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Licht und Gesundheit

Tageslicht

Die mittlere horizontale Beleuchtungsstärke des Tageslichtes schwankt in weiten Bereichen. Bei bedecktem Himmel um 12:00 Uhr – je nach Jahreszeit, geographischer Ortslage und Wolken- bzw. Dunstanteil – beträgt die Beleuchtungsstärke zwischen 6000 lx und 20 000 lx. Bei Sonnenschein und klarem Himmel sind es sogar über 100000 lx. Bei Mondschein messen wir etwa 0,1 lx. Diese Dynamik des Lichtangebotes wird als normal und natürlich empfunden und vermittelt dem Menschen Wohlempfinden.

In Arbeitsstätten und Aufenthaltsräumen dagegen sind Beleuchtungsstärken installiert, die zur Bewältigung der Sehaufgaben notwendig sind und in der Regel nicht höher als 500 lx liegen – ohne wesentliche Dynamik im Beleuchtungsniveau, bei Bedarf rund um die Uhr.

Die Lichtfarbe des Tageslichts schwankt ebenfalls in weiten Grenzen. Am frühen Morgen wird das Tageslicht mehr durch die „warmen“, d.h. langwelligen Teile des Spektrums der aufgehenden Sonne bestimmt. Wir sprechen vom Morgenrot. Bald danach wird das Tageslicht bis zur Mittagszeit mehr und mehr durch blaue, kältere Farbtöne beeinflusst, die bei blauem Himmel besonders stark ausgeprägt sind. Am Abend sind es wieder die warmen langwelligen Strahlungsanteile der untergehenden Sonne, die das Abendrot ausmachen. Die Ursache von Morgen- und Abendrot ist die stärkere Brechung der blauen Strahlungsanteile und deren Wegreflexion in den Weltenraum auf dem verlängerten Lichtweg von der Sonne zur Erde. Die aus blauem Himmel und dem Sonnenlicht gemischte Farbtemperatur des Tageslichtes durchläuft einen Bereich von etwa 10000 Kelvin (K) am Mittag bis 3000 K (Abendrot). Der blaue Himmel selbst hat eine Farbtemperatur von etwa 20000 K, die Sonne nur von etwa 5000 K. Der Mond hat eine Farbtemparatur von etwa 4200 K.

Lange Zeit galt das Auge ausschließlich als Sehorgan. Die Beleuchtungstechnik sah ihre wesentliche Aufgabe darin, die jeweiligen Sehaufgaben durch natürliche, vor allem aber künstliche Beleuchtung angemessen zu ermöglichen. Lange gab man einer künstlichen Beleuchtung am Arbeitsplatz sogar den Vorrang vor einer natürlichen Belichtung, weil sich eine konstante künstliche Beleuchtung den Sehanforderungen am Arbeitsplatz besser anpassen lässt als das sich stark verändernde Tageslicht.

Trotzdem wird ein Arbeitsplatz am Fenster immer noch höherwertig eingeschätzt als ein fensterferner. Der Sichtkontakt nach außen ist wichtiger als gelegentliche Störungen durch starke Sonneneinstrahlung und Blendung.

Die unbegrenzten Möglichkeiten der künstlichen Beleuchtung wurden relativiert, seit dem die Grundlagen des menschlichen Timing-Systems (biologischer Rhythmus) erforscht sind.

Aufgrund der Entwicklungsgeschichte des Menschen sind die wichtigsten Lebensfunktionen vom natürlichen Ablauf von Tag und Nacht gesteuert (synchronisiert). Die Chronobiologie, die Lehre von den biologischen Rhythmen des Menschen, bezeichnet die tageslichtgesteuerten biologischen Rhythmen als circadiane Rhythmen oder auch als die vom Tageslicht gesteuerte „innere biologische Uhr“.

Der Wechsel von Hell und Dunkel des Tagesverlaufs beeinflusst u. a.

