Hitzestress quantifiziert

Die absolute Grenze

Im vergangenen Jahr versuchte eine faszinierende Studie, die absolute thermische Überlebensgrenze des Menschen zu bestimmen. Anders als viele frühere thermophysiologische Studien blieben die freiwilligen Probanden während der Tests in Ruhe und konnten frei Wasser trinken. Ziel der Studie war es, die Umweltbedingungen zu finden, unter denen junge, gesunde Personen nicht mehr überleben können – selbst wenn sie im Schatten ruhen.

Das Testprotokoll sah vor, dass Freiwillige eine 41,7 °C heiße Wärmekammer betraten, in der die Luftfeuchtigkeit langsam erhöht wurde, bis ihre Kerntemperatur einen Wendepunkt erreichte. An diesem Wendepunkt begann die Kerntemperatur der Probanden rapide zu steigen. Die Temperatur-Feuchtigkeits-Kombination, bei der dieser Wendepunkt eintrat, markiert den Übergang von kompensierbarem zu nicht kompensierbarem Hitzestress. Einfach ausgedrückt: Die Studie fand die Umweltbedingung, bei der die biologischen Prozesse der Probanden nicht mehr ausreichten, um sie abzukühlen.

Die Tests endeten jedoch nicht dort. Mit Informationen über die Bedingungen, die zu nicht kompensierbarem Hitzestress führten, kehrten die Probanden für drei weitere Sitzungen in die Kammer zurück. Eine davon war eine Kontrollsitzung bei niedrigerer Temperatur, während die beiden anderen die Fähigkeit der Probanden testeten, über neun Stunden unter Bedingungen knapp über oder unter dem identifizierten Wendepunkt zu thermoregulieren. Die extreme neunstündige Dauer des Testprotokolls – die längste Studie dieser Art, die mir bekannt ist – sollte sicherstellen, dass sich die Kerntemperatur der Probanden, wenn möglich, unterhalb der mit Hitzschlag assoziierten Schwelle von 40 °C stabilisieren konnte.

Während der Sitzung mit Bedingungen knapp über dem nicht kompensierbaren Niveau wurden acht von zwölf Probanden vor Abschluss der neun Stunden aus dem Test genommen. Diese Personen erreichten alle die Sicherheitsgrenze des Protokolls von 39,2 °C Kerntemperatur oder zeigten Anzeichen einer Hitzekrankheit wie Übelkeit und Schwindel. Durch die Analyse der Anstiegsrate der Kerntemperatur kamen die Forscher zu dem Schluss, dass ein Hitzeschlag – und möglicherweise der Tod – im Durchschnitt nach 9,8 Stunden Exposition eintreten würde.[1]

Abgesehen von der Testdauer ist diese Studie einzigartig, weil die Temperatur während der Tests sowohl über als auch unter dem Wendepunkt konstant bei 41,7 °C lag. Um tödliche Umweltbedingungen zu ermitteln, veränderten die Forscher stattdessen die Luftfeuchtigkeit. Die Feststellung, dass nach 9,8 Stunden ein Hitzeschlag eintreten würde, basierte auf einer Feuchtkugeltemperatur von etwa 33,7 °C – nicht auf der Umgebungstemperatur allein.

Feuchtkugeltemperatur (T_wb) – Ein wissenschaftlicher Index

Die Feuchtkugeltemperatur (T_wb) ist ein gängiger thermischer Index in der menschlichen Hitzeforschung, weil die Temperatur allein unter heißen Bedingungen die Grenzen der menschlichen Überlebensfähigkeit schlecht beschreibt. Bereits 1905 stellte der Forscher J.S. Haldane fest, dass Männer unter trockenen, schattigen Bedingungen Temperaturen über 48,9 °C „ohne große Unannehmlichkeiten“ aushalten können. Haldane bemerkte auch, dass dies unter feuchten Bedingungen nicht gilt, wenn der Schweiß nicht von der Haut verdunsten kann.

