Wegen der relativ hohen Kaliumgehalte der Böden, gehört das K-40 in vielen Gebieten von Deutschland zu den bedeutendsten terrestrischen primordialen Nukliden. Flächendeckende Messungen der Aktivität in Böden Deutschlands liegen nicht vor. Da das Isotop zu 0,0119% im natürlichen Kalium vorkommt, kann die Kalium 40 Aktivität von Boden über das Kaliumvorkommen angegeben werden. Die EU hat im Rahmen des Radioactivtiy Environmental Monitoring (REMon) mit dem “European Atlas of Natural Radiation” auch Kalium in Europa kartiert.
Karten der Gehalte an Kalium 40 in Böden Deutschlands
In der Abbildung 1 ist die Kalium 40 Verteilung im Boden anhand des Kaliumoxid Vorkommens angegeben.
Abb. 1: Übersicht der Verteilung von Kalium 40 anhand der K2O Gehalte im Oberboden von Deutschland. Quelle: remon.jrc.ec.europa.eu
Die höchsten Kalium 40 Gehalte kommen demnach in der Mitte von Deutschland vor. In Norddeutschland ist die Konzentration deutlich geringer. Dies wird auch aus der Detailkarte in Abbildung 2 deutlich.
Abb. 2: Bodenkarte der Kalium 40 Aktivität anhand der K2O Gehalte im Oberboden von Deutschland. Rasterzellen jeweils 10 × 10 km. Quelle: remon.jrc.ec.europa.eu
In den Nachbarländern Italien, Österreich und der Schweiz ist den Karten des European Atlas of Natural Radiation nach, von vergleichbaren K-40 Gehalten der Böden auszugehen.
K-40 Aktivität von Böden und Gesteinen
Aufgrund unterschiedlicher Boden- und Gesteinstypen variiert die Aktivität des Nuklids in Deutschland erheblich, wie aus der Tabelle 1 ersichtlich ist.
Tab. 1: Kalium-40 Aktivität von Böden und Gesteinsarten nach Kiefer und Koelzer 1992
Bodenart | K-40 [Bq/kg] |
Moorboden | 100 |
Bleicherde | 150 |
Rasenpodsolboden | 300 |
Waldboden | 400 |
Schwarzerde | 400 |
Kastanienfarbener Boden | 550 |
Grauerde | 650 |
Graubrauner Boden | 700 |
Gesteinsart | |
Kalkstein | 90 |
Durit | 150 |
Basalt | 250 |
Sandstein | 350 |
Diorit | 700 |
Tonschiefer | 700 |
Granit | 1000 |
In Deutschland bestehen großräumige Unterschiede bezüglich der K40 Aktivität, die durch unterschiedliche Bodentypen verursacht sind. In Norddeutschland haben Böden geringere Aktivitäten als im mittleren Deutschland. Kalkstein enthält durchschnittlich nur 90 Bq K-40/kg, während Granit auf 1000 Bq K-40/kg kommt.
Ackerböden
Bayern
In der Tabelle 2 sind die spezifischen K-40 Aktivitäten von Ackerböden aus Bayern für die Landkreise angegeben. Die Messerte beziehen sich auf Kilogramm Trockenboden. Die Daten verdeutlichen die hohe Variabilität des Nuklids in den unterscuhten böden. Die Messwerte reichen von 65 Bq/kg TS bis 1.100 Bq/kg TS.