  • den Cortisolspiegel, der mit Tagesbeginn ansteigt und die Aktivität des Menschen und damit die Wachsamkeit steigert. Cortisol wird daher oft auch als Stresshormon bezeichnet
  • die Aufmerksamkeit des Menschen als Folge des Cortisolspiegels
  • den Melatoninspiegel, der in der Nacht bzw. der Dunkelzeit stark ansteigt und am Tage stark reduziert ist. Melatonin wird daher auch als Schlafhormon bezeichnet
  • die Körpertemperatur als Folge der Aktivität des Organismus.

 

Der Verlauf des Melatoninspiegels im Blut teilt den 24-Stunden-Tag in einen biologischen Tag (Arbeitstag, die ergotrope Phase) und eine biologische Nacht (Ruhetag, die trophotrope Phase) ein.


Welche Vorgänge laufen dabei ab? Allgemein bekannt ist, dass die sichtbare Strahlung von Tages- und künstlichem Licht bei den auf der Netzhaut befindlichen Lichtrezeptoren (Stäbchen für das Nachtsehen und Zäpfchen für das Tagsehen) eine chemisch-neurologische Erregung und daraufhin im Sehzentrum des Gehirns eine visuelle Hellempfindung auslöst, die durch die Wirkungsfunktionen des Auges V(∂) für das Tagsehen und V’(∂) für das Nachtsehen beschrieben wird. Dieser visuelle Vorgang führt – je nach Beleuchtungsniveau – zur entsprechenden Sehleistung (z.B. Sehschärfe und Wahrnehmungsgeschwindigkeit).

Für die circadianen Rhythmen (Timing-System, biologische Uhr) sind weitere Rezeptoren (sogenannte Blaurezeptoren) auf der Netzhaut angelegt, deren Informationen auf separaten Nervenbahnen zu einem eigens dafür spezialisierten Gehirnbereich gelangen. Diese Rezeptoren haben eine andere Wirkungsfunktion als die für die visuelle Wahrnehmung zuständigen Zäpfchen und Stäbchen. Die Wirkungsfunktion für den circadianen Rhythmus ist gegenüber den visuellen Wirkungsfunktionen zu geringeren Wellenlängen des Spektrums in Richtung blauem Licht verschoben und hat ihr Maximum im Wellenlängenbereich um ∂ = 450 nm (Nanometer).


Die circadianen Rezeptoren arbeiten unabhängig von den „visuellen“ Rezeptoren: Blinde erleben den Tag- Nacht-Rhythmus und damit die circadiane Wirkung von ausreichendem Tageslicht ebenso wie Sehende. Blinde, die jedoch die Augen verloren haben und damit auch die circadianen Rezeptoren, verlieren auch die Synchronisation mit dem natürlichen Tag-Nacht- Rhythmus. Die Menschen unterliegen dann einem„freilaufenden“ circadianen (biologischen) Rhythmus, der gegenüber dem durch das Tageslicht synchronisierten Rhythmus etwa 10 bis 20 Minuten länger als ein 24-Stunden-Tag dauert.

Melatonin

Das Regulativ vieler organischer Vorgänge im Menschen ist die Änderung der Melatoninkonzentration im Blutserum. Melatonin ist ein Hormon, das in der Zirbeldrüse (Epiphyse) im Zentralgehirn produziert wird. Der Melatoninspiegel wird als signifikanter Indikator für die Aktionsfähigkeit des Menschen, als Indikator für das Schlafbedürfnis und für die biologische Uhr angesehen.

Die Höhe des Melatoninspiegels wird direkt von der auf die Netzhaut auftreffenden Lichtenergie gesteuert. Wenig Licht bedeutet eine hohe Melatoninausschüttung und damit hohes Schlafbedürfnis. Die Körpertemperatur sinkt. Umgekehrt wird durch Licht die Melatoninproduktion unterdrückt und die Vitalität und Wachsamkeit gesteigert.

