Menschliche thermische Grenzen

Grenzen verschieben – Umweltbedingungen.

Wie heiß kann es werden, bevor Menschen nicht mehr überleben können? Das scheint eine einfache Frage zu sein, aber unsere Fähigkeit, Körperwärme durch Schwitzen abzugeben, macht die Antwort überraschend komplex. Obwohl es biologisch erforderlich ist, die Kerntemperatur nicht mehr als einige Grad über 37 °C ansteigen zu lassen, ist es möglich, dass Menschen unter Bedingungen über 49 °C überleben und sogar arbeiten können (wenn auch mit verminderter Leistung), vorausgesetzt, der Schweiß kann verdunsten und ausreichend Trinkwasser ist verfügbar. Die Umweltgrenzen des Menschen werden jedoch auch durch andere Faktoren eingeschränkt.

Die relative Luftfeuchtigkeit misst, wie viel Wasserdampf in der Luft ist, im Vergleich dazu, wie viel Wasserdampf die Luft maximal aufnehmen kann. Dies beeinflusst, wie leicht Schweiß durch Verdunstung kühlt. Abgesehen von der Umgebungstemperatur ist die Luftfeuchtigkeit der wichtigste Faktor zur Bestimmung der maximalen thermischen Toleranz des Menschen. Entscheidend ist, dass sich die relative Luftfeuchtigkeit mit der Temperatur ändert – wärmere Luft kann mehr Wasserdampf halten.[1] Bei niedriger relativer Luftfeuchtigkeit verdunstet Schweiß leicht, was das Überleben unter heißeren Bedingungen ermöglicht. Trockene Orte wie El Paso können hohe Temperaturen, aber eine relative Luftfeuchtigkeit unter 10 % während der heißesten Tageszeit aufweisen.[2] Im Gegensatz dazu sind feuchte Städte wie Miami sowohl heiß als auch feucht, mit einer durchschnittlichen Nachmittagsfeuchtigkeit im Bereich von etwa 65 % (gelegentlich auch höher).

Relative Luftfeuchtigkeit und Temperatur werden in einem Index namens Feuchtkugeltemperatur kombiniert. Dieser Index wird mit einem Thermometer gemessen, das in einen feuchten Stoffbezug gehüllt ist; die Feuchtigkeit verdunstet aus dem Bezug, ähnlich wie Schweiß auf unserer Haut, und kühlt dabei das Thermometer ab (Abb. 1). Durch Verdunstungskühlung ist die Feuchtkugeltemperatur fast immer niedriger (und bei trockenen Bedingungen manchmal deutlich niedriger) als die Umgebungstemperatur. Der Feuchtkugelindex ist der ideale Maßstab zur Bestimmung der extremsten Umweltbedingungen, die der Mensch überleben kann, da er unsere Fähigkeit zur Kühlung durch Schwitzen berücksichtigt. Er gibt uns auch eine harte Überlebensgrenze – oberhalb einer Feuchtkugeltemperatur von 35 °C kann der Mensch sich physiologisch nicht mehr abkühlen.

Abbildung 1: Ein Feuchtkugel-Globetemperatur-Thermometer. Dieses Gerät hat drei Messfühler; das mittlere Instrument ist ein Feuchtkugelthermometer. Der herausstehende Baumwollüberzug ist durch ein Wasserreservoir gesättigt und umgibt ein Thermometer. Diese „natürliche“ Version des Feuchtkugelthermometers ist der Luft ausgesetzt. Bildnachweis: Sr Airman Corey Hook (USAF), Defense Visual Information Distribution System.

