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Theorie UV-Strahlung

Worum geht es?

Sonnenbrand und Hautkrebs werden von den UV-Strahlen des Sonnenlichts oder von UV-Lampen verursacht. Sind Sonnenbrillen, Sonnencremes und Kleider in der Lage, diese Strahlen zurückzuhalten? Ziele

Die Wirkungsweise verschiedener UV-Strahlen unterscheiden Die Entstehung von UV-Strahlen erklären und Eindringungsmöglichkeiten in unsere

Haut aufzeigen Aufbau und Wirkungsweise von Sonnencremes und Sonnenbrillen erklären Einsatzmöglichkeiten und Grenzen von Sonnencremes und Sonnenbrillen beurteilen Den Aufbau der Haut beschreiben und unterschiedliche Hauttypen unterscheiden

Metrohm

Theorie UV-Strahlung Seite 2

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Alltagsbezug UV-Strahlungen haben so viel Energie, dass sie selbst in der Lage sind, chemische Bindun-gen organischer Moleküle zu spalten. Umso mehr ist ein verantwortungsvoller Umgang mit Sonnenlicht oder technischen UV-Quellen unbedingt notwendig. Selbst Kunststoffe können durch UV-Strahlung getrübt und spröde werden oder gar zerfallen (siehe Abb. 3).

Abb.1 : UV-Strahlung der Sonne

Abb. 2: Brille mit photochromen Gläsern, das rechte Glas war an der Sonne

Wenig UV-Strahlung ist für die Bildung von Cholecalciferol (= Vitamin D3) notwendig. Täglich benötigen wir 5 – 10 µg davon. Zu viel UV-Strahlung ist für Augen und Haut schädlich.

Abb. 3: Drei Gummizapfen, die Witterung und UV-Strahlung ausgesetzt waren Positive Wirkungen von UV-Strahlen der Sonne: fördert das Wohlbefinden und wirkt antidepressiv fördert die Bildung von Vitamin D3, welches lebensnotwendig ist, da es an der Verwer-

tung von Ca und P beteiligt ist. Dieses benötigen wir für den Knochenaufbau und -erhalt. In unseren Breiten genügen täglich 15 Minuten Sonnenlicht auf Gesicht und Handrücken und eine gesunde Ernährung für eine ausreichende Versorgung mit Vitamin D3. Zu viel Sonne führt zum Abbau des Vitamins.

gebräunte Haut ist ein gewisser Schutz gegen weitere UV-Belastung Negative Wirkungen von UV-Strahlen: Bei zu viel UV-B-Strahlung kommt es zu einer Überbelastung der körpereigenen

Schutzmechanismen und es kommt zum Sonnenbrand, was einer Entzündungsreaktion der Haut entspricht.

Durch UV-A-Strahlen altert die Haut schneller, da sie die Kollagenfasern im Bindegewe-be der Haut zerstören, wodurch diese an Spannkraft verliert und faltig und schrumpelig wird.

UV-B-Strahlen zerstören Folsäure, das wichtigste Vitamin B


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Durch das Zusammenwirken von UV-Strahlen mit Duftstoffen und Emulgatoren in den Sonnenschutzmitteln kann es zu allergischen Hautreizungen kommen, der so genannten Sonnenallergie

Durch UV-Strahlung verliert das Immunsystem an Leistungsfähigkeit UV-Strahlen schädigen oder verändern die DNA von Hautzellen, welche absterben oder

abgetötet werden. Das Reparatursystem repariert die geschädigten Zellen, die überleben und sich vermehren. Es kommt zur Ausbildung von Hautkrebs. Hierbei unterscheidet man zwischen Malignen Melanomen (= bösartiger Hautkrebs) und Nicht-Melanomen (= Basalhautkrebs und Spinalhautkrebs).

Künstliche UVC-Strahlung wird zur Entkeimung von Luft, Oberflächen und Flüssigkeiten in den Bereichen Lebensmittelindustrie, Klima- und Gebäudetechnik, Labor- und Medizinalbe-reich, sowie in der Tierzucht eingesetzt. UVC-Strahlung ist keimtötend, weil sie in der DNS molekulare Veränderungen bewirkt, welche Stoffwechsel und Zellteilung faktisch verunmög-lichen. In der Folge stirbt die ausreichend geschädigte Zelle. Ein grosser Vorteil gegenüber anderen Desinfektionsverfahren besteht darin, dass die Keime keine Resistenzen entwi-ckeln.

Sonnenschutzmittel

Bis vor wenigen Jahren wurde vor allem auf einen Schutz vor UV-B-Strahlung geachtet. Die Ergebnisse neuerer Untersuchungen weisen jedoch darauf hin, dass die Bedeutung der UV-A-Strahlenwirkung bei der Ausbildung von Hautschäden, v. a. der malignen Melanome und der übrigen „nonmelanotic skin cancers“ (NMSC) wie Basalzellkarzinom oder Plattenepithel-karzinom, unterschätzt wurde. Die Hautalterung wird heute vor allem der UV-A-Strahlung angelastet, da sie tief in das Bindegewebe eindringt. Moderne Sonnenschutzmittel sollten einen wirksamen Schutz gegen UV-A- und UV-B-Strahlung bewirken. Man spricht von einem Breitbandschutz. Dieser wird häufig durch Kombinationen mehrerer UV-Filtersubstanzen erreicht. Daneben sollten Sonnenschutzmittel eine Reihe weiterer Anforderungen erfüllen: − keine Toxizität − gute Verträglichkeit − begrenztes Eindringen in die Haut − Fotostabilität

− Hitzeresistenz − Wasserfestigkeit − kosmetische Akzeptanz − hoher Lichtschutzfaktor (LSF)1

