Einfluss der Südatlantikanomalie auf die Strahlenexposition in Flughöhen während des Sonnenminimums

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 9348 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die Südatlantische Anomalie (SAA) ist eine geografische Region über dem Südatlantik, in der sich der innere Van-Allen-Strahlungsgürtel besonders nahe an der Erde erstreckt. Dies führt zu stark erhöhten Werten ionisierender Strahlung und damit verbundenen Auswirkungen auf Raumfahrzeuge in erdnahen Umlaufbahnen, z. B. einer entsprechend erhöhten Strahlenbelastung von Astronauten und elektronischen Komponenten auf der Internationalen Raumstation. Einer urbanen Legende zufolge soll die SAA auch das Strahlungsfeld in der Atmosphäre bis in die Höhen der Zivilluftfahrt beeinflussen. Um etwaige zusätzliche Beiträge zur allgegenwärtigen Strahlenbelastung durch die galaktische kosmische Strahlung in Flughöhen zu identifizieren und zu quantifizieren, wurden in einer einzigartigen Flugmission – Atlantic Kiss – umfassende Messungen über dem geografischen Gebiet der SAA in einer Höhe von 13 km durchgeführt. Es wurden keine Hinweise auf eine erhöhte Strahlenbelastung gefunden.

Die Erde ist durch ihr Magnetfeld und ihre Atmosphäre wirksam vor kosmischer Strahlung geschützt1. Das Erdmagnetfeld ähnelt einem Dipolfeld in einiger Entfernung von der Erdoberfläche. Geladene Teilchen aus dem Weltraum und die Zerfallsprodukte von Neutronen, die in der Atmosphäre erzeugt werden, werden in den sogenannten Van-Allen-Strahlungsgürteln gefangen, die die Erde umgeben. Die Achse des dipolförmigen Magnetfelds der Erde ist jedoch gegenüber der Rotationsachse der Erde verschoben und geneigt, was zum Phänomen der sogenannten Südatlantischen Anomalie (SAA) führt. Es erstreckt sich über den Südatlantik von Afrika bis Südamerika und vom Äquator bis zur Antarktis und kann als eine Region mit einer im Vergleich zu vergleichbaren Breitengraden verringerten Erdmagnetfeldstärke charakterisiert werden2. Dadurch reicht der innere Van-Allen-Strahlungsgürtel besonders nah an die Erde heran, was zu stark erhöhten Strahlungswerten im erdnahen Raum der Region führt. Dieser Effekt stellt ein Sicherheitsrisiko für die bemannte Raumfahrt und für elektronische Komponenten, beispielsweise auf der ISS, dar. An Bord der russischen Raumstation MИP („Frieden“)3 und an Bord der ISS4,5,6 wurden bereits erhöhte Werte ionisierender Strahlung während SAA-Transits gemessen. Im Inneren der ISS, die in einer Höhe von etwa 420 km um die Erde kreist, beliefen sich die im Zeitraum März/April 2021 gemessenen durchschnittlichen täglichen Dosisleistungen in Silizium auf etwa 280 µGy/Tag, wobei Spitzenwerte nahe bei mehreren hundert µGy/min lagen das Zentrum der SAA. In größeren Höhen und geringerer geomagnetischer Abschirmung steigen die Dosiswerte sogar an, wie beispielsweise mit dem RAMIS-Detektor (RAdiation Measurements In Space) an Bord des DLR-Satelliten Eu:CROPIS (Euglena gracilis: Combined Regenerative Organic-food Production In Space) in einer polaren Umlaufbahn beobachtet rund 600 km7. Abbildung 1 zeigt die Karte der Dosisleistungen in Silizium für den Zeitraum März/April 2021 hinter einer von RAMIS gemessenen durchschnittlichen Abschirmung von 3 mm Aluminium bis zu einem Breitengrad von ± 83°. Die geografische Region der SAA ist durch den starken Anstieg der Dosisleistungen in Silizium mit Spitzenwerten bis zu 180 µGy/min im Kern der SAA gekennzeichnet.

Absorbierte Dosisleistung (µGy/min) in Silizium in 600 km Höhe, gemessen mit dem RAMIS-Instrument an Bord des DLR-Satelliten Eu:CROPIS im März und April 2021.