Diese Grenze von 35 °C Feuchtkugeltemperatur basiert auf physikalischen Gesetzen; Wärme fließt von heiß nach kalt. Um unseren Körperkern (normalerweise 37 °C, dazu unten mehr) zu kühlen, muss unsere Haut etwa 35 °C haben. Diese Differenz von etwa 2 °C zwischen Kern und Haut erzeugt ein Temperaturgefälle, das es dem zirkulierenden Blut ermöglicht, Wärme an die Hautoberfläche zu transportieren, damit sie in die Umwelt abgegeben werden kann. Wenn die Luft um unsere Haut kühler als 35 °C ist, kann Wärme durch Konvektion die Haut verlassen. Wenn die Luft, die unsere Haut berührt, über 35 °C liegt, kann Wärme weiterhin durch Schweißverdunstung entweichen. Liegt die Lufttemperatur über 35 °C und die Luftfeuchtigkeit ist hoch, kann Schweiß jedoch nicht mehr gut verdunsten. In dieser heißen und feuchten Situation bleibt uns physikalisch kein Weg, Wärme von unserer Haut abzugeben, und somit auch nicht vom Körperkern. (Eine kurze Übersicht über die menschliche Wärmeabgabe finden Sie in unserem Artikel „Thermal Physiology 101“).

Wissenschaftler haben kürzlich infrage gestellt, ob diese Grenze von 35 °C Feuchtkugeltemperatur zu hoch angesetzt ist – theoretische Grenzen sind nur sinnvoll, wenn sie auch in der realen Welt bestehen. Tests mit Probanden deuten auf eine niedrigere Grenze hin, selbst bei jungen, fitten, gesunden Menschen – möglicherweise schon bei 31 °C in heißen, feuchten Umgebungen.[3] Diese Werte stammen aus Messungen der Körperkerntemperatur junger Freiwilliger, die auf einem Laufband in einer Laborumgebung gehen, in der Temperatur und Luftfeuchtigkeit geregelt werden können. Oberhalb bestimmter Feuchtkugeltemperaturen steigt die Körperkerntemperatur der Probanden schnell an, was auf kritische Schwellenwerte hindeutet, bei denen selbst relativ leichte Arbeit gefährlich werden kann.

Feuchtkugeltemperaturen nahe 31 °C treten in der Natur nur selten auf.[4] In Gebieten jedoch, in denen den ganzen Tag über Wasser verdunsten kann (z. B. in Küstennähe), kann die Feuchtkugeltemperatur nahe 31 °C liegen. Zum Beispiel liegt die mittlere extreme Feuchtkugeltemperatur in Miami ein paar Grad höher als die in Phoenix, obwohl Phoenix deutlich höhere Umgebungstemperaturen aufweist (Tabelle 1). In unserem heutigen Klima treten Feuchtkugeltemperaturen, die unsere physiologischen Grenzen erreichen, nur kurzzeitig an der Küste des Persischen Golfs, am Roten Meer, in Teilen Indiens und Pakistans und entlang der südlichen Küste des Golfs von Mexiko auf. In den USA erklären hohe Feuchtkugeltemperaturen im Süden die hohe Häufigkeit hitzebedingter Erkrankungen in diesen Regionen.

Wärmespeicherung im menschlichen Körper.

Um mehr über die menschlichen Hitzetoleranzgrenzen zu erfahren, müssen wir die Konzepte Wärmespeicherung und kompensierbare vs. nicht-kompensierbare Wärmeproduktion einführen.

Die Wärmespeicherung im Körper ist ein Balanceakt. Wenn wir trainieren oder arbeiten, erzeugen unsere Muskeln Abwärme, bekannt als metabolische Wärmeproduktion.[5] Daraufhin aktiviert unser Körper Mechanismen zur Abgabe dieser Wärme, und passt deren Intensität an den Grad der metabolischen Wärmeproduktion an.

Funktional funktioniert dieser Prozess ähnlich wie ein Thermostat zu Hause. Der Thermostat in Ihrem Haus (z. B. auf 22 °C eingestellt) und im Körper (etwa 37 °C) hat einen festen Sollwert. Im Gehirn vergleicht der Hypothalamus Temperaturwerte von Rezeptoren in Haut und Zentralnervensystem mit diesem Sollwert. Wird eine höhere Temperatur registriert, setzen Kühlmechanismen ein und arbeiten, bis die Solltemperatur wieder erreicht ist – wie bei einer Klimaanlage. Kenefick et al. vom US Army Research Institute of Environmental Medicine geben in diesem Artikel in Sports Medicine einen detaillierten (und gut lesbaren) Überblick über den Prozess.

