Strahlenbelastung durch Ultraviolette (UV) Strahlung

Kinder müssen besonders vor UV Strahlen geschützt werden

Allgemeines

Das menschliche Auge vermag elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von etwa 400 nm bis etwa 750 nm als Licht zu registrieren. Dabei erscheint Strahlung mit einer Wellenlänge von 750 nm als rot und die von 400 nm als violett. Ein Nanometer (nm) ist ein milliardstel Meter (10^-9m). Strahlung mit einer größeren Wellenlänge als 750 nm wird als Infrarotstrahlung (IR-Strahlung) mit einer Wellenlänge, die kleiner ist als 400 nm, als Ultraviolett Strahlung (UV-Strahlung) bezeichnet. Dabei werden drei UV-Bereiche unterschieden, die physikalisch und biologisch verschiedene Wirkungen besitzen.

Strahlung mit Wellenlängen, die kleiner als 100 nm sind, gehört zur ionisierenden Strahlung, also Röntgen- oder Gammastrahlung.

Schwächung von UV-Strahlung in der Atmosphäre

Etwa 6% der die Erde treffenden Sonnenstrahlung sind UV-Strahlen. Von der Sonnenstrahlung erreichen im wesentlichen nur sichtbares Licht, UV-A und UV-B die Erdoberfläche. Dagegen wird das UV-C von dem atmosphärischem Ozon völlig absorbiert. Die Schwächung des die Erdatmosphäre treffenden Sonnenlichts besteht aus vielfältigen Absorptions- und Streuprozessen, die sehr stark von der Wellenlänge der Strahlung abhängen.

UV-B-Strahlung und, in erheblich geringerem Maße, UV-A-Strahlung werden durch das stratosphärische und troposphärische Ozon geschwächt, aber nicht, wie das UV-C, vollständig absorbiert. Eine Streuung der UV-Strahlung erfolgt u.a. durch Wasserteilchen in der Luft, durch die Luftmoleküle selber sowie durch Schwebeteilchen in der Luft (Aerosole). Durch die Streuung wird u.a. ein Teil der Strahlung in den Weltraum "zurück" gestreut.

Aufgrund dieser Tatsachen spielt die Ozonschicht von allen für die Schwächung der UV-B-Strahlung eine entscheidende Rolle. Auch eine starke Verringerung der Ozonschicht würde daher kaum zu einer Erhöhung von UV-C-Strahlung auf der Erdoberfläche führen, da dessen Absorption auch durch weniger Ozon noch effektiv genug wäre. Die UV-A-Strahlung wird, wie erwähnt, vom Ozon nur in einem sehr geringen Ausmaß geschwächt, so dass eine Verringerung der Ozonschicht auch kaum einen Einfluss auf die Intensität des UV-A hat.

Anders ist die Situation beim UV-B. Als grobe Näherung kann man davon ausgehen, dass jedes Prozent Ozonverlust zu einer 1,5 bis 2 %tigen Zunahme der UV-B- Strahlung auf der Erdoberfläche führt.

Anatomie der Haut

Eine künstlerische Impression der Haut

Um die biologischen und physiologischen Vorgänge von UV-Strahlung in der Haut zu verstehen, sind einige Kenntnisse über deren Anatomie von Nutzen.

Die Haut ist das größte Organ des Menschen. Beim Erwachsenen bedeckt sie eine Fläche von ca. 1,6 m² und macht etwa 16% des Körpergewichtes des Menschen aus. Sie erfüllt eine Vielzahl von Aufgaben, die hier kurz aufgezählt werden sollen:

• Schutzfunktion, z.B. vor mechanischen Schäden
• Temperaturregulation, z.B. durch Verengung oder Erweiterung der Blutgefäße
• Regulierung des Wasserhaushaltes, z.B. durch Abgabe von Flüssigkeit und Salzen (Schwitzen)
• Sinnesfunktion, z.B. Wahrnehmung von thermischen Reizen, Berührungen, Schmerzen
• Immunfunktion, z.B. im Rahmen von Infektionserkrankungen und Allergien
• Kommunikation, z.B. durch Erröten oder Erblassen

Die Haut des Menschen besteht aus der Oberhaut (Epidermis) und der Lederhaut (Dermis). Unter der Haut liegt die Unterhaut, die Subcutis. Zu den sogenannten Hautanhangsgebilden zählen: Haare, Nägel und Drüsen, wie z.B. die Schweißdrüsen.