Mehrere Beispiele für Strahlungsschäden an Satelliten, die die SAA passieren, werden von Olson und Amit angeführt, die auch die Frage aufwerfen, ob die SAA auch in geringeren Höhen, d. h. „im kommerziellen Höhenbereich von 5 bis 10 km“, gesundheitliche Probleme mit sich bringt Jetreisen“2. In einem Artikel der deutschen populärwissenschaftlichen Zeitschrift „Bild der Wissenschaft“ wurde das Gerücht gestreut, dass der innere Van-Allen-Strahlungsgürtel auch die Strahlenbelastung in den Höhen der zivilen Luftfahrt im Südatlantikraum beeinflussen würde und dass die Strahlendosis weiter ansteige Ein Flug von Frankfurt nach Buenos Aires würde etwa 1000-mal so viel kosten wie ein Flug nach Tokio, obwohl in diesem Artikel keine wissenschaftlichen Beweise für diese Aussage gegeben werden8. Dennoch verbreitete sich dieses Gerücht schnell unter den deutschen Flugzeugbesatzungen und sorgte seitdem für Besorgnis. Obwohl die von Federico et al. Im Jahr 2015 gab es keine Hinweise auf lokal erhöhte Dosisleistungen9, diese Gerüchte wurden jedoch weiter verstärkt, z. B. durch einen auf der Webseite des Deutschen GeoForschungsZentrums (GFZ) verfügbaren Artikel, in dem es heißt, dass „… der Schutz vor schädlicher Strahlung aus dem Weltraum verringert ist“. der SAA-Region, was zu „… höheren Strahlendosen für Passagiere von Langstreckenflügen“10 führt. Darüber hinaus haben sogar Verschwörungstheoretiker behauptet, dass die Öffentlichkeit absichtlich falsch über die angeblich stark erhöhte Strahlenbelastung in einer Höhe von 12 km im geografischen Gebiet des SAA11 informiert würde. Weitere alarmierende oder irreführende Informationen, z. B. dass bei der Erwähnung von Auswirkungen in der erdnahen Umlaufbahn (LEO) nicht die Luftfahrt und geringere Flughöhen ausgeschlossen werden, werden im Internet verbreitet, z. B. von Wikipedia unter dem Suchbegriff „SAA“. So ist etwa die Aussage „Auch auf der Erdoberfläche ist die ionisierende Strahlung erhöht“12 im Zusammenhang mit dem SAA irreführend Der messbare Anstieg der ionisierenden Strahlung in Bodennähe wird durch terrestrische Radioaktivität verursacht, z. B. 232Th13,14. Dieses Phänomen irreführender Informationen ist jedoch nicht auf den deutschsprachigen Raum beschränkt, z. B. „Pour une height donnée, le niveau de Strahlungs en“. „provenance de l'espace est plus élevé dans l'Atlantique sud qu'en d'autres point du Globe“ („In einer bestimmten Höhe ist die Strahlung aus dem Weltraum im Südatlantik höher als an anderen Punkten der Erde.“ ", französische Wikipedia-Version, abgerufen am 27. Februar 2023)15 oder "Omdat het aardmagneetveld zwakker wordt met zo'n 5% per eeuw, neemt de bescherming door de Van Allen-gordels ook a komt de ZAA steeds lager boven het aardoppervlak te liggen“ („Da das Erdmagnetfeld pro Jahrhundert um etwa 5 % schwächer wird, nimmt auch die Abschirmung der Van-Allen-Gürtel ab und die SAA greift immer näher an die Erdoberfläche heran“, niederländische Wikipedia-Version, abgerufen am 27. Februar 2023 )16. Obwohl die urbane Legende von höheren Strahlungsdosen in Flughöhen in der geografischen Region der SAA bei Passagieren und Flugzeugbesatzung Anlass zur Sorge geben könnte, wurde sie bisher nicht durch wissenschaftliche Beweise gestützt.

Die Strahlenexposition des fliegenden Personals und entsprechende Strahlenschutzmaßnahmen sind in mehreren Ländern mit höheren Arbeitssicherheitsstandards auf der Grundlage der Empfehlungen der Internationalen Strahlenschutzkommission (ICRP) seit vielen Jahren gesetzlich geregelt17,18,19,20. Die Regelungen umfassen unter anderem die Überwachung beruflicher Strahlenbelastungen und die Einhaltung vorgegebener Dosisgrenzwerte. In der Praxis erfolgt die Dosisabschätzung mithilfe atmosphärischer Strahlungsmodelle, die alle relevanten Komponenten berücksichtigen müssen, die zum Strahlungsfeld in Flughöhen beitragen. Daher muss eine möglicherweise erhebliche Komponente, die durch den inneren Van-Allen-Strahlungsgürtel in der geografischen Region der SAA verursacht wird, quantifiziert und bei Bedarf in solche Modelle einbezogen werden. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) führt für mehrere Fluggesellschaften, z. B. Lufthansa German Airlines, Betriebsdosisberechnungen mit dem Modell PANDOCA (Professional AviatioN DOse CAlculator) durch, das mit Messwerten aus regelmäßigen Messflügen weltweit erfolgreich auf Qualität überprüft wurde Sicherheit. Im geographischen Gebiet des SAA konnte er jedoch bisher nur bis zu einer Höhe von 10.500 m nachgewiesen werden21. Da PANDOCA keine potenziellen Strahlungseffekte aufgrund der SAA und der damit verbundenen Dosisbeiträge berücksichtigt, ist die Erfassung von Messungen in größeren Höhen und der Vergleich mit PANDOCA-Modellberechnungen eine praktische Methode, um etwaige zusätzliche Strahlungskomponenten in dieser Region zu identifizieren. Zur Beantwortung der Frage, ob das Strahlungsfeld der SAA den oberen Luftraum der zivilen Luftfahrt berührt oder nicht, d Interessanterweise war die Mission Atlantic Kiss als umfassender Messflug von Frankfurt (FRA) nach Buenos Aires (EZE) für Juni 2020 nahe dem Übergang zwischen Sonnenzyklus 24 und 25, also während des Sonnenminimums, geplant. Diese Umsetzung der Atlantic Kiss-Mission musste jedoch aufgrund der weltweiten SARS-CoV-2 (Severe Acute Respiratory Syndrome CoronaVirus 2)-Pandemiekrise, die kurz nach Abschluss der Planung einsetzte, abgesagt werden.