Wenn die vom Körper erzeugte Wärmemenge gleich der abgegebenen ist, ändert sich die gespeicherte Wärme nicht – die Temperatur bleibt stabil. Es gibt dafür eine Gleichung:

Links vom Gleichheitszeichen steht die Veränderung der Wärmespeicherung im Körper (das „Delta“-Symbol steht für Veränderung). Um dies bei null zu halten (was für die meisten warmblütigen Tiere erforderlich ist), muss die Summe der rechten Seite ebenfalls null ergeben.

M ist die metabolische Wärmeproduktion, also die durch Körper und Muskeln erzeugte Wärme, und ist immer positiv („+“ Zeichen).
E ist die Wärmeabgabe durch Schweißverdunstung, die immer negativ ist („-“ Zeichen), da Verdunstung den Körper kühlt.
Ra, Cv und Cd sind Wärmeaustauschprozesse mit der Umgebung durch Strahlung, Konvektion und Leitung; das „+/-“-Symbol zeigt an, dass die Wärme in beide Richtungen fließen kann. Meistens fließt sie vom Körper nach außen, aber in heißen Umgebungen (z. B. wenn Luft oder Asphalt heißer als 35 °C sind), fließt sie in den Körper.

Solange Δ = 0 ist, ist die Wärmeproduktion kompensierbar und unsere Kerntemperatur steigt nicht an. Wenn M (metabolische Wärme) steigt, z. B. bei körperlicher Arbeit, müssen die übrigen Faktoren Ra, Cv, C, E diesen Anstieg ausgleichen. Unser Körper erhöht die Schweißproduktion, leitet Blut zur Haut um, erweitert Gefäße nahe der Hautoberfläche und erhöht die Herzfrequenz, um die Wärme schneller zum Hautbereich zu bringen.

Wärmespeichergrenzen überschreiten.

Wenn die metabolische Wärmeproduktion die Wärmeverluste übersteigt, nimmt die Wärmespeicherung im Körper zu – ein Zustand, der als „nicht-kompensierbarer Hitzestress“ bezeichnet wird. Dann beginnt die Kerntemperatur zu steigen. Wie weit diese steigen kann, bevor ein Hitzschlag eintritt, hängt von individuellen Faktoren ab. Bei gut trainierten Spitzensportlern wurden Kerntemperaturen über 41.7 °C gemessen – ohne Schaden.[6] Ein Forschungsinstitut in Singapur maß solche Temperaturen bei Soldaten während eines Halbmarathons der Armee – kurz genug, dass hohe metabolische Wärmeproduktion toleriert wird. Zwei Teilnehmer erreichten etwa 41.7 °C, der Durchschnitt lag näher bei 40 °C. Die klinische Definition eines Hitzschlags beginnt bei 40 °C – der Unterschied von 1–2 °C ist also extrem! Auch andere Studien zeigen gelegentlich Werte über 41 °C bei Sportlern.

Diese Studien zeigen, dass Spitzensportler mit guter Hitzetoleranz hohe Temperaturen aushalten – aber nicht dauerhaft. Oberhalb von etwa 40 °C beginnen Proteine im Gewebe zu denaturieren. Hitzetraining erhöht die Produktion von Hitzeschockproteinen, die zellschützend wirken, daher bauen viele Athleten gezielt Wärmetraining in ihr Programm ein. Für normale Personen ist das obere Limit unklar – denn aus ethischen Gründen darf keine Studie gezielt bis zum Hitzschlag gehen.

Abkühlen durch Ausschalten des Ventilators?