Wir haben die Rolle der Luftfeuchtigkeit bei der Thermoregulation bereits in früheren Beiträgen untersucht (siehe dieses Video für eine kurze Erklärung). Schwitzen kühlt uns, wenn thermische Energie aus unserem Körper in den Schweiß übergeht und dieser zu Wasserdampf verdampft. Dieser Phasenübergang verbraucht große Mengen thermischer Energie, wodurch die Schweißverdunstung effizient Körperwärme an die Umgebung abgibt.

Eine Feuchtkugeltemperatur berücksichtigt diesen Verdunstungsprozess. T_wb wird gemessen, indem ein mit Wasser gesättigter Baumwollüberzug über ein Thermometer gezogen wird. Das Thermometer kühlt durch Verdunstung am Baumwollüberzug – genau wie unsere Hautoberfläche durch Schweißkühlung. Da die Verdunstung thermische Energie verbraucht, kann T_wb niemals die Umgebungstemperatur überschreiten.

Die Menge der Kühlung hängt jedoch direkt vom Feuchtigkeitsgehalt ab. In sehr trockenen Bedingungen – wie in der Wüste – führt die Verdunstung zu einem T_wb, der deutlich unter der Umgebungstemperatur liegt. Umgekehrt entspricht bei 100 % relativer Luftfeuchtigkeit der T_wb der Umgebungstemperatur, da keine Verdunstung (und damit keine Kühlung) möglich ist.

Da T_wb die menschliche Fähigkeit zur Thermoregulation durch Schwitzen nachbildet, wird er in Studien über menschliche thermische Grenzwerte häufig verwendet. Auf physikalischer Grundlage wurde einst ein absoluter Grenzwert der menschlichen Überlebensfähigkeit von 35 °C T_wb vorgeschlagen – entsprechend der Temperatur, die die Hautoberfläche nicht überschreiten darf, um einen ausreichend großen thermischen Gradienten zur Ableitung der metabolischen Wärme aus grundlegenden biologischen Prozessen aufrechtzuerhalten (also der Körperwärme, die als Nebenprodukt der Organfunktion entsteht).

Inzwischen haben Forscher durch Experimente den absoluten T_wb-Grenzwert für das menschliche Überleben verfeinert. Die zuvor besprochene Studie ist ein Beispiel dafür und zeigt, dass die Schwelle für junge, gesunde Erwachsene eher bei einem T_wb von 32,2 °C liegt (und dass ein T_wb-Wert von 33,7 °C in weniger als 10 Stunden tödlich ist). Forschungsprotokolle mit leichter körperlicher Aktivität, wie Gehen, finden Schwellenwerte sogar noch niedriger – um die 27,8 °C.

Glücklicherweise wird T_wb selten über 35 °C gemessen – aber Prognosen für die kommenden Jahrzehnte sagen voraus, dass dies in manchen Regionen der Welt deutlich häufiger der Fall sein wird. Bereits heute treten extreme feuchte Hitzezustände mehr als doppelt so oft auf wie im Jahr 1979!

Ein interessantes Beispiel für die Forschung zu thermischen Überlebensgrenzen des Menschen ist die sogenannte „Hitzetodlinie“, die Elizabeth Schickele 1946 vorschlug. Ihre Arbeit für das US-Militär untersuchte Umweltbedingungen bei 157 hitzebedingten Todesfällen von Rekruten während des Trainings im Zweiten Weltkrieg. Das daraus resultierende Diagramm zeigt die Beziehung zwischen Temperatur (links) und Luftfeuchtigkeit (als Dampfdruck, oben und unten im Diagramm) – eine der grundlegenden Studien zu den kombinierten Auswirkungen von Hitze und Feuchtigkeit auf das menschliche Überleben.

Elizabeth Schickeles „Hitzetodlinie“. Die Kästchen „A“ und „B“ oberhalb der Linie zeigen Temperatur-Feuchtigkeits-Bedingungen, bei denen Hitzekrankheit und Hitzetod bei Rekruten dokumentiert wurden.