Die weltweite SARS-CoV-2-Krise hatte nicht nur Auswirkungen auf die Luftfahrtforschung, sondern stellte auch das Alfred-Wegener-Institut (AWI), das Deutsche Zentrum für Polar- und Meeresforschung, vor Herausforderungen, da die Wissenschaftler und die Besatzung des Forschungsschiffs Polarstern und der Die antarktische Forschungsstation Neumayer III musste am Ende des antarktischen Sommers 2021 an einem vergleichsweise sicheren Ort in der Nähe der Antarktis ausgetauscht werden. Die Falklandinseln schienen hierfür eine der begrenzten Optionen zu sein und das Management der Lufthansa German Airlines (DLH) wurde bereits im Juli 2020 vom AWI kontaktiert mit der Bitte zu prüfen, ob ein Nonstop-Flug von Hamburg (HAM) auf die Falklandinseln möglich wäre. Eine detaillierte Analyse der Situation ergab, dass ein Flug von HAM nach Mount Pleasant (MPN, East Falkland) mit einem Airbus A350 und ein entsprechender Rückflug von MPN nach München (MUC) als machbar angesehen wurden. Dies bot auch die einmalige Gelegenheit, das DLR einzubeziehen und endlich die Durchführung der Flugmission Atlantic Kiss durch das geografische Gebiet der SAA zu ermöglichen.

Das komplexe Strahlungsfeld in Flughöhen entsteht durch das Auftreffen von Primärteilchen kosmischen Ursprungs und deren Wechselwirkungen mit der Atmosphäre und besteht aus verschiedenen Strahlungskomponenten wie Protonen, Neutronen, Elektronen, Pionen, Myonen usw. Die Strahlungswirkungen werden durch die gekennzeichnet Hierzu wurden die Deposition seiner Energie in der Materie und unterschiedliche Dosismengen definiert. Die Grundgröße ist die absorbierte Dosis, gegeben durch die absorbierte Energie pro Masse. Da die zugrunde liegenden Wechselwirkungen vom absorbierenden Material abhängen, führt eine identische Expositionssituation in einem Strahlungsfeld zu unterschiedlichen Werten für die absorbierte Dosis in verschiedenen Materialien. Um mögliche Auswirkungen der SAA auf die Strahlenexposition in Flughöhen zu untersuchen, wurden drei messbare Dosisgrößen mit den entsprechenden Vorhersagen der PANDOCA-Modellrechnungen verglichen, nämlich die Umgebungsäquivalentdosis H*(10), die Neutronenkomponente HN der Umgebung Äquivalentdosis H*(10) und die absorbierte Dosis in Silizium DSi. Die Umgebungsäquivalentdosis H*(10) ist eine Betriebsgröße, die auf der im Gewebe absorbierten Dosis und einem Strahlungsqualitätsfaktor in Abhängigkeit von der Ionisationsdichte des Strahlungsfeldes basiert20. H*(10) ist ein konservativer Schätzer für die effektive Dosis in Flughöhen, also die primäre Schutzgröße im beruflichen Strahlenschutz des fliegenden Personals22. Die Neutronenkomponente HN ist aufgrund ihres wichtigen Beitrags zu H*(10) von besonderem Interesse. Darüber hinaus können Neutronen in der Atmosphäre eine größere Reichweite haben als die primär geladenen kosmischen Teilchen, die sie erzeugen. Daher sind Neutronen Boten von Teilchenwechselwirkungen in der oberen Atmosphäre und können sogar den Boden erreichen, wo sie von Neutronenmonitoren (NM) erfasst werden, die allgemeine Informationen über die Strahlungsintensität in der Atmosphäre liefern23. Weitere wertvolle Informationen lassen sich aus der Energiedosis im Silicium DSi ableiten. Siliziumdetektoren sind besonders anfällig für geladene Teilchen und nicht sehr empfindlich gegenüber Neutronen24. Somit ergänzt DSi HN mit Informationen über die Nicht-Neutronen-Komponente des Strahlungsfeldes.

Von einer Auswirkung der SAA auf das Strahlungsfeld in Flughöhen wäre auszugehen, wenn für jede Dosisgröße unter Berücksichtigung der jeweiligen Unsicherheiten eine signifikante Abweichung der Messwerte von den PANDOCA-Modellrechnungen21 beobachtet würde. Das PANDOCA-Modell liefert berechnete Dosisleistungen in Flughöhen unter Berücksichtigung der Sonnenmodulation, der geomagnetischen Abschirmung und der atmosphärischen Abschirmung. Unsicherheiten in den Modellrechnungen ergeben sich aus Unsicherheiten in den primären GCR-Spektren, den Transportberechnungen der primären und sekundären kosmischen Strahlung in der Atmosphäre und den effektiven vertikalen Grenzsteifigkeiten für die magnetische Abschirmung. Die kombinierten Unsicherheiten des Modells zur Berechnung der Expositionen aus GCR wurden durch zahlreiche Messkampagnen21,28,32,35 auf etwa 5 % bis 10 % geschätzt. Der Vergleich der Messungen der unterschiedlichen Dosisgrößen mit den entsprechenden Modellvorhersagen, die unser aktuelles Wissen über die Strahlenbelastung durch GCR widerspiegeln, kann dabei helfen, zusätzliche Beiträge zum Strahlungsfeld zu identifizieren.

Die Instrumente zur Messung der drei unterschiedlichen Dosismengen H*(10), HN und DSi des Strahlungsfeldes in Flughöhen während der Mission Atlantic Kiss waren zwei Arten von Tissue Equivalent Proportional Counters (TEPC), eine Berthold Neutron Probe LB6411- Pb mit erweitertem Energiebereich sowie zwei Liulin-6G Silizium-Halbleiterdetektoren.