Tab. 2: Kalium 40 in Ackerböden aus Bayern. Quelle: Bayerisches Landesamt für Umwelt, www.lfu.bayern.de
Probenahme [Jahr] | Herkunft Regierungsbezirk | Herkunft Landkreis | K-40 [Bq/kg] TS |
2018 | Oberbayern, Reg.-Bez. | Neuburg-Schrobenhausen, Landkrs. | 65 |
2016 | Oberbayern, Reg.-Bez. | Neuburg-Schrobenhausen, Landkrs. | 66 |
2017 | Oberbayern, Reg.-Bez. | Neuburg-Schrobenhausen, Landkrs. | 70 |
2017 | Oberfranken, Reg.-Bez. | Bayreuth, Landkrs. | 92 |
2018 | Oberfranken, Reg.-Bez. | Bayreuth, Landkrs. | 99 |
2016 | Oberfranken, Reg.-Bez. | Bayreuth, Landkrs. | 140 |
2017 | Oberpfalz, Reg.-Bez. | Amberg-Sulzbach, Landkrs. | 210 |
2017 | Oberpfalz, Reg.-Bez. | Schwandorf, Landkrs. | 220 |
2016 | Oberpfalz, Reg.-Bez. | Amberg-Sulzbach, Landkrs. | 220 |
2018 | Oberfranken, Reg.-Bez. | Hof, Landkrs. | 230 |
2018 | Oberpfalz, Reg.-Bez. | Schwandorf, Landkrs. | 230 |
2016 | Niederbayern, Reg.-Bez. | Dingolfing-Landau, Landkrs. | 240 |
2017 | Oberfranken, Reg.-Bez. | Hof, Landkrs. | 250 |
2016 | Oberpfalz, Reg.-Bez. | Schwandorf, Landkrs. | 250 |
2017 | Niederbayern, Reg.-Bez. | Dingolfing-Landau, Landkrs. | 280 |
2016 | Oberfranken, Reg.-Bez. | Hof, Landkrs. | 280 |
2018 | Niederbayern, Reg.-Bez. | Kelheim, Landkrs. | 290 |
2018 | Niederbayern, Reg.-Bez. | Dingolfing-Landau, Landkrs. | 290 |
2018 | Oberpfalz, Reg.-Bez. | Amberg-Sulzbach, Landkrs. | 300 |
2017 | Oberbayern, Reg.-Bez. | München, Landkrs. | 310 |
2016 | Niederbayern, Reg.-Bez. | Kelheim, Landkrs. | 310 |
2018 | Oberbayern, Reg.-Bez. | München, Landkrs. | 320 |
2016 | Oberbayern, Reg.-Bez. | München, Landkrs. | 320 |
2017 | Niederbayern, Reg.-Bez. | Kelheim, Landkrs. | 330 |
2018 | Niederbayern, Reg.-Bez. | Deggendorf, Landkrs. | 350 |
2017 | Niederbayern, Reg.-Bez. | Deggendorf, Landkrs. | 350 |
2016 | Niederbayern, Reg.-Bez. | Deggendorf, Landkrs. | 360 |
2018 | Schwaben, Reg.-Bez. | Unterallgäu, Landkrs. | 370 |
2017 | Schwaben, Reg.-Bez. | Unterallgäu, Landkrs. | 370 |
2018 | Schwaben, Reg.-Bez. | Aichach-Friedberg, Landkrs. | 380 |
2016 | Schwaben, Reg.-Bez. | Unterallgäu, Landkrs. | 390 |
2016 | Schwaben, Reg.-Bez. | Aichach-Friedberg, Landkrs. | 410 |
2018 | Unterfranken, Reg.-Bez. | Miltenberg, Landkrs. | 440 |
2017 | Unterfranken, Reg.-Bez. | Miltenberg, Landkrs. | 450 |
2016 | Schwaben, Reg.-Bez. | Günzburg, Landkrs. | 450 |
2016 | Oberpfalz, Reg.-Bez. | Regensburg, Landkrs. | 450 |
2016 | Unterfranken, Reg.-Bez. | Miltenberg, Landkrs. | 450 |
2018 | Oberbayern, Reg.-Bez. | Altötting, Landkrs. | 460 |
2017 | Oberbayern, Reg.-Bez. | Altötting, Landkrs. | 460 |
2017 | Schwaben, Reg.-Bez. | Aichach-Friedberg, Landkrs. | 460 |
2016 | Oberbayern, Reg.-Bez. | Altötting, Landkrs. | 460 |
2018 | Oberpfalz, Reg.-Bez. | Regensburg, Landkrs. | 470 |
2017 | Oberpfalz, Reg.-Bez. | Regensburg, Landkrs. | 470 |
2017 | Schwaben, Reg.-Bez. | Günzburg, Landkrs. | 480 |
2018 | Oberpfalz, Reg.-Bez. | Tirschenreuth, Landkrs. | 500 |
2016 | Niederbayern, Reg.-Bez. | Rottal-Inn, Landkrs. | 510 |
2018 | Schwaben, Reg.-Bez. | Günzburg, Landkrs. | 520 |
2016 | Niederbayern, Reg.-Bez. | Landshut, Landkrs. | 520 |
