmittelbar durch die Explosion ums Leben, zum anderen verstarben sie an den Akut- und Spätschäden der ionisierenden Strahlung. Eine eindeutige Unterscheidung der Todesursachen nach Verbrennungen, Verletzungen oder Strahlung war unmöglich, da auch die Druck- und Hitzewellen eine Rolle spielten.

Da alle wichtigen Aufzeichnungen und Register in den Städten zerstört wurden, ist die genaue Anzahl der durch die Explosion Getöteten bis heute unklar. Nach Schätzungen starben in Hiroshima bis zu 80.000 und in Nagasaki bis zu 40.000 Menschen direkt, ebenso viele wurden verletzt.

Abschätzung der Einwohnerzahl sowie der akuten Todesfälle in beiden Städten zum Zeitpunkt des Abwurfes bis 4 Monate danach
StadtGeschätzte Einwohneranzahl zum Zeitpunkt der AbwürfeGeschätzte Anzahl akuter Todesfälle
Hiroshima 340.000 bis 350.00090.000 bis 166.000
Nagasaki 250.000 bis 270.00060.000 bis 80.000

Quelle: www.rerf.jp

Die Anzahl der Überlebenden, die ionisierender Strahlung ausgesetzt waren, wurde in einem Zensus der japanischen Regierung auf etwa 280.000 Personen geschätzt. Die Radiation Effects Research Foundation (RERF) verwendet die mittlere, gewichtete Strahlendosis des Darms (Gewichtung: Gamma-Dosis des Darms + 10*Neutronen-Dosis des Darms) als Maß für die Strahlenbelastung der Überlebenden. Diese hängt von deren Aufenthaltsort zum Zeitpunkt der Explosion ab und steigt mit der Nähe zum Zentrum der Explosion (dem sogenannten Hypozentrum) stark an.

Schätzung der mittleren gewichteten Strahlendosis der Überlebenden in Abhängigkeit von der Distanz zum Hypocenter in beiden Städten
Gewichtete Strahlendosis des Darms in Gray (Gy)Distanz Hypocenter HiroshimaDistanz Hypocenter Nagasaki
0,005 Gy 2.500 m2.700 m
0,05 Gy 1.900 m2.050 m
0,1 Gy 1.700 m1.850 m
0,5 Gy1.250 m1.450 m
1 Gy 1.100 m1.250 m

Quelle: www.rerf.jp

Bedeutung für den Strahlenschutz

Die Daten aus verschiedenen epidemiologischen Studien werden von nationalen und internationalen wissenschaftlichen Gremien, wie der japanisch-amerikanischen Radiation Effects Research Foundation (RERF), ausgewertet und spielen eine wichtige Rolle für die Bewertung des Strahlenrisikos, z. B. durch das wissenschaftliche Komitee über die Effekte der atomaren Strahlung der Vereinten Nationen (UNSCEAR) und auch durch die deutsche Strahlenschutzkommission (SSK). Die Ergebnisse der Life Span Study bilden eine wichtige Grundlage für die Abschätzung strahlenbedingter Risiken und die Ableitung von Grenzwerten für Strahlenbelastungen und Strahlenschutzregelungen.

Da die Atombombenüberlebenden jedoch einer hohen, akuten Strahlenexposition ausgesetzt waren, ist die Abschätzung der Risiken für niedrige oder chronische Strahlenexpositionen aufgrund dieser Daten schwierig und wird bis heute kontrovers diskutiert.

Weiterhin ist mit zunehmendem Beobachtungszeitraum mit steigender Aussagekraft der Studie zu rechnen und einer noch genaueren Beschreibung der Dosis-Wirkungs-Beziehung (zum Beispiel hinsichtlich Alters- und Geschlechtsunterschieden bei der Wirkung ionisierender Strahlung).

Epidemiologische Studien

Um die Effekte von ionisierender Strahlung auf den Menschen zu erforschen, wurde 1950 eine Kohortenstudie (Life Span Study, LSS) begonnen, in die ca. 120.000 Überlebende einbezogen wurden. Zudem wurden mit Teilen dieser Kohorte folgende kleinere Kohortenstudien durchgeführt:

  • eine Studie mit 20.000 Teilnehmern, die regelmäßig körperlichen Untersuchungen unterzogen werden (The Adult Health Survey, AHS)
  • eine Studie mit 77.000 Nachkommen von Überlebenden (F1 Studie)
  • eine Studie mit 3.600 Teilnehmern, die der ionisierenden Strahlung vor ihrer Geburt (in utero) ausgesetzt waren (In-utero study) sowie
  • eine Studie, in der anhand von 1.703 vorhandenen Blutproben von Überlebenden genetische Veränderungen erforscht werden.

Die Life Span Study hat wegen ihrer großen Studienpopulation, einer relativ präzisen individuellen Dosisabschätzung, einem langen Beobachtungszeitraum und der Beobachtung zahlreicher Krankheiten eine große Bedeutung für die Erforschung der gesundheitlichen Auswirkungen ionisierender Strahlung.