Oberhaut, Epidermis

Die Epidermis wird hauptsächlich von den Epithelzellen, d.h. den Keratinozyten, gebildet. Außerdem befinden sich hier die für die Pigmentierung verantwortlichen Melanozyten sowie Zellen des Immunsystems, die Langerhans-Zellen und Fasern des Nervensystems. An ihrer dünnsten Stelle hat die Epidermis eine Dicke von 0,04 mm. An ihrer dicksten Stelle, wie z.B. Schwielen an den Fußsohlen, ist sie ca. 2 mm dick. Sie ist von innen nach außen in 5 Schichten gegliedert:

Regenerationsschicht, Stratum basale

Hier erfolgt durch Zellteilung die Neubildung der Keratinozyten. Es dauert ca. 30 Tage bis ein neugebildeter Kerantinozyt aus der Regenerationsschicht bis an die Hautoberfläche, also in die Hornschicht, gewandert ist.

Stachelzellschicht, Stratum spinosum

In dieser Schicht sind die Keratinozyten durch bestimmte Strukturen, die Tonofibrillen, netzartig miteinander verbunden. In dieser Schicht kann es bei Hauterkrankungen zu Wasseransammlungen und damit zur Blasenbildung kommen.

Körnerschicht, Stratum granulosum

Die In dieser Schicht befindlichen Keratinozyten enthalten Keratohyalinkörner. Bestandteile dieser Körner sind dafür verantwortlich, dass auf die Hauto-berfläche aufgetragene fetthaltige Substanzen, z.B. Cremes, in die Haut eindringen können.

Stark lichtbrechende Schicht, Stratum lucidum

Diese Schicht ist sehr schmal, Zellgrenzen oder Zellkernen sind nicht mehr zu erkennen.

Hornschicht, Stratum corneum

In der Hornschicht verbacken die aus den Keratinozyten hervorgegangenen Hornzellen mit Hornsubstanzen der Haut, z.B. Keratin, zu Hornschuppen, die dann abgestoßen werden.

Lederhaut, Dermis

Die Lederhaut unterteilt sich in 2 Schichten: die Papillarschicht (Stratum papillare), die der Epidermis anliegt, und die Geflechtschicht, das Stratum reticulare, die unmittelbar an die Unterhaut angrenzt. Die Lederhaut besteht aus einem dichten Netz elastischer und kollagener Fasern, das der Haut ihre Reißfestigkeit und reversible Verformbarkeit gibt. Aus der Lederhaut von tierischen Häuten wird z.B. Leder gewonnen. In der Lederhaut befinden sich Blut- und Lymphgefäße, Nerven, Zellen der Immunabwehr und eine Vielzahl von Hautdrüsen sowie Haarwurzeln, sowie die Meißnerschen Testkörperchen.

Unterhaut, Subcutis

Die Unterhaut besteht aus lockerem Bindegewebe sowie Fettgewebe. Sie ermöglicht die Verschieblichkeit der Haut und dient als Fettspeicher und Wärmeisolator. In dieser Schicht kommt es bei Ödembildungen zur Flüssigkeitseinlagerung.

Biologische Wirkungen der UV- Strahlung

Die Quelle für die natürliche UV-Strahlung ist die Sonne. Auf künstlichem Wege kann UV-Strahlung mit Hilfe spezieller UV-Lampen, z.B. zur Desinfektion in der Medizin oder zur Bräunung in Sonnenbänken, erzeugt werden. Leider strahlen auch Halogen-Lampen UV-Strahlung ab. Wegen der geringen Eindringtiefe von UV-Strahlung in den menschlichen Organismus sind praktisch nur das Auge und die Haut und das Immunsystem betroffen. Dabei müssen akute und chronische unterschieden werden. Aber UV-Strahlung ist für das menschliche Leben auch notwendig und besitzt eine Reihe positiver Wirkungen.

