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Ultraviolẹttstrahlung,

 

UV-Strahlung, von J. W. Ritter 1802 entdeckte elektromagnetische Strahlung im UV (Ultraviolett) mit Wellenlängen von etwa 400 bis 10 nm; nach der biologischen Wirkung oder nach der Art ihrer physikalischen Wechselwirkung mit Stoffen (v. a. Absorption) wird die U. weiter unterteilt.

 

Die U. hat optisch weitgehend die gleichen Eigenschaften wie sichtbares Licht und wird deshalb auch als ultraviolettes Licht (UV-Licht) bezeichnet. Quantitative Unterschiede ergeben sich dadurch, dass die U. aufgrund ihrer höheren Frequenz energiereicher ist (einsteinsches Gesetz); sie lässt sich deswegen leicht nachweisen, obwohl die Strahlungsstärke der meisten Lichtquellen im UV ziemlich schwach ist. U. schwärzt jeden fotografischen Film und löst aus Metallen Elektronen aus (Photoeffekt); ihre Photonenenergie reicht z. B. zur Spaltung und Umwandlung von Molekülen, zum Ausbleichen von Farbstoffen und zur Abtötung von Bakterien aus. Da Glas für U. unterhalb 350 nm weitgehend undurchlässig ist, müssen Linsen und Prismen aus Quarz (bis 200 nm), Steinsalz (bis 180 nm), Fluorit (Flussspat), Magnesiumfluorid oder Lithiumfluorid (bis 125 nm) bestehen. Unterhalb 180 nm müssen Apparaturen für U. evakuiert werden, weil der Sauerstoff der Luft die Strahlung absorbiert. Erst unterhalb von 0,1 nm, also im Röntgengebiet, kann wieder bei normalem Luftdruck gearbeitet werden.

 

Natürlicher U. wird z. B. von der Sonne abgestrahlt. Ihr UV-C-Anteil wird von der (intakten) Ozonschicht der Atmosphäre weitgehend absorbiert, dadurch kommt die gewebezerstörende Wirkung des kurzwelligen UV-Lichts auf der Erde nicht zum Tragen. Biologisch und medizinisch hat U. eine große Bedeutung, da sie aufgrund ihrer Energie biochemische Veränderungen und damit biologische Wirkungen hervorrufen kann. Hierzu gehören neben einer Vielzahl von positiven Wirkungen wie Aktivierung der D-Provitamine in der Haut, Heilung von Hautkrankheiten (Schuppenflechte, Akne) oder günstige Beeinflussung des Allgemeinzustandes des Menschen auch die UV-Schäden wie Hautatrophie, Genmutationen oder Hautkrebs. Das Bundesamt für Strahlenschutz betreibt gemeinsam mit dem Umweltbundesamt im Verbund mit dem Deutschen Wetterdienst in Deutschland ein UV-Messnetz. Aus den Messwerten wird der so genannte UV-Index bestimmt (UVI). Der UVI beschreibt den Tagesspitzenwert der sonnenbrandwirksamen U., die von der Sonne auf die Erde trifft. Je größer der UVI ist, umso größer ist auch die UV-Belastung, und das Risiko, einen Sonnenbrand zu bekommen, steigt. - Künstliche UV-Strahler sind hocherhitzte Temperaturstrahler, Edelgas-, Quecksilber- und Wasserstofflampen.

 

Der Nachweis der U. kann durch UV-empfindliche Photozellen, -widerstände, durch Sekundärelektronenvervielfacher, UV-Dosimeter, Fluoreszenzanalyse oder chemische Aktinometrie erfolgen. - Anwendung findet U. in der Photochemie (z. B. zur Photopolymerisation, Lackhärtung), Spektroskopie, in Leuchtstofflampen, zum Nachweis vieler Stoffe, die bei UV-Bestrahlung fluoreszieren (z. B. in Lebensmitteln und bei Ausbesserungen von Kunstwerken), für Farbechtheitsprüfungen; wichtig sind die biologischen Wirkungen der U. des UV-A- und UV-B-Gebiets zur Ultraviolettbestrahlung.