Neueste Entwicklungen von Cremes enthalten Reparatursysteme für geschädigte DNA, z.B. das Enzym Photolyase. Kritiker befürchten, dass dadurch die vom Sonnenlicht ausgehenden Gesundheitsgefahren noch stärker unterschätzt werden. Viele Sonnenschutzpräparate enthalten chemische UV-Filter. Darunter versteht man orga-nische Moleküle, die UV-Licht absorbieren und in Wärme umwandeln. Mineralisch-physikalische Schutzfilter wirken ähnlich wie ein Spiegel: sie reflektieren die UV-Strahlen. Um einen Breitbandschutz zu erreichen, sind in gängigen Produkten Kombinationen von mehreren UV-Filtersubstanzen enthalten. Organische Filtersubstanzen haben Nachteile. Lichtschutzfaktoren über 30 werden mit ihnen nicht erreicht. Sie können in die Haut eindringen und unerwünschte Wirkungen entfalten. Einigen Substanzen wird nachgesagt, dass sie im Körper hormonähnliche Wirkungen entfal-ten können, obwohl dies bisher unbewiesen ist. Chemische Filtersubstanzen neigen dazu, sich in Hautfalten anzureichern und an exponierteren Hautstellen zu fehlen. All diese Nach-teile entfallen bei mineralischen Filtern wie Zinkoxid.

1 LSF = Erythemschwellendosis für geschützte Haut / Erythemschwellendosis für ungeschützte Haut


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Dank der Nanotechnologie ist es heute mög-lich, Zinkoxidpartikel mit definierten, sehr kleinen Ausmassen (80 – 100 nm) herzustel-len. Wegen ihrer Kleinheit sind diese völlig unsichtbar. Je kleiner Partikel werden, desto stärker ähneln ihre Eigenschaften grossen Molekülen. Ab einer bestimmten Grösse absorbieren Nanopartikel ultraviolettes Licht, was in speziellen Fällen zur Fluoreszenz führen kann (siehe Abb. 4). Mit anwachsender Teilchengrösse von ca. 2 nm auf 5 nm geht die Farbe allmählich von Grün in Rot über.2

Abb. 4: Fluoreszenz unterschiedlich grosser CdTe-Nanopartikel

Modernste Entwicklungen, die bereits realisiert sind, zielen darauf ab, diese Partikel in Fett-tröpfchen oder Glaskügelchen (im Nanoformat) zu verpacken. Letzteres bietet die viel ver-sprechende Möglichkeit, in den Glaskügelchen Substanzen miteinander zu kombinieren, die z.B. wegen unterschiedlicher Löslichkeiten sonst kaum kombinierbar wären.

UV-Pflaster

Mit den UV-Dosimetern (SUN TO SEE UV-Strips) ist es möglich, bei Son-nenaufenthalten die von der Haut aufgenommene Tagesdosis an UV-Licht zu messen. Ist die verträgliche Tagesdosis erreicht, zeigt das Dosimeter durch Farbänderung an, dass man sich aus der Sonne zurückziehen sollte. Damit wird das Hautkrebsrisiko durch Sonnenbrand drastisch eingeschränkt. Die UV-Strips berücksichtigen auch die Wirkung von Sonnenschutzmitteln, denn das Sichtfenster wird wie die Haut mit dem verwendeten Sonnen-schutzmittel eingecremt.

Künstliche Bräune von innen

Abb. 5: UV-Pflaster

Babys, die häufig mit Möhrengemüse gefüttert werden, entwickeln eine typisch gelbbraune Hautfarbe, da die in Möhren enthaltenen Carotinoide in das Unterhautfettgewebe eingelagert werden und bei der dünnen Babyhaut durchscheinen. Bei Erwachsenen ist dieser Effekt ge-ringer, aber ebenfalls zu beobachten. Auf dem Markt gibt es deshalb auch Selbstbräunungs-tabletten, die -Carotin bzw. Canthaxanthin (USA) enthalten.Carotinoiden wird auch eine krebsvorbeugende Wirkung nachgesagt und die meisten der Carotinoide haben die Funktion von Antioxidantien.

Schwarzlicht (UV-Licht)

Bestimmte Materialien fangen von selbst an zu leuchten, wenn sie von UV-Licht beschienen werden, man sagt sie fluoreszieren. Aus diesem Grund macht das UV-Licht der Schwarzlicht-Lampen in Discotheken Tennissocken und Schuppen sichtbar. Geldscheine beispielsweise zeigen versteckte, bunte Muster und Zähne erscheinen meist gelb-grün, während weisse T-Shirts in hellem Violett leuchten. All diese Stoffe nehmen die UV-Strahlung auf und geben die Energie in kleineren Portionen, als sichtbares Licht, wieder ab. Abb. 6: Schwarzlicht-

lampe3

2 www.chemie.uni-hamburg.de/broschuere/pc/pc10.html 3 http://www.desy.de/expo2000/deutsch/dhtmlbrowser/webthemen/12_em_spektrum/antworten/uv1.htm


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Die Fluoreszenz-Farbe eines Gegenstandes hängt von seiner Beschaffenheit ab und ist typisch für die Materialzusammensetzung. So leuchtet z.B. eine antike Marmorskulptur im UV-Licht eher gelb-grün, während eine neue violett leuchtet. Mit UV-Strahlung lassen sich also Kunstfälscher überführen. Selbst in Waschmitteln sind Weissmacher enthalten, die weisse Hemden und T-Shirts im UV-Licht der Sonne besonders hell strahlen lassen.