Bei den beiden eingesetzten Gewebeäquivalent-Proportionalzählern handelte es sich um HAWK-Umweltstrahlungsmonitore Version 2 und 3, hergestellt von Far West Technology Inc. Diese Instrumente messen zeitaufgelöste Spektren linearer Energie, die die Bestimmung der Umgebungsäquivalentdosis H*(10) und der entsprechenden Dosis ermöglichen Rate. Das empfindliche Volumen dieser Detektoren besteht aus einer Kugel mit einem Durchmesser von 127 mm aus gewebeäquivalentem Kunststoff (A-150), die mit Propangas bei niedrigem Druck gefüllt ist. Es ist so konzipiert, dass es die Energiedeposition in 2 µm dickem Gewebe nachahmt. Die Signale der detektierten Partikel werden mithilfe von zwei Mehrkanalanalysatoren (MCA) mit zwei unterschiedlichen Verstärkungen verarbeitet, um Spektren des linearen Energietransfers zu messen. Für die Berechnung der Äquivalentdosis wird davon ausgegangen, dass diese Spektren direkt mit den entsprechenden Spektren des linearen Energietransfers (LET) in Flughöhen verglichen werden können4. Der Analog-Digital-Wandler (ADC) mit niedriger Verstärkung misst LET-Spektren bis zu 1535 keV/µm mit einer Auflösung von 1,5 keV/µm pro Kanal und der ADC mit hoher Verstärkung bis zu 25,6 keV/µm mit 0,1 keV/µm pro Kanal. Beide Instrumente wurden vom Hersteller im Pacific Northwest National Laboratory mit Quellen kalibriert, die auf die Standards des National Institute of Standards and Technology (NIST) rückführbar sind. Die Kalibrierung wurde mit einer externen Cs-137-Quelle25,26 überprüft.

Die Neutronensonde LB6411-Pb wurde von Berthold Technologies entwickelt, um den Neutronenanteil HN der Umgebungsäquivalentdosis H*(10) und die entsprechende Dosisleistung zu messen. Es besteht aus einer Kugel aus Polyethylen mit einem Durchmesser von 25 cm zur Thermalisierung von Neutronen, die von einem Helium-3-Proportionalzählrohr erfasst werden. Der Detektor verfügt über eine Außenschicht aus 10 mm Blei, um die Reaktion auf hochenergetische Neutronen zu verbessern, indem aufgrund von Spallationsprozessen sekundäre Neutronen mit niedrigeren Energien erzeugt werden. Das Instrument wurde vom Hersteller in der Hochenergie-Referenzfeldanlage (CERF) des CERN-EU kalibriert27. Die Rate der Umgebungsäquivalentdosis wird in Abständen von fünf Minuten erfasst und angezeigt. Diese Daten sind von besonderem Interesse, da sie eine Abschätzung des Neutronenanteils des Strahlungsfeldes in Flughöhen und etwaiger unerwarteter Effekte bereits während des Fluges ermöglichen.

Zum Einsatz kamen zwei Halbleiterdetektoren vom Typ Liulin-6G LET. Sie basieren auf einer Hamamatsu S2744 PIN-Diode mit einer empfindlichen Fläche von 21,2 mm × 11,2 mm und einem ladungsempfindlichen Vorverstärker zur Messung des Partikelflusses, der absorbierten Dosis im Silizium-DSi und der entsprechenden Dosisleistung. Liulin-Detektoren werden seit vielen Jahren von mehreren Forschungsgruppen in großem Umfang in der Luftfahrt eingesetzt28.

Nach der Entscheidung, für den Austausch von Besatzung und Ausrüstung auf die Falklandinseln zurückzugreifen, waren zwei entsprechende Flüge für Januar und März 2021 geplant (ex HAM 2021–01–31, Rückkehr nach MUC am 2021–02–04 und ex HAM 2021– 30.03., Rückkehr zum MUC am 03.04.2021). Allerdings stellte die SARS-CoV-2-Pandemie die Durchführung dieser Flugmission vor außerordentliche Einschränkungen. Alle beteiligten Besatzungsmitglieder der Lufthansa, des AWI und des DLR mussten sich umfassenden Infektionsschutzmaßnahmen unterziehen. Um den Flug zu den Falklandinseln antreten zu können, waren eine strikte Quarantäne in einem ausschließlich zu diesem Zweck organisierten kontrollierten Hotel ab zwei Wochen vor dem Flug sowie drei negative SARS-CoV-2-empfindliche PCR-Tests während dieser Zeit erforderlich.

Die zugewiesenen Flugnummern waren LH2574 für den Flug von Hamburg nach Mount Pleasant (East Falkland) und LH2575 für den Rückflug nach München. Die wesentlichen Messungen der Strahlenbelastung im geografischen Gebiet der SAA wurden am 30.03.2021 auf Flug LH2574 ab HAM durchgeführt. Da die ausgetauschte AWI-Besatzung recht klein war und keine Ausrüstung mit nennenswertem Gewicht transportiert wurde, war die Nutzlast auf diesem Flug äußerst gering. Daher konnte das Flugzeug bereits kurz nach der Überquerung des Äquators und vor Erreichen der interessierenden Region auf die Flight Level (FL) von 43.000 Fuß, auch FL430 genannt, steigen und blieb für den Rest des Fluges auf dieser Höhe. Darüber hinaus wurde die Flugmission Atlantic Kiss mit dem damals modernsten Flugzeug der A350-Flotte der Lufthansa (Kennzeichen D-AIXQ) durchgeführt. Die Landung von LH2574 erfolgte am Mount Pleasant Airport am 31.03.2021 um 1120 UTC nach einer Flugzeit von 15 h 46 min, was ebenfalls einen neuen Rekord in der Geschichte der Lufthansa darstellte. Nach der Ankunft auf East Falkland mussten sich die Besatzungen von Lufthansa und DLR während des zweitägigen Zwischenstopps erneut einer strengen Zimmerquarantäne in einem ausgewählten Hotel in Stanley unterziehen, während die AWI-Besatzung auf das im Hafen von Stanley vor Anker liegende Forschungsschiff Polarstern überführt wurde.