2016 | Niederbayern, Reg.-Bez. | Straubing | 530 |
2018 | Niederbayern, Reg.-Bez. | Landshut, Landkrs. | 540 |
2017 | Niederbayern, Reg.-Bez. | Landshut, Landkrs. | 540 |
2017 | Niederbayern, Reg.-Bez. | Rottal-Inn, Landkrs. | 540 |
2018 | Niederbayern, Reg.-Bez. | Rottal-Inn, Landkrs. | 550 |
2018 | Schwaben, Reg.-Bez. | Donau-Ries, Landkrs. | 550 |
2018 | Oberfranken, Reg.-Bez. | Bamberg, Landkrs. | 550 |
2016 | Schwaben, Reg.-Bez. | Donau-Ries, Landkrs. | 550 |
2016 | Oberfranken, Reg.-Bez. | Bamberg, Landkrs. | 550 |
2017 | Schwaben, Reg.-Bez. | Donau-Ries, Landkrs. | 560 |
2017 | Unterfranken, Reg.-Bez. | Kitzingen, Landkrs. | 560 |
2018 | Niederbayern, Reg.-Bez. | Straubing | 570 |
2017 | Oberfranken, Reg.-Bez. | Bamberg, Landkrs. | 570 |
2018 | Unterfranken, Reg.-Bez. | Kitzingen, Landkrs. | 580 |
2017 | Niederbayern, Reg.-Bez. | Straubing | 580 |
2017 | Oberpfalz, Reg.-Bez. | Tirschenreuth, Landkrs. | 590 |
2016 | Oberpfalz, Reg.-Bez. | Tirschenreuth, Landkrs. | 620 |
2016 | Oberbayern, Reg.-Bez. | Dachau, Landkrs. | 630 |
2017 | Oberfranken, Reg.-Bez. | Kronach, Landkrs. | 640 |
2016 | Oberfranken, Reg.-Bez. | Kronach, Landkrs. | 640 |
2018 | Oberbayern, Reg.-Bez. | Dachau, Landkrs. | 650 |
2017 | Oberbayern, Reg.-Bez. | Dachau, Landkrs. | 660 |
2016 | Unterfranken, Reg.-Bez. | Kitzingen, Landkrs. | 660 |
2016 | Unterfranken, Reg.-Bez. | Würzburg, Landkrs. | 660 |
2018 | Unterfranken, Reg.-Bez. | Würzburg, Landkrs. | 670 |
2017 | Unterfranken, Reg.-Bez. | Würzburg, Landkrs. | 670 |
2018 | Oberfranken, Reg.-Bez. | Kronach, Landkrs. | 680 |
2016 | Mittelfranken, Reg.-Bez. | Weißenburg-Gunzenhausen, Landkrs. | 780 |
2016 | Oberpfalz, Reg.-Bez. | Schwandorf, Landkrs. | 790 |
2018 | Oberpfalz, Reg.-Bez. | Schwandorf, Landkrs. | 800 |
2018 | Unterfranken, Reg.-Bez. | Schweinfurt, Landkrs. | 800 |
2017 | Unterfranken, Reg.-Bez. | Schweinfurt, Landkrs. | 800 |
2017 | Oberpfalz, Reg.-Bez. | Schwandorf, Landkrs. | 810 |
2018 | Mittelfranken, Reg.-Bez. | Weißenburg-Gunzenhausen, Landkrs. | 830 |
2017 | Mittelfranken, Reg.-Bez. | Ansbach, Landkrs. | 840 |
2017 | Mittelfranken, Reg.-Bez. | Weißenburg-Gunzenhausen, Landkrs. | 850 |
2016 | Unterfranken, Reg.-Bez. | Schweinfurt, Landkrs. | 850 |
2016 | Mittelfranken, Reg.-Bez. | Ansbach, Landkrs. | 860 |
2018 | Mittelfranken, Reg.-Bez. | Ansbach, Landkrs. | 870 |
2018 | Unterfranken, Reg.-Bez. | Bad Kissingen, Landkrs. | 1.000 |
2017 | Unterfranken, Reg.-Bez. | Bad Kissingen, Landkrs. | 1.100 |
2016 | Unterfranken, Reg.-Bez. | Bad Kissingen, Landkrs. | 1.100 |
Dynamik – Tiefenverteilung und Migration in Bodenprofilen
Waldböden
Umweltanalysen hat in den letzten 3 Jahrzehnten Forschungsarbeiten zur Umweltradioaktivität in Waldökosystemen durchgeführt und dabei auch Bodenprofile analysiert. Die Abbildung 3 zeigt die Tiefenverteilung des K-40 Isotops in einem Bodenprofil aus einem Fichtenbestand in 2018. Die Bodenproben wurden volumenecht mit einem Bohrstock entnommen.
Abb. 3: Spezifische Aktivität von K 40 in einem Bodenprofil, Fichtenbestand 160-jährig, Bayerisch Eisenstein (Bayerischer Wald), Entnahme 09/2018. Aktivitätsangaben bezogen auf Trockengewicht.