Abb. 7: Geldschein im UV-Licht4

Theoretische Hintergründe 1. UV-Strahlung Licht ist sowohl eine elektromagnetische Welle (siehe Abb. 8), als auch ein Teilchen, ein Photon. Als was Licht betrachtet wer-den kann hängt vom jeweiligen Lichtphänomen ab. Im Folgen-den verwenden wir zur Beschreibung hauptsächlich die Wellen-theorie und betrachten Licht deshalb als elektromagnetische Welle mit Wellenlänge , Frequenz f und Lichtgeschwindigkeit c. Wellenlänge, Frequenz und Lichtgeschwindigkeit sind miteinan-der durch folgende Gleichung verknüpft:

Abb. 8: Darstellung einer

Welle5 Die Farbe des Lichtes wird von der Wellenlänge und der Frequenz bestimmt. Der Bereich des sichtbaren Lichts reicht von ca. 380 nm bis 780 nm bzw. 750 THz bis 430 THz). Licht kleinerer Wellenlänge nennt man Ultraviolett (= UV) und Licht grösserer Wellenlänge Infrarot (= IR). In Abb. 9 ist das optische Spektrum des Lichts dargestellt.

Abb. 9: optisches Spektrum des Lichts

4 http://blog.mineralium.com/uv-lampen-in-der-praxis/ 5 www.puchner.org/Fotografie/technik/physik/licht.htm

fc

1 km 1 m 1 mm 1 µm 1 nm 1 pm 1 fm Wellenlänge

1 MHz 1 GHz 1 THz 1024 Hz Frequenz

steigende Energie

sichtbares Licht

Radio-Wellen Mikro- wellen

Infrarot IR

Ultra- violett

UV

Röntgen-, Gamma-

Strahlung

kosmi- sche Hö-henstrah-lung


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Die UV-Strahlung erstreckt sich also über einen Wellenlängenbereich von ca. 400 nm bis 10 nm. „Ultra“ hat seinen Ursprung im Lateinischen und bedeutet „jenseits“. Ultraviolett bedeutet also jenseits des sichtbaren violetten Lichts. Die an das sichtbare Spektrum des Lichtes an-grenzenden Bereiche kann man zwar nicht sehen, aber mit geeigneten Detektoren sichtbar machen. Bienen beispielsweise sehen UV-Licht. UV-Strahlen sind allgemein energiereiche Strahlen, die chemische Bindungen in Molekülen der Haut und des Auges lösen können. Das Licht, das von der Sonne ausgesendet wird, reicht vom infraroten über den sichtbaren bis zum ultravioletten Bereich. Das für uns unsichtbare UV-Licht, welches kürzere Wellen-längen besitzt, kann mit sehr vielen Verbindungen z.B. in der Haut in Wechselwirkung treten und photochemische Reaktionen auslösen. Weil das UV-Licht in Abhängigkeit von der Wel-lenlänge verschiedene Wirkungen hervorruft und unterschiedlich tief in unsere Haut eindrin-gen kann, wird es in drei Bereiche unterteilt (siehe Abb. 10).

Abb. 10: Bereiche der UV-Strahlung von der Sonne6

UV-A-Strahlung (= „Schwarzlicht“): Wellenlängen von 320 nm bis 400 nm

− Die UV-A-Strahlung gelangt nahezu ungehindert und mit 20facher Intensität (im Ver-gleich mit der UV-B-Strahlung) auf die Erdoberfläche und dringt bis in die Lederhaut ein. Dort kommt es zur direkten Pigmentierung, die aber nur für wenige Stunden anhält und deshalb kaum Lichtschutz ist.

− Sie zerstören in den Blutgefässen die Folsäure, das wichtigste Vitamin B, das an allen Wachstums- und Entwicklungsprozessen beteiligt ist.

− Durch die Bildung von freien Radikalen wird das Hautkrebs-Risiko stark erhöht. − Sie verstärken den Kollagenabbau im Bindegewebe, wodurch die Haut ihre Elastizität

verliert und Falten bekommt. Ein Berliner Dermatologe meinte „Die Bronze-Venus von Heute ist die Backpflaume von Morgen“.

− Diese langen UV-Wellen erzeugen wenig Sonnenbrand, weshalb sie gering erythem (= hautrötend) sind.

6 Pütz, Niklas: Schminken, pflegen, schönes Haar, vgs, Köln 1991, S. 116


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UV-B-Strahlung: Wellenlängen von 280 nm bis 320 nm

− Ein grosser Teil der UV-B-Strahlung wird vom in der Stratosphäre enthaltenen Ozon ab-sorbiert und gelangt nur noch abgeschwächt auf die Erdoberfläche.

− Die UV-B-Strahlen regen die Pigmentzellen, die Melanozyten an, Melanin zu bilden. Die Keratinozyten nehmen diese Pigmente in kleinen Paketen, den Melanosomen, auf und schirmen damit die DNA in den Zellkernen vor der Strahlung ab.

− Sie bewirken in der Oberhaut mit ca. 72 Stunden Verzögerung die Bildung von Melanin, wodurch es zu einer „direkten Pigmentierung und einer langfristigen Bräunung mit ech-tem Lichtschutz kommt.

− Sie zerstören die DNA in den Zellkernen oder ändern deren Struktur. Nicht alle Schäden können repariert werden und eine mögliche Folge ist Krebs.

− Sie regen in den Keratinozyten die Umwandlung von Cholesterin in Provitamin D an und in den Nieren entsteht daraus das Vitamin D, das für den Knochenaufbau unverzichtbar ist. Sie sind also für die Bildung von Vitamin D lebensnotwendig.

− Diese Strahlen sind stark erythem (= hautrötend), da sie starken Sonnenbrand erzeugen können.

UV-C-Strahlung: Wellenlängen von 1 nm bis 280 nm

− Die kurzwellige UV-C-Strahlung wird fast vollständig von der Stratosphäre, den obersten Luftschichten der Erdatmosphäre, absorbiert und gelangt nicht bis zur Erdoberfläche.