Feuchtkugel-Globetemperatur (WBGT) – Der arbeitsmedizinische Standard

Die alleinige Verwendung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit reicht bei der Feuchtkugeltemperatur nicht aus, um andere Umweltfaktoren zu berücksichtigen, die den Hitzestress beeinflussen – insbesondere Sonnenstrahlung. Um einen geeigneten Index für Arbeiten unter freiem Himmel zu schaffen, wurde der WBGT-Index entwickelt (Wet Bulb Globe Temperature).

Der WBGT-Index hat seinen Ursprung im US-Militärtraining. In den 1950er-Jahren führten Militärärzte Studien durch, um Umweltbedingungen zu untersuchen, die bei Armee- und Marine-Rekruten zu Hitzekrankheiten (und gelegentlich zu Hitzetod) führten. Da das meiste militärische Training im Freien stattfindet, wurde schnell klar, dass ein neuer thermischer Index erforderlich war, um gefährliche Bedingungen für unausgebildete Rekruten zu erkennen. Mithilfe epidemiologischer Methoden wurde quantifiziert, wann das Zusammenspiel von Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Wind und Sonnenstrahlung zu erhöhtem Auftreten von Hitzekrankheiten führte.

Das Ergebnis war der WBGT-Index, der heute vom US-Militär und vielen Arbeitsorganisationen verwendet wird. Ein WBGT-Wert ist ein gewichteter Durchschnitt aus drei Thermometern, die verschiedene Umweltbedingungen messen. Den größten Anteil (70 %) macht der Twb aus – ein perfekter Indikator für schwitzende Menschen, ideal für einen thermischen Index für das Militär. Die Umgebungstemperatur im Schatten macht nur 10 % des WBGT-Werts aus. Der geringe Anteil reflektiert, dass die Lufttemperatur allein ein schlechter Indikator für Hitzestress ist.

Das dritte Instrument ist ein „Schwarzkugel“-Thermometer – ein Thermometer in einer hohlen, schwarzen Metallkugel. Diese absorbiert Sonnenstrahlung, was die Temperatur im Inneren erhöht. Mit 20 % Anteil am Gesamt-WBGT-Wert reflektiert die Schwarzkugel die zusätzliche Hitzebelastung durch Sonnenlicht.

Heute nutzt das US-Militär WBGT-Werte zur Anpassung der Aktivitäten bei verschiedenen Hitzestressstufen. Das technische Handbuch der Armee (TB Med 507) empfiehlt Wasseraufnahme, Arbeits-Ruhe-Zyklen und Dauer der ununterbrochenen Arbeit je nach Aufgabe – von „leicht“ bis „sehr schwer“.

Militärische WBGT-Richtlinien für intermittierende Trainingsaktivitäten in heiß-feuchten Umgebungen. Temperaturwerte stammen vom WBGT-Index, nicht von der Umgebungstemperatur.

Für den Außeneinsatz konzipiert, ist der WBGT-Index einer der am häufigsten verwendeten thermischen Indizes zur Bewertung von beruflichem Hitzestress. Organisationen wie die Arbeitsschutzbehörde OSHA, das American College of Sports Medicine und das Korey Stringer Institute verwenden ihn. Selbst einige Schulbezirke nutzen den WBGT-Index zur Risikobewertung für spielende Kinder im Freien.

Hitzeindex (HI) – Häufiger, weniger nützlich

Der Hitzeindex ist dem T_wb ähnlich, da er Temperatur und Luftfeuchtigkeit kombiniert, um eine „gefühlte Temperatur“ zu berechnen, die den kühlenden Effekt des Schwitzens berücksichtigt. Neben der Umgebungstemperatur ist der Hitzeindex einer der am häufigsten verwendeten thermischen Indizes in den USA.