Die Flugmission Atlantic Kiss durch das geografische Gebiet der SAA war ursprünglich für das Sonnenminimum zwischen Zyklus 24 und 25 im Jahr 2020 geplant. Während Sonnenminima sind die Expositionen von GCR in Flughöhen maximal, was eine optimale Mess- bzw. Zählstatistik ermöglicht innerhalb des Sonnenzyklus. Darüber hinaus sind die Weltraumwetterbedingungen im Hinblick auf magnetosphärische Störungen typischerweise besonders stabil und die Wahrscheinlichkeit von Sonnenpartikelereignissen ist in dieser Übergangszeit äußerst gering. Der Einfluss der Sonnenaktivität kann durch den W-Parameter ausgedrückt werden, einen Modellparameter, der das GCR-Modell von Matthiä et al.29 verwendet. Abbildung 2 zeigt die Variation des W-Parameters, abgeleitet aus den 30-minütigen gemittelten Zählraten des Oulu Neutron Monitor (NM), für beide Flüge HAM-MPN und MPN-MUC. Die über die Flüge gemittelten NM-Zählraten betrugen 6784 min−1 und 6753 min−1 und die abgeleiteten Modellparameter waren W = 7,8 und W = 10,7 für HAM-MPN bzw. MPN-MUC. Die entsprechende Variation der abgeleiteten Primärteilchenfluenzrate während der Flüge lag innerhalb der erwarteten statistischen Schwankungen für ruhige Weltraumwetterbedingungen, d. h. in der Größenordnung von einigen Prozent und unter 1 % für die Zählraten des Oulu-Neutronenmonitors, die Variationen zeigen 10–25 % zwischen Sonnenmaximum und -minimum.

Variation des W-Parameters basierend auf 30-Minuten-Mittelwerten der Zählraten des Oulu-Neutronenmonitors. Abflug- und Ankunftszeiten der Flüge werden durch die gestrichelten vertikalen Linien angezeigt.

Sonnenpartikelereignisse oder geomagnetische Stürme, die das Strahlungsfeld in Flughöhen sowie die Strahlungsgürtel gestört haben könnten, wurden während der Flüge nicht beobachtet. Der Partikelfluss lag laut NOAAs Space Weather Highlights SWPC PRF 2379 vom 5. April 2021 unter 1 pfu (Partikelflusseinheit, 1 pfu = 1 Partikel pro Sekunde pro cm2 pro Steradiant). Darüber hinaus erfordert die Erfassung von Referenzdaten eine ungestörte Magnetosphäre. Störungen der Magnetosphäre können durch den Kp-Index beschrieben werden, der zwischen 0 und 9 liegt. Ruhige magnetosphärische Bedingungen werden angenommen, wenn dieser Index nicht größer als 31 ist. Der Kp-Index während des Fluges von HAM nach MPN war ≤ 3- und es war ≤ 1 + während des Fluges von MPN nach MUC30. Somit waren die Weltraumwetterbedingungen für die Referenzdatenerfassung während der Flugmission Atlantic Kiss optimal.

Die entsprechenden Messdaten wurden während des Fluges LH2574 von HAM nach MPN erfasst, da das geografische Gebiet der SAA bei FL430 vollständig durchquert wurde. Allerdings verändert sich das Kerngebiet dieser Region in Abhängigkeit von der Höhe, beispielsweise der Umlaufbahn eines Satelliten, der zur Aufzeichnung von Referenzdaten verwendet wird. Folglich musste der interessierende Bereich für die Flugbahn von LH2574 als der Breitengradbereich zwischen −10° und −45°, also 10°S und 45°S, definiert werden, in dem die an Bord der Eu:CROPIS gemessene Dosisleistung gemessen wurde Satellit war deutlich höher als anderswo (vgl. Abb. 3). Die Flugdauer in dieser Region betrug 5:04 h. Die meisten verwendeten Geräte messen zeitlich aufgelöste Dosisleistungen. Um die Messwerte dieser Dosisleistungen, insbesondere innerhalb der interessierenden Region, besser vergleichbar zu machen, werden die entsprechenden Daten mit hoher Auflösung mit den Flugdaten korreliert, was eine Darstellung der Daten in Bezug auf die Breite und nicht auf die Zeit ermöglicht. Zusätzlich werden für jedes Instrument 1-Stunden-Mittelwerte der Dosisleistungen berechnet, um statistische Unsicherheiten zu reduzieren. Die breitengradabhängigen Dosisleistungen für die Neutronensonde LB6411-Pb, die Liulin-6G-Instrumente und die beiden HAWKs sind in den Abbildungen dargestellt. 4, 5 und 6. Darüber hinaus werden die entsprechenden Modellrechnungen mit PANDOCA mit den Messungen verglichen. Die Flughöhen sowie die Grenzen des interessierenden Bereichs (gestrichelte Linien), wie oben definiert, werden ebenfalls als Referenz eingezeichnet. Die angegebenen Unsicherheiten für die Messungen umfassen sowohl die statistischen Unsicherheiten der Mittelwerte als auch die angenommenen systematischen Unsicherheiten für die einzelnen Instrumente. Die allgemein akzeptierte Unsicherheit beim Vergleich von Modellrechnungen mit Messdaten im Bereich der Luftfahrtdosimetrie beträgt 30 %31.