− Sie bildet in der Stratosphäre aus dem Luftsauerstoff UV-schützendes Ozon O3. − Anders als bei UVA oder UVB Strahlung ist die Eindringtiefe von UVC-Strahlung in die

menschliche Haut nur sehr gering. Die Gefahr von Hautkrebs ist daher auch bei intensi-ver UVC-Bestrahlung (ungeschützter Körperteile) als äusserst gering einzustufen. Bei er-höhter Strahlendosis verursachen UVC-Strahlen beim Menschen Hautrötungen (Erytheme) und schmerzhafte Augenentzündungen.

Gelangt zu viel UV-Strahlung an die Haut, wird in den Zellen ein „Selbstmord-Programm“ aktiviert. Ein deutliches Zeichen dieses Vorgangs ist ein Sonnenbrand, die Zellen röten sich, sterben ab und die Haut schält sich.

2. Die Haut

Allgemeines und Aufbau Die Haut ist mit einer Oberfläche von 1.5 bis 2 m² und einer Masse von 3.5 bis 10 kg das grösste Organ des Menschen und nimmt ca. 16 % des Körpergewichts ein. In ihr befinden sich ca. 3 Mio Zellen pro cm². Davon sind pro cm² ca. 100 Schweissdrüsen, 5 Kältessinnes-organe (Hand), 25 Wärmesinnesorgane (Gesicht), 25 Tastsinnesorgane (Hand innen) und 15 Talgdrüsen (auf der Handinnenseite befinden sich keine!). Pro cm² finden sich ebenfalls 50 – 200 Schmerzpunkte, 4 m Nerven und 1 m Blutgefässe. Die gesunde Haut besitzt einen pH von 5.5 und hat eine Fettschichtdicke zwischen 1 cm und 10 cm.

Abb. 11: Nahaufnahme der Haut- oberfläche

Die Haut der Fusssohle und der Handflächen bezeichnet man als Leistenhaut, während man die restliche Haut Felderhaut nennt.


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Zusammen mit den Hautanhangsgebilden wie Haaren, Nägeln, Schweiss- und Talgdrüsen prägt die Haut das genetisch bedingte einzigartige Erscheinungsbild des Menschen und er-füllt eine Vielzahl von Aufgaben.

Hierzu gehören:

− Schutzfunktion − Temperaturregulation − Regulierung des Wasserhaushaltes − Sinnesfunktion − Immunfunktion − Kommunikation

Beim Aufbau der Haut unterscheidet man 3 verschiedene Schichten, die verschiedene Funk-tionen und Aufgaben besitzen.

− Oberhaut (= Epidermis) − Lederhaut (= Dermis) − Unterhaut (= Subcutis) Die Unterhaut fungiert hauptsächlich als Fettspeicher und die Oberhaut bildet eine schützen-de Hornschicht. In der Lederhaut befinden sich wichtige Strukturen, welche z.B. für den Tastsinn verantwortlich sind (s. Abb. 12).

Abb. 12: Querschnitt durch die Hautschichten7 Die Oberhaut (= Epidermis) besteht aus einer schützenden Hornschicht, die von abgestor-benen Epithelzellen, den Keratinozyten, gebildet wird. Sie wird innerhalb von 30 Tagen durch Schuppung und Nachbildung laufend ersetzt. An ihrer dünnsten Stelle hat sie eine Dicke von 0.04 mm, während sie an ihrer dicksten Stelle, an der Fusssohle, ca. 2 mm besitzt

7 Bauer, Ernst: Humanbiologie, Cornelsen, Berlin 2000, S. 149


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Die Lederhaut (= Dermis) besteht aus einem dichten Netz elastischer und kollagener Fa-sern, die für Reissfestigkeit und reversible Verformbarkeit sorgen. Sie enthält auch Blut- und Lymphgefässe, Nerven, Zellen der Immunabwehr, Haarwurzeln, eine Vielzahl von Hautdrü-sen und Rezeptoren für den Tastsinn (Meissnersche Tastkörperchen). Durch die Lederhaut wird unser Körper vor mechanischen Verletzungen und Temperaturänderungen geschützt. Ausserdem versorgt sie die Epidermis mit Nährstoffen, besitzt eine wichtige Rolle für die Sinneswahrnehmung und besteht aus Collagen-, Gitter- und elastischen Fasern.

Die Unterhaut (= Subcutis) besteht aus lockerem Binde- und Fettgewebe und verbindet die Haut mit den darunterliegenden Strukturen. In ihr ist eine feste Anzahl an Fettzellen enthal-ten, die als Energiespeicher und Wärmeisolator dienen. Abhängig vom Ernährungszustand des Menschen sind in der Unterhaut unterschiedlich grosse Fetttropfen vorhanden. Durch die Subcutis ist die Verschiebbarkeit der Haut möglich und auch die Flüssigkeitseinlagerung, wie z.B. die Ödembildung erfolgt hier.