Ultraviolettstrahlung

 

Die Ultraviolettstrahlung, kurz UV-Strahlung, ist ein Teil der natürlichen Sonnenstrahlung. Dabei erreicht nur ein Teil des solaren UV-Lichts die Erdoberfläche, der übrige Teil wird in der Atmosphäre, insbesondere in der Ozonschicht, absorbiert. UV-Strahlen sind elektromagnetische Wellen mit Wellenlängen zwischen etwa 10 und 400 Nanometer (ein Nanometer, Zeichen nm, ist ein milliardstel Meter). UV-Strahlung kann auch künstlich mit speziellen Lampen erzeugt werden; dies wird zum Beispiel in Solarien angewandt. Ein bestimmtes Maß an UV-Strahlung hat für den Menschen positive Wirkungen, wie die Aktivierung von Vitamin D in der Haut oder die therapeutische Behandlung von Hautkrankheiten. Eine zu hohe Dosis kann jedoch zu gesundheitlichen Schäden, zum Beispiel der Augenlinsen oder des Immunsystems, führen, vor allem aber erhöht sich die Gefahr, an Hautkrebs zu erkranken.

 

 Was ist Ultraviolettstrahlung?

 

Die Wellenlängen des größten Teils der von der Sonne ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung liegen bei etwa 10 bis 4 000 nm. Das UV-Licht bildet also die kurzwelligste und damit auch energiereichste Komponente dieser Strahlung. Ihre Wellenlängen sind kleiner als die von sichtbarem Licht und größer als die der Röntgenstrahlung.

 

Der Name des ultravioletten Spektralbereichs beruht darauf, dass violettes Licht die kurzwelligste »Farbe« des sichtbaren Spektralbereichs ist, jenseits (lateinisch: ultra) dessen der UV-Bereich beginnt (die Wellenlänge von Licht nimmt das Auge als Farbe wahr).

 

Sichtbares Licht hat Wellenlängen von etwa 400 bis 800 nm; das sich im Langwelligen anschließende Infrarot (800 nm bis 1 mm) kann zum Teil als Wärmestrahlung wahrgenommen werden. Ultraviolette Strahlung dagegen ist nicht wahrnehmbar.

 

Nahes und fernes Ultraviolett, UV-A, UV-B und UV-C

 

Der ultraviolette Spektralbereich wird nach zweierlei Kriterien unterteilt: In wissenschaftlich-technischen Zusammenhängen spricht man von nahem UV (200 bis 400 nm) einerseits sowie fernem und Vakuum-UV andererseits (10 bis 200 nm). Die Bezeichnung Vakuum-UV geht auf die Verwendung von evakuierten Apparaturen zurück, da Luft diese UV-Strahlung absorbiert, sie also nicht durchlässt. Deshalb dringt auch die solare Vakuum-UV-Strahlung nie bis zum Erdboden vor.

 

Kommt es auf die biologische Wirkung von UV-Licht an, unterteilt man den Nah-UV-Bereich noch weiter in UV-A, UV-B und UV-C. UV-C umfasst Wellenlängen von etwa 100 bis 280 nm. Dieser Teil trifft normalerweise die Erdoberfläche nicht, da er in der Ozonschicht absorbiert wird. UV-B bezeichnet den Bereich von 280 bis 320 nm und UV-A von 320 bis 400 nm. Beide Wellenlängenbereiche erreichen die Erdoberfläche und können dort sowohl positive als auch negative Wirkungen auf den menschlichen Organismus auslösen. Normales Fensterglas wird von dem UV-B-Anteil nicht durchdrungen, während es für UV-A durchlässig ist.

 

 Künstliche Quellen für ultraviolettes Licht

 

Für technische und wissenschaftliche Zwecke wird UV-Strahlung künstlich erzeugt. Gebräuchlich sind unter anderem Quecksilberdampflampen, bei denen durch eine Glimmentladung in einem mit Quecksilberdampf gefüllten Kolben UV-Licht entsteht, oder Deuteriumlampen, die mit einem Wasserstoff-Deuterium-Gemisch gefüllt sind (Deuterium ist das chemisch identische, aber schwerere Isotop des Wasserstoffs). Des Weiteren werden mit dem Edelgas Xenon gefüllte Lampen eingesetzt.