Im Jahr 2007 waren insgesamt ca. 40 % der Studienpopulation noch am Leben (Altersdurchschnitt 74 Jahre). Mehr als 90 % der Überlebenden waren zum Zeitpunkt der Abwürfe unter 10 Jahre alt.

Akute Strahlenschäden (deterministische Strahlenwirkungen)

Unmittelbar nach den Atombombenabwürfen erlitten die Betroffenen akute Strahlenschäden, sogenannte deterministische Strahlenwirkungen. Diese haben den Zelltod als Ursache und sind erst oberhalb einer Schwellendosis zu erwarten. Damit ein Effekt in Erscheinung tritt, muss eine gewisse Anzahl an Zellen abgetötet sein. Dazu gehören beispielsweise die akute Strahlenkrankheit und Fehlbildungen nach Bestrahlung in-utero.

Die akute StrahlenkrankheitEinklappen / Ausklappen

Die akute Strahlenkrankheit zählt zu den frühen Gewebereaktionen. Sie umfasst vielfältige Symptome (wie z.B. Haarausfall oder Übelkeit). An ihr litten Atombombenüberlebende, die einer hohen Strahlendosis von ca. 1 bis 10 Gray ausgesetzt waren. Bei sehr hohen Dosen führt sie innerhalb von Tagen oder Monaten zum Tod.

Deterministische Strahlenwirkungen bei in-utero ExponiertenEinklappen / Ausklappen

Bei Kindern, die in der 8.-15. Schwangerschaftswoche exponiert waren, wurde eine statistisch signifikante Erhöhung der Anzahl an geistigen Behinderungen beobachtet. Weniger deutlich war diese Erhöhung bei Kindern mit Exposition in der 16.-25. Schwangerschaftswoche ausgeprägt. Man geht davon aus, dass in diesen (radiosensitiven) Phasen der Schwangerschaft eine Schwellendosis existiert, unterhalb der keine nachweisbaren Schäden am Gehirn auftreten.

Spätschäden (stochastische Strahlenwirkungen)

Jahre oder Jahrzehnte nach den Atombombenabwürfen traten bei den Überlebenden Spätschäden, sogenannte stochastische Strahlenwirkungen (wie z.B. Krebs, Leukämien und genetische Wirkungen) auf. Diese können auch von Strahlendosen verursacht werden, die unterhalb der Schwelle für deterministische Strahlenwirkungen liegen. Sie resultieren aus DNA-Mutationen, die im Zusammenwirken mit anderen inneren und äußeren Faktoren Krebs oder Leukämien auslösen können, die erst nach Jahren als klinisches Krankheitsbild in Erscheinung treten. Mutationen in den Keimzellen können in den nachfolgenden Generationen Fehlbildungen oder Erbkrankheiten zur Folge haben.

In den epidemiologischen Studien werden diese stochastischen Strahlenschäden untersucht.

LeukämieEinklappen / Ausklappen

Eine signifikante Häufung von Leukämiefällen wurde schon 2 Jahre nach den Atombombenabwürfen beobachtet und erreichte 6 bis 8 Jahre danach ihren Höhepunkt. Neuesten Schätzungen zufolge werden bei den Überlebenden zirka 30 % der Leukämiefälle (94 von 312 im Beobachtungszeitraum 1950 – 2001) auf die Strahlenbelastung durch die Atombomben zurückgeführt (für die Dosisgruppen >5 mGy werden 94 von 192 Leukämiefällen auf Strahlung zurückgeführt, das heißt zirka 49 %)1. Die Wahrscheinlichkeit, aufgrund der Strahlung an Leukämie zu erkranken, ist umso höher, je höher die Strahlendosis und je jünger die Person zum Zeitpunkt der Strahlenexposition war. Die Dosis-Wirkungs-Beziehung wird dabei als nicht-linear angenommen, da das zusätzliche relative Risiko bei niedrigen Dosen deutlich niedriger ist als bei hohen Dosen (linear-quadratischer Zusammenhang).

TumorenEinklappen / Ausklappen

Solide Tumoren

Im Gegensatz zu Leukämie wurde für solide Tumorerkrankungen erst zirka 10 Jahre nach den Abwürfen ein Anstieg des Risikos beobachtet. Neuesten Schätzungen zufolge werden bei den Überlebenden ca. 5% aller soliden Tumoren (853 von 17448 im Beobachtungszeitraum von 1958 - 1998) auf die Strahlenbelastung durch die Atombomben zurückgeführt (für die Dosisgruppen >5 mGy werden 850 von 7851 Krebsfällen auf Strahlung zurückgeführt, das heißt zirka 11 %)2. Eine signifikante Erhöhung des Krebsrisikos wurde insbesondere bei folgenden Organen beobachtet: Magen, Lunge, Leber, Darm, Blase, Brust, Eierstock, Schilddrüse, Speiseröhre und Haut. Auch für andere Krebsarten (wie z.B. Pankreas, Rektum, Gebärmutter und Prostata) zeigte sich eine Erhöhung, die jedoch nicht statistisch signifikant war.