Positive Wirkungen

In vernünftigen "Mengen" besitzt die UV-Strahlung eine Reihe notwendiger und positiver Effekte. So ist UV-Strahlung für die Bildung von Vitamin D in der Haut erforderlich. Allerdings reicht hierfür bereits eine 10-minütige Sonnenexposition pro Tag aus. Die beiden Vitamine D2 und D3 entstehen dabei mittels des UV-Lichts aus den beiden Provitaminen Ergosterol bzw. 7-Dehydesterol. Vitamin D spielt für den Kalzium-Stoffwechsel eine wesentliche Rolle. Außerdem stimuliert das Sonnenlicht das Immunsystem und fördert das allgemeine Wohlbefinden. In der medizinischen Therapie wird UV-Strahlung u.a. zur Behandlung von Psoriasis und Neurodermitis sowie zum Abbau bestimmter Empfindlichkeitsstörungen verwendet.

Lichttherapie wird bei Depressionen und gestörtem Schlaf-Wach-Rhythmus angewandt.

Schädigende Wirkungen

Akute Folgen

Die akuten Folgen einer zu starken UV-Strahlung können eine Bindehaut- oder Hornhautentzündung des Auges sowie ein Sonnenbrand (Erythem) der Haut sein. Bei stärkerer UV-Strahlung kommt es auf der Haut zur Blasenbildung bis hin zum Absterben von Hautgewebe (Nekrosen).

Chronische Folgen, Spätfolgen

Nach jahrelanger intensiver Einwirkung von UV-Strahlung kann es zu den folgenden dauerhaften und irreversiblen Schäden kommen:

Am Auge:Linsentrübungen (Katarakt), degenerative Veränderungen der Bindehaut sowie Retinopathien.

An der Haut:Frühzeitige Alterung, Faltenbildung. Diese als "Alterung" der Haut bezeichneten Veränderungen bestehen u.a. in:

• Porenerweiterungen,
• Mitessern,
• Gefäßerweiterungen,
• Bindegewebsschäden,
• Zerstörung der elastischen Fasern.

Weiterhin kann Hautkrebs entstehen wie ein:

• Basalzellkarzinom
• Plattenepitelkarzinom,
• Melanom (schwarzer Hautkrebs).

Am Immunsystem:

Häufigere Infektionskrankheiten wie Herpes simplex oder Tuberkulose. Weiterhin besteht eine negative Wirkung bei der Krebsentstehung, z.B. durch Immunsuppression.

Mutationen

Eine der wesentlichen Wirkungen der UV-Strahlung besteht in der Veränderung der DNA. Dabei werden durch die Pyrimidinbasen der DNA, also Thymin und Cytosin stabile Dimere gebildet. Diese Dimere führen in der Zelle zu Störungen bei der Transkription und später auch bei der Replikation (= Zellvermehrung).

Unter Transkription versteht man die Übersetzung von DNA in RNA.

Außerdem können DNA-Strangbrüche die Folge sein.

Derartige ständig - auch bei normaler UV-Strahlung - stattfindende Veränderungen werden mittels spezieller Reparaturmechanismen repariert. Ein für diese Reparaturen wichtiges Enzym ist die Endonuklease.

Sofern diese Reparaturmechanismen gestört sind, ist z.B. die Erkrankung Xeroderma pigmentosum die Folge. Hierbei entwickeln die der Sonne ausgesetzten Hautpartien einen Hautkrebs.

Bei zu hohen UV-Strahlendosen, die die Haut treffen wird die "normale" Funktion der Reparaturmechanismen überfordert, so dass u.a. Krebs die Folge sein kann.

Messung der UV-Strahlung, UV-Index

Vor allem durch das geänderte Freizeit- und Sozialverhalten in den letzten Jahren bedingt, hat sich die Exposition durch UV-Strahlung teilweise erheblich erhöht. Außerdem hat sich - bisher vor allem in der südlichen He-misphäre - die UV-B-Exposition durch die Verringerung der Ozonschicht verstärkt.