 

In Solarien, in denen ausschließlich UV-A-Strahlung erlaubt ist, werden entweder Niederdruck-Leuchtstofflampen oder die leistungsstärkeren Metallhalogenid-Hochdrucklampen als Quellen für UV-Licht verwendet.

 

 Ultraviolette Strahlung in der Atmosphäre

 

Bei weitem nicht das gesamte Strahlungsspektrum der Sonne erreicht die Erdoberfläche. Die energiereichste Komponente, die ferne UV-Strahlung, wird bereits in den äußersten Schichten der Erdatmosphäre, der Ionosphäre und der Mesosphäre, in Höhen oberhalb von 50 Kilometern über der Erdoberfläche absorbiert oder gestreut.

 

Beim weiteren Durchgang durch die Erdatmosphäre trifft die Strahlung auf die Stratosphäre, die sich in Höhen zwischen etwa 17 und 50 km über der Erdoberfläche erstreckt. Das UV-Licht aus dem UV-C- und UV-B-Bereich tritt dort in Wechselwirkung mit Sauerstoffmolekülen. Absorbiert ein »normales« Sauerstoffmolekül (O₂) UV-C-Licht, kann es sich in zwei Sauerstoffatome (O) spalten, die jeweils mit einem weiteren Sauerstoffmolekül zu Ozon (O₃) reagieren können. Andererseits wird - ebenfalls unter dem Einfluss ultravioletter Strahlung - Ozon wieder zu O₂ abgebaut. Das natürliche Vorkommen von Spuren extrem reaktionsfreudiger Teilchen (Radikalen) in diesen Schichten, zum Beispiel das Hydroxyl-Radikal OH oder Stickstoffmonoxid (NO), trägt zu einer Verstärkung des Ozonabbaus bei. Insgesamt stellt sich ein empfindliches Gleichgewicht zwischen Ozonbildung und Ozonabbau ein, das abhängig von Zeit und Ort natürlichen Schwankungen unterliegt. Diese chemischen Reaktionen sind für den Menschen von herausragender Bedeutung, da durch sie fast die gesamte solare UV-B- und UV-C-Strahlung absorbiert wird, die andernfalls zu erheblichen Gesundheitsschäden bei allen höheren Landlebewesen führen würde. Man bezeichnet die stratosphärische Ozonschicht daher auch als »atmosphärischen Schutzschild«.

 

Auf ihrem weiteren Weg zur Erde wird die verbleibende Sonnenstrahlung in der untersten Atmosphärenschicht, der Troposphäre, durch Streuung an den Luftmolekülen sowie an Staubpartikeln weiter geschwächt. Von der schließlich auf der Erdoberfläche ankommenden Sonnenstrahlung beträgt der Anteil des sichtbaren Lichts etwa 50 %, der Infrarotanteil etwa 40 %; die verbleibenden 10 % entfallen auf das Ultraviolett, überwiegend im UV-A-Bereich.

 

Das Ozonloch

 

In jüngerer Zeit wird das stratosphärische Ozongleichgewicht jedoch auch durch die menschliche Zivilisation beeinflusst: Gase, die leicht Radikale bilden, wie etwa Fluorchlorkohlenwasserstoffe (Abkürzung FCKW), gelangen vermehrt in die Stratosphäre und tragen zu einem verstärkten Abbau des Ozons bei, der das empfindliche Gleichgewicht zwischen Ozonbildung und Ozonabbau verschiebt. Seit 1979 wird beobachtet, dass die Ozonkonzentration über der Antarktis jährlich gegen Ende des Polarwinters abnimmt, und zwar (wenn auch mit Schwankungen) von Jahr zu Jahr stärker. Für dieses Phänomen hat sich die Bezeichnung Ozonloch herausgebildet. Aber auch in der Arktis ist - wenn auch in schwächerer Form - eine ähnliche Tendenz zu beobachten.

