Seit Urzeiten sind alle Organismen der Erde der Einwirkung ionisierender Strahlung natürlichen Ursprungs ausgesetzt. Quellen dieser natürlichen Umgebungsstrahlung sind:

• Radioaktive Stoffe mit sehr langer Halbwertszeit, die Urbestandteile der Erde sind. Wichtigstes Radionuklid dieser Gruppe ist das Kalium-40 mit einer Halbwertszeit von 1,3 Milliarden Jahren.
• Radioaktive Stoffe, die infolge des Zerfalls der Radionuklide Uran-235, Uran-238 und Thorium-232 gebildet werden. Bei diesen Radionukliden erfolgt die Umwandlung vom radioaktiven Stoff zum stabilen Nuklid in mehreren Stufen (natürliche Zerfallsreihen), d.h. es werden aufeinander folgend verschiedene radioaktive Stoffe unterschiedlicher Halbwertszeit gebildet (z. B. Radium-226, Radon-222).
• Ionisierende Strahlung, die in der Erdatmosphäre aufgrund der Einwirkung von Strahlung galaktischen und solaren Ursprungs gebildet wird (Kosmische Strahlung, Höhenstrahlung).
• Radioaktive Stoffe mit relativ kurzer Halbwertszeit, die kontinuierlich in der Atmosphäre durch die Einwirkung der kosmischen Strahlung erzeugt werden. (z. B. Tritium, Kohlenstoff-14, Beryllium-7).

Die natürliche Umgebungsstrahlung setzt sich somit aus einer terrestrischen Komponente (Bodenstrahlung) und einer kosmischen Komponente (Höhenstrahlung) zusammen. In Hessen entfallen etwa zwei Drittel der Umgebungsstrahlung auf die terrestrische und etwa ein Drittel auf die kosmische Strahlungskomponente.

Die Einwirkung der äußeren Strahlung auf den Menschen wird durch die am jeweils betrachteten Ort herrschende Ortsdosis beschrieben. In der Regel erfolgt die Messung der Umgebungsstrahlung als Mittelwert der Ortsdosis innerhalb eines kurzen Zeitintervalls als Ortsdosisleistung. Die im Zusammenhang mit der natürlichen Umgebungsstrahlung üblicherweise verwendete Einheit ist Nanosievert pro Stunde (nSv/h).

Die von der terrestrischen Komponente ausgehende Umgebungsstrahlung ist zum überwiegenden Teil auf die Gammastrahlung des Kalium-40 sowie der Radionuklide der natürlichen Zerfallsreihen von Uran-238 und Thorium-232 zurückzuführen. Bestimmend ist dabei die spezifische Aktivität dieser radioaktiven Stoffe in den oberflächennahen Bodenschichten bzw. Gesteinsschichten. Je nach geologischer Formation am jeweils betrachteten Ort sind daher erhebliche Unterschiede bezüglich der Höhe der natürlichen Umgebungsstrahlung möglich. Die folgende Tabelle zeigt für einige Gesteins- und Bodenarten typische Werte der spezifischen Aktivität der vorgenannten Radionuklide.

Die in der Tabelle genannten Radionuklidgehalte sind typische Werte, wobei festzustellen ist, dass die spezifische Aktivität natürlicher Radionuklide auch innerhalb der Gesteins-/Bodenarten eine große Variationsbreite aufweist. Messungen an hessischen Bodenproben ergaben beispielsweise für das Radionuklid Kalium-40 spezifische Aktivitäten im Bereich von 230 bis 750 Bq/kg Trockenmasse.

In den von Thorium-232 und Uran-238 ausgehenden natürlichen Zerfallsreihen werden auch gasförmige Radionuklide (Radon-220, Radon-222) gebildet, die in die Atmosphäre austreten können. Daher sind Veränderungen des Strahlenpegels durch Witterungseinflüsse zu beobachten. Bedeutsam ist dabei, dass insbesondere bei plötzlich auftretenden heftigen Regenfällen größere Mengen von Zerfallsprodukten des Radons ausgewaschen und auf dem Boden deponiert werden können, wodurch ein kurzfristiger deutlicher Anstieg der Umgebungsstrahlung beobachtet werden kann.

Die kosmische Komponente der Strahlenexposition wird im Wesentlichen von der in der Erdatmosphäre erzeugten Gammastrahlung bestimmt. Der Beitrag der dort ebenfalls erzeugten Neutronenstrahlung und der durch kosmische Strahlung gebildeten Radionuklide ist vergleichsweise gering. Die kosmische Strahlenexposition nimmt mit steigender Höhe zu. Für den Aufenthalt in Meereshöhe in Mitteleuropa ergibt sich eine effektive Dosis von etwa 32 nSv/h. In Hessen sind dafür abhängig von der Höhenlage des überwiegenden Aufenthaltsortes etwa 34 bis 40 nSv/h zu berechnen.

Zur Ermittlung der Gamma-Ortsdosisleistung in der Bundesrepublik Deutschland verfügt das Bundesamt für Strahlenschutz, Institut für Atmosphärische Radioaktivität über ein bundesweites Messnetz mit insgesamt ca. 1800 Messstellen. Davon entfallen ca. 100 Messstellen auf das Land Hessen. Die Messung erfolgt mit automatisch arbeitenden Messsonden in 1 Meter Höhe über dem Boden. Als Messorte wurden möglichst ebene Gras-, Wiesen- oder Weideflächen ohne störende Hindernisse (Gebäude oder Bewuchs im Umkreis von 20 Metern) ausgewählt. Das Bundesamt für Strahlenschutz veröffentlicht eine Übersichtskarte mit den aktuellen Tagesmittelwerten der Gamma-Ortsdosisleistung dieser Messstellen. Die Messwerte der letzten drei Monate können aus der Karte für jede Station abgerufen werden.

Im Mittel wird zurzeit in Hessen eine Gamma-Ortsdosisleistung durch natürliche Umgebungsstrahlung in Höhe von etwa 100 nSv/h gemessen. Die Mittelwerte an den einzelnen Messstellen variieren zwischen etwa 75 und 130 nSv/h. Dabei werden die niedrigsten Werte in der Untermainebene (Messstellen Frankfurt/Main-Flughafen und Offenbach mit etwa 75 nSv/h) und die höchsten Werte mit 120 bis 130 nSv/h im Odenwald (Wald-Michelbach, Reichelsheim), im Grenzbereich des Werraberglandes und der Kuppenröhn (Hohenroda-Ransbach), im Bereich des Taunus (Lorch, Butzbach-Bodenrod) sowie des Rothaargebirges (Willingen-Usseln) gemessen. Alle Messstellen mit Gamma-Ortsdosisleistungen im oberen Wertebereich liegen in Regionen, die ein erhöhtes geologisch bedingtes Radonpotenzial aufweisen, d. h. in Gebieten mit einer hohen Radonkonzentration in der Bodenluft und gleichzeitig hoher Gasdurchlässigkeit des Bodens.