Schutzmechanismen der Haut Die Haut besitzt hauteigene Schutzmechanismen, die sie bei der ersten Bestrahlung selbst aktiviert und sich somit vor negativer Wirkung schützt. Leider wirken diese nur bei langsamer Gewöhnung an die Sonne und sind nur bis zu einem gewissen Mass effektiv. Entscheidend für die Wirksamkeit ist der Hauttyp. Wichtige Schutzmechanismen der Haut sind: − Bildung einer Lichtschiele (= Verdickung der Hornhaut) − Urocaninsäure im Schweiss − Hydrolipidfilm auf der Hautoberfläche − Hautbräunung (= Melanogenese) − Antioxidantien − zelleigene Reparatursysteme

Melanogenese (siehe Abb. 13)

Durch verstärkte Pigmentierung der Haut kommt es zur Hautbräunung. Die in der Basal-schicht vorkommenden Melanozyten enthalten Melanosome, die den Farbstoff Melanin pro-duzieren. Durch die Melanozyten werden die reifen Melanosome zu den Keratino-zytentransportiert, wo sie sich zum Schutz der DNA schirmförmig über den Zellkernen anla-gern. UV-A-Strahlung löst durch Photooxidation eine Sofortpigmentierung von bereits vorhande-nen Melaninvorstufen aus, die jedoch nicht vor UV-B-Strahlung schützt. Zur so genannten Spätpigmentierung kommt es erst ca. 72 Stunden nach der Einwirkung von UV-B-Strahlung. Hierbei kommt es zu einer Vermehrung der Melanozyten und einer gesteigerten Synthese von Melanosomen. Dies bedeutet, dass UV-B-Strahlung den Transfer von Melanosomen von Melanozyten zu Keratinozyten fördert. Eine Spätpigmentierung kann auch nach UV-A-Bestrahlung auftreten, hierfür sind jedoch wesentlich höhere Dosierungen nötig, um den gleichen Effekt zu erzielen. Melanin wirkt als Antioxidans und durch Absorption und Reflexion der UV-Strahlung als opti-sche Barriere und unterdrückt die zellschädigende Bildung und Wirkung freier Radikale. Da Melanine vor allem im UV-A-Bereich absorbieren, verhindert die Melanogenese häufig die Ausbildung von Sonnenbrand.


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Abb. 13: Ablauf der Melanogenese8

Lichtschwiele

Unter Lichtschwiele versteht man die Verdickung der Hornhaut, die einen grossen Teil der UV-Strahlen reflektiert und somit darunter liegende Hautschichten vor der Strahlung schützt. Die Verdickung ist eine Folge der intensiveren Basalzellenteilung in der Epidermis aufgrund verstärkter UV-Bestrahlung. Urocaninsäure im Schweiss

Diese Substanz, welche im UVA-Bereich absorbiert und wasserlöslich ist, ist bei Sonnenbe-strahlung vermehrt im Schweiss enthalten. Durch die Wasserlöslichkeit bleibt sie nur be-grenzte Zeit auf der Haut und wird beispielsweise beim Baden sofort abgewaschen (siehe Abb. 14).

NH2HN

N

O

OH

Histidin

HN

N

O

OH

Urocaninsäure Abb. 14: Urocaninsäure9

8 Nach Jablonsik, Chaplin: Die Evolution der Hautfarben, S. 41, Spektrum der Wissenschaft 6/2003 9 Langhals, H.; Fuchs, Kerstin: Chemie am Strand – Sonnenstrahlung, Hautreaktionen und Sonnen-schutz, ChiuZ 2/2004, S. 98 ff

Histidin-Ammoniak-Lyase

- NH2

Histidin Urocaninsäure


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Hydrolipidfilm

Die Haut bildet einen Oberflächenfilm, der aus Hautschuppen, Talg, feuchtigkeitsbindenden Substanzen und natürlichen Feuchthaltefaktoren besteht. Da dieser Film Schutz vor Aus-trocknung und Bakterien bietet wird er auch als Natural Moisturizing Factor (NMF) bezeich-net. Die Oberflächenlipide verhindern das Austrocknen der Haut und absorbieren im UV-Bereich, aber bei zu intensiver Sonneneinstrahlung wird der Film beschädigt.

Antioxidantien

Das Melanin der Melanozyten wirkt wie Enzyme in den Hautzellen als Radikalfänger, um zellschädigende Effekte zu verhindern. Die wirksamsten Radikalfänger sind Tocopherol, As-corbinsäure und -Carotin, welche mit der Nahrung aufgenommen werden.

Zelleigene Reparatursysteme

Reparaturenzyme werden durch UV-Licht aktiviert und reparieren Zellen oder lassen Zellen mit irreparablen Schäden absterben. Diese sind allerdings nur wirkungsvoll, wenn die ge-schädigte Haut mindestens 24 Stunden ohne Sonneneinstrahlung belassen wird. Im anderen Fall vermehren sich die Zellen mit mutierter DNS.

3. Hauttypen Weltweit finden sich 6 verschiedene Hauttypen, welche in Abb. 15 zu sehen sind. Je nach Typ sollte man nicht zu lange und ohne Schutz der Sonne ausgesetzt sein.

Abb. 15: Hauttypen I, II, III, IV, V, VI10 Der Tabelle auf der nächsten Seite kann man weitere Detailinformation über die besonderen Merkmale und Eigenschutzzeiten der jeweiligen Hauttypen finden.

10 Krebsliga, Welcher Hauttyp sind Sie?http://www.hauttyp.ch/index.html


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Hauttyp Merkmale Eigen-schutzzeit

Keltischer Typ (Typ I)

− sehr helle Hautfarbe − rötliches oder hellblondes Haar − blaue, grüne oder hellgraue Augen − Sommersprossen − sehr helle Brustwarzen − wird nicht braun, sondern bekommt Sommerspros-

sen, sehr häufig Sonnenbrand

< 10 min

Nordischer Typ (Typ II)

− helle Hautfarbe − blonde oder hellbraune Haare blaue, graue oder

grüne Augen oft Sommersprossen − mässig pigmentierte Brustwarzen langsame,

minimale Bräunung − häufig Sonnenbrand

10 – 20 min

Mischtyp (Typ III)

− mittlere Hautfarbe − dunkelbraunes oder hellbraunes, manchmal auch

blondes oder schwarzes Haar − braune (blaue, grüne oder graue) Augen − kaum Sommersprossen − mässig braune Brustwarzen − langsame, aber fortschreitende Bräunung bis hell-

braun manchmal Sonnenbrand

20 – 30 min

Mediterraner Typ (Typ IV)