 

Auch wenn die Details der beteiligten chemischen Reaktionen noch nicht vollständig aufgeklärt sind, herrscht doch weitgehend Einigkeit über die Rolle der durch den Menschen freigesetzten Schadstoffe. Der in Mainz arbeitende niederländische Chemiker und Meteorologe Paul Joseph Crutzen bekam für die Erklärung der Grundzüge der Ozonzerstörung zusammen mit dem mexikanischen Physikochemiker Mario José Molina und dem amerikanischen Chemiker Frank Sherwood Rowland 1995 den Chemie-Nobelpreis. Die wichtigste Folge des Abbaus der Ozonschicht ist eine Erhöhung der UV-Intensität am Erdboden, vor allem in den an die Antarktis angrenzenden Gebieten, aber auch in Nord- und Mitteleuropa. In Australien hat die Hautkrebsrate seit Anfang der 1980er-Jahre signifikant zugenommen.

 

 Biologische und medizinische Bedeutung der Ultraviolettstrahlung

 

Biologisch und medizinisch hat die UV-Strahlung eine große Bedeutung, da sie aufgrund ihrer Energie biochemische Veränderungen und damit biologische Wirkungen hervorrufen kann. Hierzu gehören neben einer Vielzahl von positiven Wirkungen wie der Aktivierung der D-Provitamine in der Haut, der Heilung von Hautkrankheiten (Schuppenflechte, Akne) oder der günstigen Beeinflussung des Allgemeinzustandes des Menschen auch die UV-Schäden wie Hautatrophie, Genmutationen oder Hautkrebs.

 

Das Bundesamt für Strahlenschutz betreibt gemeinsam mit dem Umweltbundesamt im Verbund mit dem Deutschen Wetterdienst in Deutschland ein UV-Messnetz. Aus den Messwerten wird der so genannte UV-Index bestimmt (Abkürzung UVI). Der UVI beschreibt den Tagesspitzenwert der sonnenbrandwirksamen UV-Strahlung, die von der Sonne auf die Erde trifft. Je größer der UVI ist, umso größer ist auch die UV-Belastung, und das Risiko, einen Sonnenbrand zu bekommen, steigt.

 

Rachitisschutz durch ultraviolette Strahlung

 

Vitamine sind Stoffe, die für den menschlichen Körper essenziell sind, die er aber nicht selbst produzieren kann. Sie müssen daher direkt oder in Form ihrer Vorstufen mit der Nahrung aufgenommen werden. Im Falle des Vitamins D bildet der Körper zunächst in der Leber aus Cholesterin das Molekül 7-Dehydrocholesterin als Zwischenstufe. Daraus wird in der Haut unter dem Einfluss von UV-B-Strahlung Vitamin D₃ synthetisiert. In ähnlicher Weise entsteht das Vitamin D₂.

 

Vitamin D fördert die Aufnahme von Calcium und Phosphat aus der Nahrung und trägt dadurch wesentlich zum Aufbau des Knochengerüstes bei. Gerade bei Säuglingen und Kleinkindern ist eine ausreichende Menge an Vitamin D enorm wichtig. Ein Mangel führt zu Rachitis, einer unzureichenden Verknöcherung des Skeletts, was Veränderungen beziehungsweise Verformungen des Knochengerüsts zur Folge haben kann.

 

Weitere positive Einflüsse

 

UV-Strahlung kann noch weitere positive Wirkungen auf den menschlichen Organismus ausüben. So wurde festgestellt, dass eine regelmäßige Bestrahlung mit UV-B-Strahlung über sechs Wochen einen erhöhten Blutdruck senken kann. Daneben gibt es Berichte, wonach UV-Licht die Cholesterinwerte senken und damit Arteriosklerose vorbeugen soll, außerdem wirkt es sich vermutlich positiv auf die Konzentrationsfähigkeit aus. Es bedarf jedoch weiterer Untersuchungen, um eindeutige Aussagen treffen zu können.