Es scheint, dass die natürlichen Schutzmechanismen der Haut nicht mehr ausreichen, um mit dieser Mehrbelastung fertig zu werden. Um den Menschen zu helfen, Risiken zu erkennen und gegebenenfalls zu verhindern, wird seit 1993 die UV-Strahlung in Bodennähe kontinuierlich überwacht. Dazu ist vom Bundesamt für Strahlenschutz und dem Umweltbundesamt ein UV-Messnetz aufgebaut worden.

Dieses Netz umfasst die vier Messstationen Zingst/Ostsee, Langen bei Frankfurt, Schauinsland im Schwarzwald und Oberschleißheim bei München. Durch die Zusammenarbeit mit der Universität Kiel mit einer Messstation auf Sylt, der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitssicherheit, dem Landesamt für Umweltschutz in Kulmbach/Bayern sowie dem Deutschen Wetterdienst in Potsdam kommen vier weitere Messstationen hinzu. Hier wird täglich alle 6 Minuten der gesamte UV-Bereich von 290 nm bis 400 nm gemessen und ausgewertet. Die aktuellen UV-Indizes können täglich im Internet unter:http://www.bfs.de/uvi/index.htm ab- bzw. aufgerufen werden.

Unter derselben Adresse lassen sich durch das Anklicken des entsprechenden Menues auch die UV-Indexes für den 21. eines jeden Monats weltweit abrufen.

Maßeinheiten

In der biologischen Wissenschaft wird die UV-Strahlung als "Erythemwirksame-Halbstunden-Dosis (hED) angegeben. Diese Maßeinheit gibt an, welche erythemwirksame, also sonnenbrandwirksame, UV-Energie in einer halben Stunde pro m² auf Meereshöhe auftrifft. Sie wird daher in Joule pro Quadratmeter (J/m²) gemessen.

Für die Bevölkerung wird eine besser verständliche Größe verwendet. Dies ist der UV-Index (UV-J) für UV-Strahlung. Dieser Index ist ein Maß für den Tageshöchstwert an sonnenbrandwirksamer UV-Strahlung. Dabei entsprechen etwa 50 Joule/m² einen UV-Index von 1. Der UV-Index macht eine Aussage darüber, innerhalb welcher Zeit ein bestimmter Hauttyp einen Sonnenbrand ausbildet. Er reicht von 0 - 12. In Deutschland liegen die höchsten Werte etwa bei einem Wert von 8, während weltweit Werte bis zu etwa 12 gemessen werden.

Beispiel:

Bei einem UV-Index von 4 können blonde und hellhäutige Menschen bereits nach einer halben Stunde in der Mittagssonne einen Sonnenbrand erleiden.

UV-Index und Strahlenbelastung

Schutz vor UV-Strahlung

Natürlich besteht der einfachste Schutz vor UV-Strahlung darin, sie möglichst zu meiden. Aber das ist nur begrenzt möglich, da die meisten Menschen sich oft im Freien aufhalten. Es ist außerdem zu bedenken, dass man auch im Schatten aufgrund von Reflektionen UV-Strahlung ausgesetzt ist und dies vor allem auf dem Wasser oder im Schnee. Die Augen werden sehr gut durch Sonnenbrillen geschützt. Dabei allerdings ist dringend darauf zu achten, dass die Gläser auch tatsächlich UV-A und UV-B-Strahlung absorbieren und gross genug sind. Dunkle Gläser ohne ausreichenden UV-Schutz bewirken nämlich das Gegenteil, da durch die erweiterte Pupille mehr UV-Licht eindringt als beim ungeschützten Auge.

Bei Gletscherbegehungen z.B. ist unbedingt eine Gletscherbrille zu verwenden, da ansonsten schwerste Augenschäden die Folge sein können.

Die Haut ist entweder durch Kleidung oder - sofern dies nicht möglich ist, wie z.B. beim Gesicht oder in der Freizeit - durch Sonnenschutzcremes bzw. -milch zu schützen.

Die Anzahl an Sonnenbädern, bei denen eine Hautrötung gerade noch nicht auftritt, sollte nach einer Empfehlung des Bundesamts für Strahlenschutz die Anzahl 50 pro Jahr nicht übersteigen. Sonnenbrände, also Rötungen der Haut, sollten möglichst völlig vermieden werden. Dies kann durch Meiden der Sonnenstrahlung oder durch entsprechende Sonnenschutzmittel erreicht werden.