− bräunliche oder olivfarbene Haut auch in unge-bräuntem Zustand

− braune Augen − braunes oder schwarzes Haar − keine Sommersprossen − dunkle Brustwarzen

> 30 min

Dunkler Hauttyp (Typ V)

− dunkle Haut auch in ungebräuntem Zustand, oft ein grauer Unterton

− dunkle Augen − schwarzes Haar − keine Sommersprossen − schnelle Bräunung bis dunkelbraun kaum Sonnen-

brand

> 60 min

Schwarzer Hauttyp (Typ VI)

− dunkelbraune bis schwarze Haut auch in unge-bräuntem

− Zustand schwarze Augen schwarzes Haar − keine Sommersprossen − praktisch nie Sonnenbrand

> 90 min


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UV-2000S Ultraviolet Transmittance Analyzer 11

Das Gerät misst die spektrale Durchlässigkeit von UV-Strahlung durch ein Sonnenschutz-Material und berechnet bestimmte charakteristische Parameter mit international anerkannten statistischen Methoden.

Abb. 16: Labsphere UV-2000S

Eine gepulste UV-Blitzlampe erzeugt UV-Strahlung im Bereich von 250 bis 450 nm Wellen-länge. Die Ulbrichtkugel ist mit reflektierendem Material beschichtet, welches dafür sorgt dass durch das Saphirglas unten diffuses UV-Licht austritt. Spektrometer 1 misst die Intensi-tät der UV-Strahlung vor der Probe. Spektrometer 2 misst die UV-Strahlung, welche durch die Probe hindurchgelangt, von dieser also nicht absorbiert oder reflektiert wird. Ohne Probe beträgt der Transmissionsgrad 100 % (Eichung des Gerätes vor der Messung).

Abb. 17: Schematischer Aufbau Labsphere UV-2000S

11 Labshere Inc., Gebrauchsanweisung zu UV-2000S

zum Spektrometer 1

zum Spektrometer 2 Probe

Linse

Spiegel

UV-Blitzlampe

Saphirglas und Filter

Ulbrichtkugel


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Messprinzip UV-Licht-Detektor

Abb. 18: Analogie zwischen optischem Sensor zur Lichtmessung und Sehprozess

Abb. 19: Messprinzip des UV-Sensors mit einer UV-Lichtquelle Die Lichtenergie, die von der Sonnencreme, der Sonnenbrille oder den Kleidern absorbiert wird, wird direkt in Wärmeenergie umgewandelt.

Sehnerv

elektr. Signal

Netzhaut

Lin

se

Gehirn

Auge

OptikAuswertungLicht

UV-Lichtquelle Stromquelle

UV-Licht- absorbie-

rendes Ma-terial

Mess-gerät

Lin

se

UV-Licht

elektr. SignalFo

tose

nso

r

UV-Licht-Detektor

Optik

Computer

Auswertung


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UV-Messgerät Lutron UV-340A Das tragbare Messgerät misst UV-A und UV-B in einem Frequenzbereich von 290 bis 390 nm. Die Intensität der gemessenen Strahlung wird in Mikrowatt pro cm2 (W/cm2) angege-ben.

Abb. 20: UV-Messgerät Lutron UV-340A

Anwendungen UV-Sensoren können sehr vielfältig eingesetzt werden und auf viele verschiedene Fragen Antworten geben. Hierzu gehört beispielsweise: − Messung der Intensitäten von UV-Licht am Schatten, bei bedecktem Himmel oder über

einer Wasseroberfläche oder einer Schneedecke. − Welche Sonnenbrille lässt wie viel UV-Licht durch und wie viel absorbiert sie? − Wie hoch ist der UV-Schutz verschiedener Sonnencremes? − Wie hoch ist der UV-Schutz von Sonnencremes nach dem Ablaufdatum − Wie wirksam sind Kunststoffe oder UV-Absorber? − Wie viel UV-Licht lassen welche Textilien durch und wie viel absorbieren sie? − Welche Wirksamkeit besitzen optische Aufheller in Waschmitteln? − Überwachung der Strahlung beim Schweissen − Mikrobiologische Untersuchungen, zum Beispiel um biologische Stoffwechselvorgänge

möglichst an lebenden Zellen zu beobachten oder um Bestandteile von Zellen, wie zum Beispiel das Erbgut, während biologischer Arbeitsschritte in der Forschung sichtbar zu machen.

− In der Mineralogie wird künstliche UV-Strahlung zur Analyse mineralischer Bestandteile von Proben angewendet (Materialprüfung)

− Energiereiche kurzwellige UV-C-Strahlung wird auch zur Desinfektion in biologischen und medizinischen Labors oder auch in Teichpumpen verwendet, da UV-C so energiereich ist, dass Viren und Bakterien sowie Kleinstlebewesen inaktiviert oder abgetötet werden.

− Aushärten von Lacken, Klebstoffen und Kunststoffen in der Zahnmedizin − Löschen von Speicherelementen (EPROM) − Belichtung von Fotolack − Kunst (Grafik, Schwarzlichttheater, Discos)


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Luxmeter Testo 540 Um allfällige Zusammenhänge zwischen UV-Strahlung und Helligkeit untersuchen zu kön-nen, steht im mobiLLab neben dem UV-Messgerät noch ein Luxmeter zur Verfügung.