 

In der Dermatologie wird UV-Strahlung bei Patienten mit schweren Hautkrankheiten, vor allem Psoriasis (Schuppenflechte), angewandt. Die so genannte PUVA-Therapie (Psoralene plus UV-A), eine Photochemotherapie, kombiniert eine UV-A-Bestrahlung mit der Gabe von Psoralenen. Dies sind pflanzliche Substanzen, welche die Haut empfindlicher gegenüber UV-Strahlen machen und vor der Bestrahlung entweder eingenommen oder auf die Haut aufgetragen werden. Auch UV-B-Strahlung wird zur Behandlung von Hautkrankheiten herangezogen.

 

All diese Anwendungen bergen letztendlich jedoch dieselben Risiken wie jedes ausführliche Sonnenbad. Daher müssen Nutzen und Risiken bei der Einwirkung von ultravioletter Strahlung in jedem Einzelfall abgewogen werden.

 

 Allzu viel ist ungesund

 

Wie erwähnt, ist ein gewisses Maß an UV-Licht für die Gesundheit des Menschen unerlässlich, allerdings genügen dafür schon relativ geringe Mengen. Bei unserer heutigen Lebensweise mit ausgiebigen Sonnenbädern oder Solarienbesuchen erreicht uns eher zu viel als zu wenig UV-Strahlung, und dies kann gefährlich werden.

 

Wie reagiert die Haut auf UV-Bestrahlung?

 

Die Wirkung von UV-Strahlung auf die Haut hängt in erheblichem Maße von der Wellenlänge der Strahlung, also ihrer Energie, ab. Während die kurzwelligere, energiereichere UV-B-Strahlung in der Oberhaut absorbiert wird, dringt die langwelligere, energieärmere UV-A-Strahlung in tiefere Hautschichten (Lederhaut) ein. Als Reaktion auf die Einwirkung von UV-B-Strahlen erfolgt eine Verdickung der Oberhaut und der Hornschicht, die als Lichtschwiele bezeichnet wird. Übersteigt die Strahlendosis ein gewisses Maß, so entsteht ein Sonnenbrand, dem nach zwei bis drei Tagen die so genannte Spätpigmentierung folgt. Dabei wird in bestimmten Zellen der Haut, den Melanozyten, der braune Farbstoff Melanin gebildet, der die Haut vor weiterer Bestrahlung schützt.

 

Lichtschwiele und Pigmentierung sind natürliche Schutzmechanismen der Haut. Inwieweit sie ausgebildet werden, unterscheidet sich jedoch individuell erheblich: Hellhäutige, blonde Menschen neigen sehr stark zum Sonnenbrand, die Pigmentierung ist schwach. Bei mediterranen Typen sind die Verhältnisse umgekehrt.

 

Auch durch UV-A-Exposition, also zum Beispiel in Solarien, wird eine Bräunung bewirkt. Schon nach kurzer Zeit tritt hier eine Sofortpigmentierung ein, die jedoch nicht lange anhält. Übersteigt die Strahlendosis ein gewisses Maß, so kommt es auch hier zu einer Spätpigmentierung, deren Schutzwirkung jedoch geringer ist. Menschen, deren Haut nach regelmäßigem Solarienbesuch gut »vorgebräunt« ist, können sich etwa doppelt so lange der natürlichen Sonnenstrahlung aussetzen wie ungebräunte Menschen.

 

Bei Menschen, die im Freien arbeiten oder die in ihrer Freizeit häufig ausgedehnte Sonnenbäder nehmen, ist die Haut in starkem Maße UV-Strahlung ausgesetzt. Die starke UV-Belastung bewirkt zunächst Bindegewebsschäden. In der Folge ist eine vorzeitige Hautalterung und Faltenbildung zu beobachten.

 

Neben diesen eher harmlosen Wirkungen kann UV-B-Strahlung, nach neueren Untersuchungen aber zum Teil auch die energieärmere UV-A-Strahlung, zu Krebs führen.