Die Humusauflage beträgt 10 cm, es schließt sich ein humoser Ah an. Von der Bodentiefe 2 cm an nimmt die Aktivität in der Humusauflage bis zum Mineralboden in 10 cm Tiefe deutlich zu. In darunter liegenden Bodenschichten erfolgt ebenfalls eine Zunahme der Aktivität, allerdings nur noch in geringem Umfang, Messdaten sind in der Tabelle 4 angegeben.
Tabelle 4: Aktivität von Kalium-40 in einem Waldbodenprofil.
Tiefenstufe [cm] | K-40 [Bq/kg] |
0-2 | 109 |
2-4 | 71 |
4-6 | 191 |
6-8 | 307 |
8-10 | 452 |
10-12 | 549 |
12-14 | 561 |
14-16 | 565 |
16-18 | 579 |
18-20 | 587 |
20-22 | 595 |
Die geringste Aktivität ist mit 71 Bq K40/kg in der Bodenschicht 2-4 cm (Humusauflage). Ab einer Tiefe von 10 cm, also ab dem Beginn des Mineralbodens liegen alle gemessenen Aktivitäten über 500 Bq K40/kg.
Einen Anstieg der K-40 Aktivität mit zunehmender Bodentiefe ermittelten auch das Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie und die Nordwestdeutsche Forstliche Versuchsanstalt für Waldböden in Niedersachsen Link.
Untersuchungen in verschiedenen Waldökosystemen
Um die vertikale Verteilung von Kalium und Cäsium 137 in den Bodenprofilen vergleichen zu können wurde die K-40 Aktivität in 1992 entnommenen Profilen mitbestimmt. In der Abbildung 4 ist die mittlere K-40 Aktivitätskonzentration von 3 Profilserien in % pro cm Profiltiefe pro m2 Bodenfläche, bezogen auf die insgesamt in den Profilen enthaltene K-40 Aktivität, dargestellt. Zusätzlich sind auch Minimal- und Maximalwerte angegeben.
Im Gegensatz zum Cs-137 war die Aktivitätskonzentration von K-40 bei beiden Flächen in der Humusauflage am geringsten und nahm bis ca. 10 cm Bodentiefe deutlich zu. In den nachfolgenden Schichten variierte der K-40 Gehalt nur noch wenig.
Abb. 4: Verteilung von Kalium-40 in Waldböden, Mittel-, Minimal- und Maximalwerte von 3 Profilserien, Probenahme November 1992: links Fläche B1 (100 % = 50,9 kBq/m2); rechts Fläche F1 (100 % = 45,3 kqB/m2). Quelle: Fielitz 1994
Mit der Bodentiefe nimmt die K-40 Aktivität zu
Auf der Fläche B1 betrug die mittlere K-40 Aktivitätskonzentration im Auflagehumus durchschnittlich 4,2 kBq/m2 (260 Bq/kg), in der Schicht 0 – 10 cm 18,8 kBq/m2 und in der Schicht 0 – 20 cm 50,9 kBq/m2. Die spezifische Aktivität im Mineralboden (4 – 20 cm) betrug durchschnittlich 430 kBq/m2. Der K-40 Gehalt der Profilschicht 18 – 20 cm war mit durchschnittlich 7,8 kBq/m2 signifikant höher, als in der Schicht 16 – 18 cm (6,2 kBq/m2). Dieser Unterschied ist durch die hohe Trockenraumdichte der Profilschicht 18 – 20 cm, gegenüber der darüberliegenden Profilschicht bedingt.
Auf der Fläche F1 war die spezifische K-40 Aktivität des Mineralbodens (4 – 20 cm), mit 210 Bq/kg, nur etwa halb so hoch wie auf B1 (430 Bq/kg). Durch die höhere Trockenraumdichte des Mineralbodens auf F1 ergeben sich allerdings ähnlich hohe K-40 Aktivitätskonzentrationen: für die Profilschichten 0 – 10 cm durchschnittlich 15,2 kBq/m2 , bzw. 45,3 kBq/m2 für die Schicht 0 – 20 cm. Dagegen betrug auf F1 die durchschnittliche K-40 Aktivitätskonzentration in der Humusauflage, mit 1,4 kBq/m2, nur ein Drittel der auf B1 (4,2 kBq/m2).
Kalium 40 Migration auf Ackerböden und landwirtschaftliche Nutzflächen
Wie ist die vertikale Verteilung von K-40 in einem Ackerboden in unmittelbarer Nähe der Dauerprobefläche F1 in Fuhrberg angegeben. Die Bodenproben wurden auf der landwirtschaftlichen Nutzflächemit einem Bohrstock entnommen. Die Schichttiefen betrugen 5 cm. In der Abbildung 5 ist die mittlere Tiefenverteilung von Kalium 40 aus 3 Bodenprofilen abgebildet.