Für solide Tumoren wird von einem linearen Dosis-Wirkungs-Modell ohne Schwellenwert ausgegangen. Das heißt, dass die Wahrscheinlichkeit, aufgrund der Strahlung an Krebs zu erkranken mit der Strahlendosis ansteigt und dass jegliche Strahlenexposition das Lebenszeitrisiko, an soliden Karzinomen zu erkranken, erhöht. Zudem ist die Erkrankungswahrscheinlichkeit umso größer je jünger die Person zum Zeitpunkt der Strahlenexposition war.

Gutartige Tumoren

Ein Zusammenhang zwischen gutartigen Tumoren und einer Strahlenexposition wurde bei Schilddrüse, Speicheldrüse und der Gebärmutter beobachtet.

Andere ErkrankungenEinklappen / Ausklappen

Bei den Atombombenüberlebenden wurde eine statistisch signifikant dosisabhängige Erhöhung der Sterberate auch für andere Krankheiten als Krebs beobachtet. Von den rund 48.000 Personen, die einer Strahlendosis von mehr als 5 mGy ausgesetzt waren, verstarben im Zeitraum von 1950-2003 rund 20.000 an nicht-onkologischen Krankheiten3. Dazu zählen beispielsweise Erkrankungen des Herzens, der Atemwege, des Verdauungstraktes, des Nervensystems, Schlaganfälle und Infektionskrankheiten. Schätzungen zufolge können von diesen Todesfällen 1 bis 2 % auf die Strahlenexposition durch die Atombomben zurückgeführt werden. Nicht miteinbezogen sind hierbei nicht-onkologische Erkrankungen des blutbildenden Systems, bei denen ebenfalls eine Dosis-Wirkungs-Beziehung beobachtet wurde. Zur Klärung eines ursächlichen Zusammenhangs sind jedoch weitere Studien notwendig.

Die Überlebenden hatten jedoch nicht nur mit den gesundheitlichen Folgen der Strahlung zu kämpfen, sondern vor allem auch mit psychischen und sozialen Problemen sowie körperlichen Behinderungen aufgrund von Verletzungen.

Stochastische Strahlenwirkungen bei in-utero ExponiertenEinklappen / Ausklappen

Das Risiko, im Erwachsenenalter an Krebs zu erkranken, ist bei in-utero Exponierten nicht höher als nach einer Exposition in der frühen Kindheit. Des Weiteren wurden bei Kindern, die in der 8.-25. Schwangerschaftswoche exponiert waren, dosisabhängige Defizite in Schulleistungen und niedrigere Intelligenzquotienten (IQ) beobachtet.

Genetische Strahlenwirkungen bei Nachkommen von ÜberlebendenEinklappen / Ausklappen

Wird bei einer Strahlenexposition das Erbgut reproduktiver Zellen (Keimzellen) geschädigt, kann diese Schädigung im Erbgut an die Nachkommen weitergegeben werden. Bei den Nachkommen der Atombombenüberlebenden wurde kein statistisch signifikanter Anstieg von Fehlbildungen beobachtet. Es gab ebenfalls keine Hinweise auf einen Zusammenhang zwischen der Strahlenexposition und chromosomalen Anomalien oder einer Veränderung des Geschlechterverhältnisses der Nachkommen. Im Jahre 2007 zeigte sich bei den Nachkommen, die zu diesem Zeitpunkt im Schnitt 47 Jahre alt waren, kein signifikanter Anstieg der Krebshäufigkeit oder der Mortalität. Aussagen darüber, ob die Strahlendosis der Eltern die Krankheitsmuster ihrer Nachkommen beeinflusst, sind bis jetzt nicht möglich, da die statistische Power nicht ausreichend ist.

Literatur

1 Hsu, W. L., D. L. Preston, M. Soda, H. Sugiyama, S. Funamoto, K. Kodama, A. Kimura, N. Kamada, H. Dohy, M. Tomonaga, M. Iwanaga, Y. Miyazaki, H. M. Cullings, A. Suyama, K. Ozasa, R. E. Shore and K. Mabuchi (2013). The incidence of leukemia, lymphoma and multiple myeloma among atomic bomb survivors: 1950-2001. Radiat Res 179(3): 361-382.
2 Preston, D. L., E. Ron, S. Tokuoka, S. Funamoto, N. Nishi, M. Soda, K. Mabuchi and K. Kodama (2007). Solid cancer incidence in atomic bomb survivors: 1958-1998. Radiat Res 168(1): 1-64.
3 Ozasa, K., Y. Shimizu, A. Suyama, F. Kasagi, M. Soda, E. J. Grant, R. Sakata, H. Sugiyama and K. Kodama (2012). Studies of the mortality of atomic bomb survivors, Report 14, 1950-2003: an overview of cancer and noncancer diseases. Radiat Res 177(3): 229-243.

Stand: 04.07.2016

© Bundesamt für Strahlenschutz