Einen Belichtungsmesser oder Luxmeter setzt man ein, um zu messen wie hell ein Objekt bestrahlt wird. Man misst also die Helligkeit, genauer die Beleuchtungsstärke (einfal-lender Lichtstrom pro Flächeneinheit), am Ort des Mo-tivs. Mit dem Luxmeter wird gemessen wie hell es am Messpunkt ist, unabhängig von Ausdehnung und Richtung der Lichtquelle. Als Messzelle dient beim Luxmeter häufig eine Silicium-Fotodiode. Das tragbare Messgerät kann die Lichtintensität im Bereich von 0 bis 100‘000 Lux messen. 1 Lux entspricht einer Ker-ze aus ca. 1 Meter, 100‘000 Lux einem sehr sonnigen Sommertag.

Abb. 21: Luxmeter testo 540 Typische Beleuchtungsstärken in Räumen12 Ort, Räumlichkeit Beleuchtungsstärke in Lux Schule Aula 100 – 300 Klassenzimmer 400 – 700 Labor, Biobliothek, Zeichnungszimmer 750 – 1400 zu Hause Esszimmer, Wohnzimmer 200 – 500 Flure und Treppen 100 – 200

Beleuchtungsstärken im Freien13 Beschreibung Beleuchtungsstärke in Lux Heller Sonnentag 100‘000 Bedeckter Sommertag 20‘000 Im Schatten im Sommer 10‘000 Bedeckter Wintertag 3‘500 Vollmondnacht 0,25 Sternklarer Nachthimmel (Neumond) 0,001 Bewölkter Nachthimmel ohne Mond und Fremdlichter

0,00013

12 Bedienungsanleitung Lutron LX-107 13 http://de.wikipedia.org/wiki/Lux, 2013_08_10


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Beleuchtungsstärke

Ein Lux ist die Einheit der Beleuchtungsstärke. Um sie zu erklären, wird die Grösse Lumen benötigt und für diese wiederum die Einheit Candela. Zwischen allen drei Einheiten gibt es einen Zusammenhang.

Eine Candela (cd) ist die Lichtstärke, die ungefähr von einer Kerze abgegeben wird. Früher war es eine genormte Kerze, heute ist es die Lichtstärke einer speziell definierten Lichtquelle. Die Candela misst die Stärke der im menschlichen Auge von der empfange-nen Strahlung hervorgerufenen Lichtempfindung.

Das Lumen (lm) ist die Einheit des Lichtstroms. Dabei ist nicht nur der Lichtstrom in eine bestimmte Richtung gemeint ist, sondern (umgangssprachlich gesprochen) das ge-samte Licht, welches in alle Richtungen abgestrahlt wird. Die gesamte sichtbare Licht-menge, die eine Lampe verlässt, wird in Lumen angegeben. Wie hell etwas wirklich er-scheint, hängt jedoch auch davon ab, wie viel vom abgestrahlten Licht auf ein Objekt auf-trifft. Beispiele: Kühlschrankglühlampe 15 W 110 lm Halogenstrahler 120 W 2‘250 lm Heller Sonnentag 100‘000 lm

Mit der Beleuchtungsstärke wird angegeben, wie viel Licht auf eine bestimmte Fläche

fällt. Die Einheit ist Lux (lx) und bezieht sich immer auf eine definierte Fläche von 1 m2. Wenn ein Leuchtmittel mit der Stärke von einer Candela (1 cd) Lichtstärke also ein Lu-men (1 lm) Lichtstrom auf einen Quadratmeter aus einem Meter Entfernung strahlt, dann entspricht dessen Beleuchtungsstärke einem Lux (1 lx). Damit ist Lux keine direkte Ei-genschaft einer Lichtquelle, sondern die Helligkeit einer Fläche in einem bestimmten Ab-stand zur Lichtquelle. Wenn z.B. die Helligkeit im Abstand von 1 m 1000 lx ist, beträgt sie in 2 m Abstand zur Lichtquelle nur noch 250 lx.

Weil der Lichtstrom aus einer Quelle nicht immer in alle Richtungen gleichmässig ist, definiert man die Lichtstärke I als den Lichtstrom pro Einheit des Raumwinkels. Der Raumwinkel wird in der Mass-einheit Steradiant (sr) gemessen. 1 sr entspricht einem Raumwin-kel, der von der Mitte der Kugel aus gesehen eine Kugelkalotte mit der Fläche r2 auf der Kugeloberfläche einnimmt. Der Öffnungswin-kel, der 1 sr abdeckt, beträgt ca. 65,54 °. Die Einheit für Lichtstärke ist die Candela (cd), wobei 1 cd = 1 lm/sr gilt.

Abb. 22: Raumwinkel Bezeichnung Beschreibung Formelzeichen Masseinheit Umformung

Lichtstrom 1.464 mW vom Licht der Wellen-länge 555 nm.

Lumen (lm) 1 lm

Beleuchtungsstärke Lichtstrom pro Fläche E = / A Lux (lx) 1 lx = 1

Lichtstärke Lichtstrom pro Raumwinkel I = / Candela (cd) 1 cd = 1

r2

r


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Abb. 23: Charakteristische Lichtgrössen im Vergleich 14

Beispiele Selbst im Schatten sind wir vor Sonnenstrahlung nicht sicher. Im Schatten können wir von ca. 10 – 30 % sichtbarem Licht und ca. 50 % UV-Strahlung erreicht werden. Deshalb ist auch dort Vorsicht geboten und der richtige Sonnenschutz sollte nicht fehlen.

Sonnenschutzfaktor und Lichtschutzfaktor (SPF und LSF)

Diese Faktoren geben an, wie viel länger man sich mit einem Son-nenschutzmittel der Sonne aussetzen kann, ohne einen Sonnenbrand zu bekommen, verglichen mit der jeweils individuellen Eigenschutz-zeit. Mit dem LSF wird nur die Schutzwirkung einer Sonnencreme gegen UV-B-Strahlung abgegeben. Abb. 22 zeigt die Kennzeichnung eines Sonnenschirms SUNLINE 270 der Firma Doppler.