Schutz bei Kindern

Der kindliche Organismus und damit auch die Haut ist besonders empfindlich gegen Umwelteinflüsse. So ist die Haut von Säuglingen nur 1/10 so dick wie bei Erwachsenen.

Kinder unter 5 Jahren sollten daher ganz besonders vor jeder Art eines Sonnenbrandes geschützt werden, da jeder Sonnenbrand in diesem Alter u.a. das Hautkrebs-Risiko erhöht. Aus diesem Grund sollten Kinder, die der Sonne ausgesetzt sind, also z.B. beim Spielen, mindestens mit einer Sonnenschutzcreme mit dem Schutzfaktor 15 geschützt werden.

Sonnenschutzfaktor

Jede Sonnenschutzcreme besitzt einen Sonnenschutzfaktor, der auf die Verpackung (Dose, Flasche oder Tube) aufgedruckt ist. Der Faktor wird als ganze Zahl angegeben. Die Sonnenschutzfaktoren reichen dabei von 1 bis mittlerweile 30. Ein Faktor 30 gilt als Sonnenblocker.

Der Faktor gibt dabei an, wie viel mal länger man sich nach Auftragen des Sonnenschutzmittels (Creme, Milch) in der Sonne aufhalten kann wie ohne den Schutz, um dieselbe Wirkung zu erreichen. Ein Sonnenschutzfaktor von 5 bedeutete demnach, dass die Wirkung der UV-Strahlung nach 5 Stunden Aufenthalt dieselbe ist wie bei einem Aufenthalt von 1 Stunde ohne Schutz. Bei blonden hellhäutigen Menschen sollte der Sonnenschutzfaktor etwa den doppelten Wert des UV-Index besitzen.

Bei starker Sonnenstrahlung ist zum Schutz des Kopfes und des Nackens eine Kopfbedeckung zu empfehlen.

UV-Strahlung im Gebirge

Der Inca Trail in Peru ist auch an fast bedeckten Tagen eine UV Belastung

Je höher man sich befindet, umso geringer ist die darüber befindliche Lufthülle und umso weniger wird vor allem UV-A geschwächt. Es lässt sich vereinfacht feststellen, dass die Intensität der UV-Strahlung pro 1 000 Höhenmeter um ca. 6 % zunimmt. Besondere Vorsicht muss im Schnee, auf Gletschern oder auf bzw. am Wasser (Bergseen) geübt werden, da hier, durch Reflektionen bedingt, die Strahlenbelastung durch UV-Strahlung erheblich gesteigert sein kann.

UV-Strahlung in Abhängigkeit von der geographischen Breite

Die geographische Breite wächst vom Äquator

phi = 0° bis zu den Polen mit phi = +/- 90°. Entsprechend der geographischen Breite nimmt der Höchststand der Sonne ab. Zwischen dem nördlichen und dem südlichen Wendekreis beträgt der Höchststand der Sonne über dem Horizont (Kimm) in der Mittagszeit zu bestimmten Jahreszeiten 90°.

Je tiefer die Sonne steht, umso größer wird der Weg des Sonnenlichts durch die Atmosphäre und umso mehr wird das UV-Licht geschwächt. So steht die Sonne im Hochsommer, also am 21. Juni, am Äquator 90° über dem Horizont: auf einer Breite von 60° nur noch 53°. Vereinfacht kann man feststellen, dass die UV-Intensität an den Polen bis zu etwa 1/1000 der am Äquator beträgt.

Bräunung, Pigmentierung

Die Bräunung der Haut dient dem Schutz darunterliegender Hautschichten und dabei vor allem dem Schutz der DNA der Zellkerne. Man unterscheidet dabei eine Sofortbräunung (Pigmentierung), die innerhalb von Stunden entsteht und einer Spätpigmentierung

Sofortpigmentierung

In den unteren Schichten der Epithelschicht der Haut befinden sich u.a. Melanozyten und Keratinozyten. Melanozyten und Keratinozyten sind die beiden wichtigsten Zellarten der Oberhaut.