 

Die Entstehung von Hautkrebs

 

Was passiert genau, wenn UV-Strahlung auf die Haut, genauer gesagt auf eine Zelle trifft? Die Strahlen, die ja eine Form von Energie sind, treten in Wechselwirkung mit den in der Zelle enthaltenen Biomolekülen. Besondere Bedeutung hat in dieser Hinsicht die Desoxyribonukleinsäure (kurz DNS, englische Abkürzung DNA), die Trägerin der Erbinformation. Die DNA besteht aus einer Vielzahl von Einzelbausteinen, die zu einem großen Fadenmolekül aus zwei komplementären Strängen zusammengesetzt sind. Wird die DNA einer Zelle von einem UV-Strahl getroffen, so können einzelne Bausteine des Doppelstrangs die Energie aufnehmen und in einen sehr reaktionsfreudigen Zustand geraten. Durch die Reaktion mit anderen DNA-Bausteinen kann die Erbinformation dieser Zelle an irgendeiner Stelle »umgeschrieben« werden, wodurch es bei der Herstellung von Proteinen und anderen Molekülen zu möglicherweise verhängnisvollen Fehlern kommt. Dies ist zunächst noch kein Unglück, denn es gibt Reparaturmechanismen, die den Fehler beheben können. Falls dies aber nicht mehr möglich ist, wird normalerweise der »Selbstmord« der Zelle herbeigeführt. Es kann jedoch auch ein Schaden im Erbgut auftreten, der die Möglichkeit des Selbstmords außer Kraft setzt. In diesem Fall sind diese geschädigten Zellen besser überlebensfähig als die gesunden Zellen in ihrer Umgebung. Sie können weitere Sonnenbrände überleben, bei denen die Nachbarzellen sterben, und breiten sich an deren Stelle aus. So wird der Anteil an geschädigten Zellen ohne Selbstmordmöglichkeit an dieser Stelle der Haut immer größer - es haben sich potenzielle Krebszellen gebildet, die sich im ungünstigsten Fall von der Haut lösen und an immer mehr Stellen im Körper neue Krebsherde (Metastasen) bilden.

 

Das persönliche Krebsrisiko wird von der während der gesamten Lebenszeit aufgenommenen UV-Strahlung sowie der Zahl der Sonnenbrände beeinflusst, ganz entscheidend ist jedoch die Zahl der Sonnenbrände in den ersten Lebensjahren.

 

Generell sind vor allem Personen gefährdet, die sich viel im Freien aufhalten, hellhäutige Menschen, deren Haut sich weniger durch Pigmentierung schützen kann, sowie Menschen mit vielen Muttermalen (Naevi).

 

Augenschäden durch UV-Licht

 

Während die Haut mit Lichtschwielen und Pigmentierung über Mittel verfügt, auf UV-Strahlung zu reagieren und damit zumindest ein gewisses Maß an Schutz zu erlangen, ist das Auge allenfalls mit Blinzeln und nur bedingt in der Lage, UV-Licht abzuwehren. Linse und Hornhaut des Auges sind der UV-Strahlung also relativ ungeschützt ausgesetzt. Neuere Studien weisen darauf hin, dass eine erhöhte UV-Exposition die Bildung einer Katarakt, also des grauen Stars, begünstigt, auch soll diese Trübung der Augenlinse häufiger schon bei jüngeren Patienten auftreten.

 

Wirkungen auf das Immunsystem

 

In letzter Zeit mehren sich die Hinweise, dass die Einwirkung von UV-Strahlung auf den menschlichen Körper das Immunsystem vorübergehend ausschalten kann, sodass Bakterien, Pilze und andere Erreger sich leicht im Körper ausbreiten und damit Infektionen hervorrufen können. Tierversuche an Mäusen brachten erste Ergebnisse: Am Krebsforschungsinstitut der Universität Texas wurden Mäuse einer UV-Dosis ausgesetzt, die der eines Sonnenbades am Strand entspricht, worauf sie wesentlich anfälliger für bakterielle Infektionen waren.