Abb. 24: LSF/SPF

Neben der UVB-Strahlung ist auch die UVA-Strahlung für die Entste-hung von Hautkrebs mitverantwortlich. Gemäss Empfehlungen der Europäischen Kommission über die Wirksamkeit von Sonnenschutz-mitteln muss der UVA-Schutzfaktor eines Produkts mindestens ein Drittel des Lichtschutzfaktors betragen. Alle Produkte im Handel, die diesem Qualitätsstandard entsprechen, sind mit dem UVA-Label ge-kennzeichnet.15 Für die Messung der Schutzwirkung gegen UV-A-Strahlung gibt es bisher kein international anerkanntes Verfahren.

Abb. 25: UVA-Label

14 http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/umat/gluehlampen/gluehlampen.htm (2013_08_20) 15 http://assets.krebsliga.ch/downloads/1320.pdf, 2013-08-10

UVA


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UV-Absorber oder UV-Filter16

Hierbei handelt es sich um Verbindungen mit einem ausgeprägten Absorptionsvermögen für UV-Strahlung. Diese UV-Stabilisatoren oder Lichtschutzmittel dienen sowohl zur Verbes-serung der Lichtbeständigkeit von Anstrichen und Lacken, als Alterungsschutzmittel in Kunststoffen und Kautschuken, als UV-Filter in Gläsern, Verpackungsmaterialien und ande-ren technischen Produkten, als auch als Sonnenschutzmittel in kosmetischen Präparaten. 1 MED (= Minimale Erythem-Dosis)

Hierbei handelt es sich um die notwendige Bestrahlungsdosis, um innerhalb von acht Stun-den durch UV-Bestrahlung eine Hautrötung (= Erythem) hervorzurufen. Selbst bei Menschen mit gleichem Hauttyp variiert diese Dosis stark. Bei hellhäutigen Menschen vom Hauttyp II entspricht 1 MED ungefähr 250 J/m². Möchte man herausfinden, welche Gefährdung von einer UV-Lampe ausgeht, muss zuerst umgerechnet werden:

1 Ws (Wattsekunde) = 1 J (Joule) 1 mW/m² (während 8 Stunden) = 28800 mJ/m² = 28.8 J/m²

UV-Index

Der UV-Index (siehe Abb. 24) ist ein einfaches Mass für die Stärke der UV-Strahlung der Sonne. Je höher er ist, umso schädlicher und stärker ist die Sonnenstrahlung. Bei einem höheren Index bekommen wir schneller einen Sonnenbrand als bei einem tiefen. Mit ihm können wir also präventiv Sonnenschutz betreiben. Den UV-Index erhält man, indem man die erythemwirksame Bestrahlungsstärke (= Sonnen-brandwirksamkeit) der UV-Strahlung mit dem Faktor 40 m²/W multipliziert.

0

12

2

4

6

8

10

schwach

mittel

hoch

sehr hoch

extrem

0

100

200

300

Strahlungsstärkeder Sonne

UV

-In

de

x

sola

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au

twir

ksam

eB

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ah

lun

gss

tärk

e

mW/m2

Abb. 26: UV-Index-Skala17

16 Römpp Online, UV-Absorber, Georg Thieme Verlag, http://www.roempp.com/prod/index1.html 17 http://www.bag.admin.ch/themen/strahlung/00058/00147/01598/01599/index.html?lang=de, 2010-09-22


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Abb. 27: Legende UV-Index18

Das Bundesamt für Gesundheit publiziert auf seiner Webseite den aktuellen UV-Index und die Prognose für den nächsten Tag:

Abb. 28: UV-Karte für die Schweiz19

18 http://www.bag.admin.ch/uv_strahlung/10652/index.html?lang=de 19 http://www.bag.admin.ch/uv_strahlung/10652/10682/index.html


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Quellen − Bauer, Ernst: Humanbiologie, Cornelsen, Berlin 2000, S. 149 − Dreesmann, D.C.: UV-Strahlung ist überall, Unterricht Biologie 292, 02/2004, S. 40 − Jablonsik, Chaplin: Die Evolution der Hautfarben, S. 41, Spektrum der Wissenschaft

6/2003 − Langhals, H.; Fuchs, Kerstin: Chemie am Strand – Sonnenstrahlung, Hautreaktionen und

Sonnenschutz, ChiuZ 2/2004, S. 98 ff − Pütz, Niklas: Schminken, pflegen, schönes Haar, vgs, Köln 1991, S. 116 − http://www.bag.admin.ch/uv_strahlung/10652/index.html?lang=dewww.chemie.uni-

hamburg.de/broschuere/pc/pc10.html, 2013-07-23 − Krebsliga, Welcher Hauttyp sind Sie?http://www.hauttyp.ch/index.html, 2012-02-07 − www.puchner.org/Fotografie/technik/physik/licht.htm, 2012-02-07 − Römpp Online, UV-Absorber, Georg Thieme Verlag, www.roempp.com/prod/index1.html,

2012-02-07 − www.seilnacht.com/Lexikon/Licht.htm#Optisches Spektrum, 2012-02-07 − www.unserehaut.de, 2012-02-07 − http://blog.mineralium.com/uv-lampen-in-der-praxis/, 2012-05-01 − http://www.desy.de/expo2000/deutsch/dhtmlbrowser/webthemen/12_em_spektrum/antwo

rten/uv1.htm, 2012-05-01 − http://assets.krebsliga.ch/downloads/1320.pdf, 2013-08-10 − http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/umat/gluehlampen/gluehlampen.htm

(2013_08_20) − http://de.wikipedia.org/wiki/Lux, 2013_08_10 − http://www.gartenversand-omega.de/media/docs/bedienungsanleitung_lutron-lx-107-

ha.pdf

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