Absorbierte Dosisleistung in Silizium (µGy/min) in 600 km Höhe, gemessen mit dem RAMIS-Instrument an Bord des DLR-Satelliten Eu:CROPIS im März und April 2021. Die graue Linie stellt die Flugbahn der Atlantic Kiss-Mission von HAM nach MPN dar. Der rote Abschnitt der Flugroute gilt als Region of Interest.

HAWK 2- und HAWK 3-Daten der Umgebungsäquivalentdosisleistung im Vergleich mit PANDOCA-Modellrechnungen (rote Linie). Das Flugprofil wird ebenfalls angezeigt (blaue Linie).

Die Umgebungsäquivalentdosisrate für Neutronen dHN/dt in Abhängigkeit von der geografischen Breite für das PANDOCA-Modell und den mit der Neutronensonde LB6411-Pb erfassten Messwerten (1-h-Mittelwert). Das Flugprofil wird ebenfalls angezeigt (blaue Linie).

Die Rate der absorbierten Dosis in Silizium in Abhängigkeit von der geografischen Breite für das PANDOCA-Modell und die mit den Liulin MDU-1 und MDU-2 erfassten Messwerte (1-Stunden-Mittelwert). Das Flugprofil wird ebenfalls angezeigt (blaue Linie).

Es wird angenommen, dass die systematischen Unsicherheiten für beide HAWKs in der Größenordnung von 5 % liegen32. Die Messdaten der Ortsäquivalentdosisleistung der HAWK-Version 2 liegen für alle Breiten- und Höhenlagen von LH2574 geringfügig über den PANDOCA-Modellberechnungen. Dieses Verhalten spiegelt eine systematische Abweichung wider und steht auch in guter Übereinstimmung mit den Ergebnissen der CONCORD-Flugkampagne (COmparisoN of COsmic Radiation Detectors28). Die mit HAWK Version 3 erfassten Daten liegen im Äquatorbereich unter den Modellrechnungen, zeigen aber ansonsten eine gute Übereinstimmung (Abb. 4). HAWK zeigt keine Hinweise auf einen zusätzlichen signifikanten Beitrag der SAA zum Strahlungsfeld in Flughöhen.

Die Daten der Neutronensonde LB6411-Pb und die PANDOCA-Berechnungen der Umgebungsdosisleistung durch Neutronen dHN/dt zeigen insgesamt eine gute Übereinstimmung (Abb. 5). Die systematischen Unsicherheiten des Instruments werden auf etwa 10 % geschätzt33. Von hohen Breiten zu niedrigen Breiten verschiebt sich die berechnete Dosisleistung von leicht über dem Messwert zu leicht darunter. Dies scheint ein kombinierter Effekt des Breitengrades, also der geomagnetischen Abschirmung, sowie der Höhe zu sein und stellt kein besonderes Merkmal der Daten in der SAA-Region dar. Wenn es einen erheblichen Beitrag der SAA in der interessierenden Region gäbe, wäre ein Anstieg der Dosisraten über dem GCR-Hintergrund in Richtung der Mitte der SAA bei etwa -30° zu erwarten, gefolgt von einem Rückgang weiter südlich, im Gegensatz zur monotonen Beobachtung zunehmende Unterschätzung der Modelldosisleistungen. Insbesondere am südlichen Ende des Untersuchungsgebiets ist kein solcher Rückgang der Dosisleistung zu beobachten. Daher ist es höchst unwahrscheinlich, dass die beobachtete Abweichung zwischen modellierten und gemessenen Dosisraten mit einem zusätzlichen Neutronenbeitrag zum Strahlungsfeld bei FL430 aufgrund der SAA zusammenhängt.

Die Liulin-6G-Messdaten und die PANDOCA-Modellrechnungen stimmen insgesamt gut überein (Abb. 6). Die systematischen Unsicherheiten der beiden verwendeten Liulin-6G Mobile Dosimetry Units (MDU) werden auf etwa 10 % geschätzt32. Liulin MDU-1 wurde vor der Überquerung des Äquators auf LH2574 absichtlich nicht eingeschaltet, um ein voll aufgeladenes Ersatzinstrument für die Datenerfassung in der interessierenden Region zur Verfügung zu haben. Die Messwerte stimmen mit den Berechnungen überein, ohne dass ein Überschuss im SAA-Bereich erkennbar ist, was darauf hindeutet, dass das Instrument keine unbekannten Beiträge zum Strahlungsfeld aufgrund geladener Teilchen gemessen hat.