Abb. 5: Mittlere Verteilung von Kalium 40 in 3 Profilen einer landwirtschaftlichen Nutzfläche
Untersuchungsgebiet Fuhrberg, Datum der Probenahme: April 1992, (Profile XIII – XV). Angaben bezogen auf Trockensubstanz
Die vertikale Verteilung von Kalium 40 war in dem Ackerboden sehr gleichmäßig. Durch die jahrelange Pflugtätigkeit ist das Isotop mit 225 Bq/kg nahezu homogen im Boden verteilt. Abweichungen von 1-2 Becquerel zwischen den 5-cm Bodenschichten liegen im Bereich des Messfehlers.
Tabellen Messwerte
Messwerte zu Abbildung 4
Tab. 5: Kalium 40 Aktivität – Bodenprofil, Dauerprobefläche B1, 1992. Die spezifische Aktivität bezieht sich auf Trockensubstanz
Profil IV | Tiefe [cm] | K-40 [Bq/kg] | K-40 [Bq/m2] |
0-2 | 269 | 2641 | |
2-4 | 291 | 2756 | |
4-6 | 337 | 3299 | |
6-8 | 372 | 4392 | |
8-10 | 407 | 5394 | |
10-12 | 416 | 5875 | |
12-14 | 426 | 6099 | |
14-16 | 438 | 6432 | |
16-18 | 440 | 6256 | |
18-20 | 439 | 7982 | |
Summe | 51126 | ||
Profil V | Tiefe [cm] | K-40 [Bq/kg] | K-40 [Bq/m2] |
0-2 | 224 | 1249 | |
2-4 | 312 | 2642 | |
4-6 | 426 | 5483 | |
6-8 | 411 | 6012 | |
8-10 | 454 | 6209 | |
10-12 | 438 | 6434 | |
12-14 | 438 | 6909 | |
14-16 | 432 | 5916 | |
16-18 | 467 | 6198 | |
18-20 | 472 | 8688 | |
Summe | 55740 | ||
Profil VI | Tiefe [cm] | K-40 [Bq/kg] | K-40 [Bq/m2] |
0-2 | 160 | 810 | |
2-4 | 288 | 2586 | |
4-6 | 355 | 3922 | |
6-8 | 379 | 4106 | |
8-10 | 412 | 5040 | |
10-12 | 412 | 5537 | |
12-14 | 444 | 5502 | |
14-16 | 438 | 5911 | |
16-18 | 467 | 5795 | |
18-20 | 472 | 6776 | |
Summe | 45985 |
Tab. 6: Tab. 4: Kalium 40 Aktivität – Bodenprofil, Dauerprobefläche F1, 1992
Profil X | Tiefe [cm] | K-40 [Bq/kg] | K-40 [Bq/m2] |
0-2 | 73 | 258 | |
2-4 | 124 | 829 | |
4-6 | 181 | 2940 | |
6-8 | 198 | 5124 | |
8-10 | 205 | 5561 | |
10-12 | 215 | 6258 | |
12-14 | 202 | 6236 | |
14-16 | 210 | 6125 | |
16-18 | 201 | 6183 | |
18-20 | 208 | 6215 | |
Summe | 45729 | ||
Profil XI | Tiefe [cm] | K-40 [Bq/kg] | K-40 [Bq/m2] |
0-2 | 68 | 255 | |
2-4 | 170 | 1753 | |
4-6 | 218 | 4191 | |
6-8 | 216 | 5138 | |
8-10 | 229 | 4666 | |
10-12 | 240 | 5592 | |
12-14 | 250 | 6106 | |
14-16 | 236 | 6322 | |
16-18 | 238 | 6787 | |
18-20 | 236 | 6257 | |
Summe | 47067 | ||
Profil XII | Tiefe [cm] | K-40 [Bq/kg] | K-40 [Bq/m2] |
0-2 | 47 | 158 | |
2-4 | 121 | 983 | |
4-6 | 187 | 3413 | |
6-8 | 197 | 5239 | |
8-10 | 196 | 5233 | |
10-12 | 196 | 5481 | |
12-14 | 208 | 5292 | |
14-16 | 198 | 5257 | |
16-18 | 209 | 5947 | |
18-20 | 202 | 6010 | |
Summe | 43013 |
Literatur
Fielitz U., 1994: Abschlussbericht über das Forschungsvorhaben “Radioaktivität in Wildtieren”. BMU-1994-408