Nach Einwirkung von UV-Strahlung wird in den Melanozyten Melanin gebildet. Von dort wird das Melanin mit Hilfe spezieller Transportmechanismen (Melanosomen) in die Keratinozyten transportiert. In den Keratinozyten lagert sich das Melanin über den Zellkern. Dadurch wird der Zellkern vor UV-Strahlung geschützt, insbesondere dessen DNA. Dieses Melanin ist für die Hautbräunung verantwortlich.

Bei dem Prozess der Sofortpigmentierung wird Melanin in geringer Menge neu gebildet, aber vor allem das bereits vorhandene in die erwähnten Keratinozyten transportiert.

Spätpigmentierung

Die Spätpigmentierung besteht - vor allem nach mehreren Sonnenbädern - in einer verstärkten Neubildung des Melanins und dem darauffolgenden Abtransport. Dieser Prozess kann bis zu einigen Tagen betragen.

Sonnenstudios, Solarien

In Sonnenstudios wird mit Hilfe geeigneter Lampen UV-Licht künstlich erzeugt. Dabei gibt es Ganzkörperanlagen und solche, die vor allem der Gesichtsbräunung dienen. Mit Hilfe geeigneter Filter kann das Verhältnis von UV-A zu UV-B festgelegt werden. In der Regel wird in den Sonnenstudios überwiegend UV-A zur Bräunung eingesetzt. Auf diese Weise sollen Sonnenbrände vermieden werden. Dadurch geht aber auch der länger anhaltende Bräunungseffekt zurück, so dass die UV-A mit größerer Intensität verabreicht werden muss. Dadurch wird eine Bräunung (Sofortpigmentierung) erzielt. Dies hat aber auch eine Erhöhung der schädigenden Wirkung der Strahlung zur Folge. Außerdem bildet sich nicht die hautschützende Lichtschwiele (= verdickte Hornhaut) aus, die nur über UV-B erzielt werden kann.

Es gibt Untersuchungen, nach denen bei bestimmten Personen, das Hautkrebsrisiko erhöht sein kann. Dies ist vor allem bei Personen mit heller Haut oder mit vielen Muttermalen der Fall. Gefährdet sind außerdem Personen, die in ihrer Kindheit unter Sonnenbränden zu leiden hatten. Besonders gefährdet sind, wie bereits erwähnt, Kinder unter 5 Jahren, aber auch für Jugendliche bis zum 18. Lebensjahr besteht ein erhöhtes Risiko. Als Regel gilt, dass pro Jahr nicht mehr als 50 Sonnenbäder ohne Hautrötung genossen werden sollen. Sonnenbäder mit Hautrötung sollten völlig vermieden werden. Diese Zahl gilt für Solarien und für natürliche Sonnenbäder zusammen.

Beim Sonnenbaden sollte außerdem auf Deodorants und Kosmetika verzichtet werden. Bestimmte Medikamente erhöhen zudem die UV-Empfindlichkeit. Bei Einnahme von Medikamenten sollte entweder ganz auf Sonnenbäder verzichtet werden, oder aber zumindest vorher ein Arzt konsultiert werden.

Photoallergische Reaktionen

Eine ganze Reihe von Medikamenten führen bei vielen Menschen zu teilweise erheblichen Hautreaktionen, sofern die Betroffenen sich Sonnenstrahlung aussetzen. Es ist eine sehr große Anzahl von Substanzen bekannt, die bei innerlicher oder äußerer Anwendung zu derartigen, durch UV-Strahlung ausgelösten, allergischen Reaktionen führen können. Einige seien beispielhaft vorgestellt:

• Sulfonamide
• Tetracydine
• Captopril
• Metolazon
• Barbiturate
• Methotrexat
• Triamteren
• Chinin
• Mefloquin
• Chinidin
• Moschus
• ätherische Öle

Die Symptome derartiger allergischer Reaktionen bestehen vor allem in:

• Hautrötungen
• Hautödemen (Schwellungen)
• Blasenbildungen
• Nagelablösungen
• Nagelverfärbungen
• Exanthemen (Hautausschlag)
• Juckreiz