Die Gesamtdosiswerte für die Flüge von HAM nach MPN (LH2574) und von MPN nach MUC (LH2575) sind in Tabelle 1 aufgeführt, die auch die Integraldosen für zwei weitere am DLR34 entwickelte Halbleiterdosimeter vom Typ M-42 enthält. Die Neutronenmessungen wurden durch Blasendetektoren (BDs)35,36 unterstützt, deren Ergebnisse ebenfalls in Tabelle 1 aufgeführt sind. Auf dem Flug LH2575 von MPN nach MUC wurden nur BDs mit geringer Empfindlichkeit verwendet, was zu einem Dosiswert mit hoher statistischer Unsicherheit führte. Da Liulin MDU-1 erst nach der Äquatorüberquerung eingeschaltet wurde, steht die Gesamtdosis in Silizium für diesen Flug nicht zur Verfügung. Die jeweiligen Dosiswerte der eingesetzten Dosismengen sind bei LH2574 und LH2575 aufgrund der unterschiedlichen Flugprofile und -dauer unterschiedlich.

Die Ergebnisse der während der Atlantic-Kiss-Mission erfassten Messdaten geben keinen Hinweis auf einen Einfluss des inneren Van-Allen-Strahlungsgürtels auf die Strahlenbelastung im geografischen Gebiet der SAA bei einer Flughöhe von 43.000 Fuß, also 13 km oder weniger. Tatsächlich ist dieses Ergebnis nicht überraschend, da kein ausreichend effizienter Mechanismus für den Transport der von Protonen erzeugten Strahlung mit üblichen Energien vom inneren Strahlungsgürtel bis in Flughöhen bekannt ist. Die Flugbahn der eingefangenen geladenen Teilchen ist eine Kreiselbewegung in einer Spirale entlang der Magnetfeldlinien mit abnehmender Steigung zu tieferen Höhen. Die Partikel erreichen einen Spiegelpunkt in der niedrigsten Höhe und prallen in höhere Höhen zurück. Die Mindesthöhe über dem Boden hängt von verschiedenen Variablen ab, z. B. der Geschwindigkeit des Teilchens, seinem anfänglichen Neigungswinkel und der geografischen Lage, weshalb der innere Van-Allen-Strahlungsgürtel im Vergleich zu anderen geografischen Regionen in geringere Höhen reicht zur Neigung und Verschiebung der Dipolachse des Erdmagnetfeldes. Da selbst in der SAA-Region die Spiegelpunkte der Protonen in Höhen über 100 km liegen, gelangen die Teilchen nicht in die Atmosphäre. Während zahlreiche Ereignisse dokumentiert sind, bei denen Elektronen von ihrer Flugbahn im äußeren Strahlungsgürtel abwichen und in die Atmosphäre niederschlugen, z. B. Clilverd et al.37, ist unklar, ob ähnliche Ereignisse auftreten, bei denen eine große Anzahl hochenergetischer Protonen ausgestoßen wird Der innere Strahlungsgürtel gelangt in die Atmosphäre. Doch selbst wenn hochenergetische Protonen in die Atmosphäre gelangen würden, wäre ihre Reichweite recht begrenzt. Eine Analyse der Protonenenergiespektren, die in der SAA vom Energetic Particle Telescope (EPT) an Bord des ESA-Satelliten PROBA-V (Project for On-Board Autonomy -Vegetation) beobachtet wurden, hat einen Rückgang der Protonenflüsse um gezeigt etwa zwei Größenordnungen im Energiebereich zwischen 100 und 250 MeV an verschiedenen Positionen innerhalb der SAA in einer Höhe von 820 km38. Ein vertikal einfallendes Proton würde aufgrund der atmosphärischen Abschirmung unabhängig von der geomagnetischen Abschirmung eine Energie von etwa 550 MeV benötigen, um FL430 zu erreichen. Darüber hinaus sagt das AP8-Strahlungsgürtelmodell keinen Protonenfluss mit Energien über 500 MeV in den Strahlungsgürteln in einer Höhe von 300 km oder darunter und keinen Protonenfluss bei Energien über 100 MeV in einer Höhe von 150 km oder darunter voraus (vgl. AP8-min, wie in SPENVIS (SPace ENVironment Information System), www.spenvis.oma.be, implementiert. Darüber hinaus ist nicht zu erwarten, dass ein nennenswerter Anteil der geladenen Teilchen, die im inneren Strahlungsgürtel gefangen sind, überhaupt in die Atmosphäre gelangt, insbesondere nicht bei niedrigen Zenitwinkeln. Aus diesem Grund wurden die Van-Allen-Gürtel im PANDOCA-Modell nicht als Quelle berücksichtigt, die die Strahlenbelastung von Flugzeugpersonal und Passagieren beeinflussen könnte. Ein theoretischer Strahlungstransportmechanismus könnte aufgrund der Entstehung und des atmosphärischen Transports eines sekundären Neutronenfeldes denkbar sein. Obwohl dies nicht a priori ausgeschlossen werden kann, wäre dafür ein vergleichsweise hoher primärer Protonenfluss erforderlich. Daher ist die experimentelle Untersuchung der Neutronenkomponente von entscheidender Bedeutung, um diesen Strahlungstransportmechanismus auszuschließen.

Die Messdaten der Atlantic Kiss-Mission bestätigen die PANDOCA-Modellrechnungen innerhalb des allgemein akzeptierten Unsicherheitsniveaus sehr gut. Im Südatlantikraum wurden bereits mehrere Strahlungsmessungen an Bord von Flugzeugen durchgeführt, z. B. vom DLR zur Verifizierung des PANDOCA-Modells21 und von Federico et al.9 als Fixpunkt- und Routenmissionen während des vorherigen Übergangs vom Sonnenzyklus 23–24 unter ähnlichen Bedingungen Weltraumwetterbedingungen. Bei beiden Flugeinsätzen gab es keine Hinweise auf lokal erhöhte Dosisleistungen im geografischen Gebiet der SAA. Die Mission „Atlantic Kiss“ bot jedoch die einmalige Gelegenheit, mit einem A350 in einer Höhe von 13 km die gesamte Zielregion in einem einzigen Flug zu durchqueren.