Der Hitzeindex basiert auf Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Thermoregulation und Annahmen aus dem Jahr 1979. In sehr heißen Bedingungen argumentieren jedoch viele Forscher, dass der Hitzeindex „physikalisch unrealistische Ergebnisse“ liefert. Bei extrem heißen oder feuchten Bedingungen werden Werte mithilfe mathematischer Extrapolation berechnet. Einer Schätzung zufolge sind etwa 1 % der heißen, feuchten Sommertage an einem Studienstandort in Oklahoma „undefiniert“ gemäß der aktuellen Berechnung (d. h. es wird ein Wert angegeben, der aber keine akkurate „gefühlte Temperatur“ mehr ist). Mit steigender Temperatur und Luftfeuchtigkeit wird die Häufigkeit solcher „undefinierten Bedingungen“ nur zunehmen.

Die Unsicherheit in der Berechnung des Hitzeindex unter heißen, feuchten Bedingungen führt dazu, dass er in der wissenschaftlichen Forschung seltener verwendet wird. Dennoch wird er gelegentlich in Studien einbezogen. Eine Forschergruppe, die eine Methode zur Erweiterung des Indexes für extreme Bedingungen entwickelte, schätzte, dass ein Hitzeindex-Wert von 71,7 °C das Limit darstellt, bei dem gesunde Menschen ohne aktive Kühlung überleben können.

(Nebenbei bemerkt enthielt die Studie eine meiner Lieblingszeilen aus einem thermoregulatorischen Fachartikel: Wissenschaftliche Berichte sind meist trocken, aber die Forscher machten deutlich, dass ihre Annahmen einen „idealen Menschen ohne Scham“ beinhalten – also jemanden, der bereit ist, sich komplett auszuziehen, um die Thermoregulation zu maximieren. Ich denke, in einer extremen, lebensbedrohlichen Hitzesituation ist das durchaus angemessen!)

Trotz wissenschaftlicher Vorbehalte wird der Hitzeindex in den USA häufig verwendet, um vor extremer Hitze zu warnen. Die folgende Grafik zeigt den Zusammenhang zwischen Temperatur und Luftfeuchtigkeit und verdeutlicht, wie stark Luftfeuchtigkeit das Wärmeempfinden beeinflusst. Zum Beispiel kann sich ein Tag mit 37,8 °C in Tucson bei weniger als 15 % Luftfeuchtigkeit wie etwa 35 °C anfühlen. Mit steigender Luftfeuchtigkeit und abnehmender Verdunstung übersteigt der Hitzeindex schnell die tatsächliche Umgebungstemperatur.

Der Hitzeindex – „gefühlte Temperaturen“ bei verschiedenen Umgebungsbedingungen. Quelle: National Weather Service

Weitere Indizes

Es gibt weitere thermische Indizes, die entwickelt wurden, um die Grenzen von WBGT und T_wb  zu überwinden. Zum Beispiel wurde der Universal Thermal Comfort Index (UTCI) entwickelt, um individuellen Hitzestress genauer zu erfassen. Dieser Index umfasst fortschrittliche physiologische und Bekleidungsmodelle sowie Umweltvariablen wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Leider sind solche Indizes weniger benutzerfreundlich, da sie individuelle Eingaben zu Kleidung, Ausrüstung oder freiliegender Hautoberfläche erfordern.

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Über den Autor: Dr. Erik Patton hat an der Duke University promoviert, wo er zur Herausforderung steigender Temperaturen im militärischen Training forschte. Als Veteran der US-Armee diente Erik in einer Vielzahl extremer Klimazonen – von Wüsten im Südwesten der USA und im Nahen Osten (48,9 °C) bis zu arktischen Bedingungen in Zentralalaska (−41 °C).

[1] Es ist erwähnenswert, dass die Kerntemperatur auch dann weiter anstieg, wenn die Probanden den Test unter Bedingungen knapp unterhalb des Wendepunkts von kompensierbarem zu nicht kompensierbarem Hitzestress durchführten. Die Anstiegsrate war jedoch deutlich geringer, sodass die Forscher zu dem Schluss kamen, dass es etwa 35 Stunden kontinuierlicher Exposition bedürfte, um einen Hitzeschlag auszulösen.