Die Wärmebilanz des Menschen führt zu interessanten Widersprüchen. Einer davon betrifft Ventilatoren. Wenn die Hauttemperatur bei 35 °C gehalten werden muss und Wärme von heiß nach kalt fließt, sollte ein Ventilator bei Umgebungstemperaturen über 35 °C zur Netto-Wärmezunahme führen. Bedeutet das, dass Ventilatoren bei extremer Hitze nutzlos oder gefährlich sind?

Die Antwort ist differenziert. Der Einsatz von Ventilatoren bei extremer Hitze ist wissenschaftlich umstritten. Luftbewegung unterhalb von 35 °C unterstützt die Konvektion, indem sie die warme Luftschicht über der Haut entfernt. Über 35 °C wird diese durch noch heißere Luft ersetzt. Manche Behörden raten daher von Ventilatoren bei Hitze ab – das CDC empfiehlt dies bei Temperaturen über 32 °C zu vermeiden, die WHO setzt die Grenze bei 40 °C, der britische NHS liegt bei 35 °C.

Wissenschaftler antworten auf diese Unterschiede mit: „Es kommt darauf an.“ Meistens hilft Luftbewegung. Ob Ventilatoren helfen, hängt stark von der Luftfeuchtigkeit ab – daher gibt es keinen festen Schwellenwert. Wärme, die durch heiße Luft zugeführt wird, wird oft durch gesteigerte Verdunstung überkompensiert. Diese Verdunstung wird begünstigt, da die Luftbewegung die mit Schweiß gesättigte Luft an der Haut ersetzt. Modelle zeigen: Für gesunde, normal schwitzende Menschen ist ein Ventilator vermutlich bis 39 °C sinnvoll – bei niedriger Luftfeuchte sogar bis 42 °C.

Über den Autor: Erik ist Doktorand an der Duke University, wo er zu den Herausforderungen forscht, die steigende Temperaturen für die militärische Ausbildung darstellen. Als Veteran der US-Armee hat Erik in einer Vielzahl extremer Klimazonen gedient – von Wüsten im Südwesten der USA und dem Nahen Osten (49 °C) bis zu arktischen Bedingungen in Zentralalaska (–41 °C).

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[1] Bei den üblichen heißen Temperaturen, die wir erleben, erhöht ein Temperaturanstieg von 1 °C (1,8 °F) die Fähigkeit der Luft, Wasserdampf zu halten, um etwa 7 %. Technisch gesehen ist diese Beziehung nicht linear, aber diese 7 % sind eine gute Näherung für die Temperaturen, denen wir auf der Erde begegnen.

[2] Ich weiß aus persönlicher Erfahrung beim Arbeiten in der Chihuahua-Wüste nördlich von El Paso, dass man den Tag wahrscheinlich mit einer Salzkruste vom verdunsteten Schweiß beendet, aber selten durchnässt ist, weil der Schweiß in der trockenen Luft so schnell verdunstet.

[3] Und sogar noch niedrigere Werte in heißen, trockenen Umgebungen, was zeigt, dass hohe Temperaturen das Überleben selbst bei mäßiger und niedriger Luftfeuchtigkeit einschränken. Die Wechselwirkung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit auf die Thermoregulation ist ein komplexes, sich entwickelndes Forschungsfeld.

[4] Zusätzlich zu Hitze und Feuchtigkeit ist atmosphärische Stabilität erforderlich, um wirklich hohe Feuchtkugeltemperaturen zu erreichen. In vielen Regionen der Welt zieht die Wärmeenergie die Feuchtigkeit in höhere Luftschichten (man denke an nachmittägliche Gewitter), was extreme Bodenfeuchte verhindert.

[5] Metabolische Wärme wird auch im Ruhezustand erzeugt, allerdings in so geringen Mengen, dass die Aufrechterhaltung einer stabilen Kerntemperatur in der Regel kein Problem darstellt.

[6] Es ist wichtig zu betonen, dass 41,7 °C der höchste Wert ist, den ich in der Literatur gefunden habe. Er wurde bei gut trainierten Spitzensportlern dokumentiert und stellt vermutlich das absolute Maximum dar, das Menschen ohne Schaden überleben können!