Die Ergebnisse basieren auf Messungen, die während ruhiger Weltraumwetterbedingungen im Übergang vom Sonnenzyklus 24–25 durchgeführt wurden, und entsprechende Messungen sollten zur zusätzlichen Bestätigung in Zeiten starker Sonnenaktivität wiederholt werden, dh über einen Zeitraum gestörter Magnetosphäre.

Die Mission Atlantic Kiss sollte mögliche Auswirkungen des inneren Van-Allen-Strahlungsgürtels auf die Strahlenbelastung in den Höhen der Zivilluftfahrt im geografischen Gebiet der SAA untersuchen und könnte 2021 schließlich auf einem einmaligen Flug von HAM nach MPN durchgeführt werden während des Übergangs zwischen Sonnenzyklus 24 und 25 trotz der weltweiten SARS-CoV-2-Pandemiekrise. Die Einsatzbedingungen für diese Mission waren optimal, da bei ruhigem Weltraumwetter die gesamte interessierende geografische Region in einer Höhe von 13 km durchquert werden konnte. Darüber hinaus wurden die Berechnungen mit dem Strahlungsmodell PANDOCA mit den Messdaten der untersuchten Dosisgrößen auch für diese Höhe bestätigt, d. h. die SAA verursacht keinen zusätzlichen messbaren Beitrag zur erwarteten Strahlenexposition durch die GCR-Komponente beim Flug Flughöhen der zivilen Luftfahrt unter stabilen Weltraumwetterbedingungen. Die urbane Legende einer erhöhten Strahlenexposition in Flughöhen im geografischen Gebiet der SAA scheint auf der Annahme eines linearen oder ähnlichen Zusammenhangs zwischen der Zunahme der Strahlenexposition in LEOs innerhalb und außerhalb der SAA und der entsprechenden Auswirkung auf die SAA zu beruhen Atmosphäre unter dem inneren Van-Allen-Strahlungsgürtel. Darüber hinaus wird dieses weitverbreitete Missverständnis offenbar durch erhöhte Werte ionisierender Strahlung selbst in Bodennähe gestützt. Die starke Absorption von Partikeln aus dem Strahlungsgürtel aufgrund der atmosphärischen Abschirmung wird in diesem Konzept jedoch außer Acht gelassen und der gemessene Anstieg der Strahlung am Boden ist nachweislich auf terrestrische Radioaktivität zurückzuführen, z. B. 232Th13,14. Darüber hinaus stimmen die Messdaten des Fluges LH2574 in 13 km Höhe mit dem in der SAA an Bord des PROBA-V-Satelliten mithilfe des Strahlungstransportmodells PANDOCA beobachteten atmosphärischen Strahlungstransport von Protonen überein und bestätigen frühere Strahlungsmessungen an Bord von Flugzeugen in der Südatlantische Region von Federico et al. und ihr Vergleich mit verschiedenen Strahlungstransportmodellen9.

Zusammenfassend tragen die Ergebnisse der Mission Atlantic Kiss dazu bei, die urbane Legende zu entlarven, wonach in Flughöhen im geografischen Gebiet der SAA allgemein erhöhte Werte ionisierender Strahlung auftreten, die bei Besatzungsmitgliedern und Passagieren unnötige Besorgnis erregten.

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Wir danken Dr. Eberhard Kohlberg (AWI) und der großartigen Crew von LH2574/LH2575 für die Unterstützung unserer Mission Atlantic Kiss. Darüber hinaus möchten wir dem Sodankyla Geophysical Observatory und dem Website-Team (http://cosmicrays.oulu.fi) für die Bereitstellung der Oulu-Neutronenmonitordaten danken.

Open-Access-Förderung ermöglicht und organisiert durch Projekt DEAL.

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin, Strahlenbiologie, Köln, Deutschland

Matthias M. Meier, Thomas Berger, Daniel Matthiä, Mona C. Plettenberg, Kai Schennetten & Michael Wirtz

Lufthansa German Airlines, Lufthansa Basis, Frankfurt/Main, Deutschland

Thomas Jahn & Markus Scheibinger

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MM, KS, DM und MP planten und führten die Mission Atlantic Kiss durch, erfassten und analysierten die Daten und verfassten den Hauptteil des Artikels. TB lieferte Informationen über die Strahlungsumgebung der SAA, gemessen mit dem RAMIS-Instrument an Bord des Eu:CROPIS-Satelliten, und trug zum Einführungskapitel bei. TJ und MS planten den Flug von HAM nach MPN durch die geografische Region der SAA, unterstützten die Mission in engem Kontakt mit den Wissenschaftlern und trugen zum entsprechenden Teil des Artikels über Flug LH2574 bei. MW unterstützte die Mission mit EDV-Diensten und trug zum Einführungskapitel bei.

Korrespondenz mit Matthias M. Meier.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Meier, MM, Berger, T., Jahn, T. et al. Einfluss der Südatlantikanomalie auf die Strahlenexposition in Flughöhen während des Sonnenminimums. Sci Rep 13, 9348 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36190-5

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Eingegangen: 14. März 2023

Angenommen: 24. Mai 2023

Veröffentlicht: 08. Juni 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36190-5

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