In Versuchen mit Schichtarbeitern ist durch das Angebot hoher Beleuchtungsstärken und neutralweißer bzw. hellweißer Lichtfarbe der Melatoninspiegel gesenkt und das Schlafbedürfnis und damit Müdigkeit, Konzentrationsmängel und Arbeitsfehler in der Nachtschicht signifikant verringert worden. Mit künstlichem Licht, das vor allem kurzwellige Strahlungsanteile aufweist und im Niveau hoch genug ist, kann die natürliche Phasenlage vom Tag-Nacht-Rhythmus in gewissen Grenzen verschoben werden.

Mit zunehmendem Alter wird die Amplitude des circadianen Rhythmus geringer, insbesondere durch altersund krankheitsbedingte Abbauprozesse, wie z. B. der Alzheimerschen Krankheit. Ferner wir die Netzhautbelichtung aufgrund Trübung der Augenmedien reduziert. Der Transmissionsgrad der Augenlinse nimmt besonders im kurzwelligen Bereich ab, so dass besonders circadian-wirkende Strahlungsanteile nur verringert auf die Netzhaut und zu den „Blaurezeptoren“ gelangen. Auch eine sinkende Pupillenweite bei gleicher Pupillenbeleuchtungsstärke trägt zu diesen Defiziten bei.

Der Lichtbedarf älterer Menschen steigt nicht nur für das Sehen, sondern auch für die Funktion des Timing- Systems. Diese Bedürfnisse können durch häufigen Aufenthalt im Freien kompensiert werden. Meist ist dies bei älteren Menschen jedoch aus gesundheitlichen Gründen nicht in dem Maße möglich wie nötig. Bei sich ständig im Hause aufhaltenden Menschen werden die circadianen Rezeptoren nur ungenügend stimuliert und das Timing-System gestört. Die Folge sind Befindlichkeits- und Schlafstörungen, gesteigerte motorische Unruhe und depressive Verstimmungen.


Bei Bewohnern von Senioren-, Alten- und Pflegeheimen hat man durch zeitweilig hohe Zusatzbeleuchtung am Tage, z.B. durch Einschalten einer hellen Lichtdecke in Aufenthaltsräumen, das Schlafhormon der Bewohner unterdrückt und damit die Tagesmüdigkeit auf die natürlichen Nachtzeiten verschieben können. Anstelleallgemeiner Müdigkeit und Unausgeschlafenheit am Tage sowie Schlaflosigkeit und Unruhe in der Nacht zeigten diese älteren Menschen durch zeitlich begrenzt, hohe Lichtdosen wieder einen Wachzustand am Tage und entsprechende Müdigkeit in der Nacht.

Wird der circadiane Rhythmus gestört, z. B. bei nächtlicher Schichtarbeit, können sich physiologische und psychologische, auch psychosomatische Störungen einstellen. Diese Störungen treten auch bei vielen Menschen in der dunklen Jahreszeit auf und werden als Winterdepression (Seasonal Affective Disorder – SAD) bezeichnet. Die Folge von SAD sind Beeinträchtigungen der subjektiven Stimmungslage bis hin zu Leistungsund Konzentrationsstörungen sowie Depressionen. Etwa 5% der Bevölkerung, insbesondere in nordischen Ländern mit langen, dunklen Wintermonaten, sind davon schwer betroffen. Unter SAD-Befindlichkeitsstörungen leiden nach Untersuchungen, die in den USA durchgeführt wurden, sogar 30% der Bevölkerung. Eine Behandlung durch Bestrahlung mit 2500 lx über 2 Stunden oder mit 10000 lx über 40 Minuten führten zu signifikanten Therapieerfolgen. Die Therapie der Winterdepression mit geeigneter, künstlicher Beleuchtung ist wissenschaftlich gesichert und wird auch bei anderen Krankheiten angewendet.

Auch Langstreckenreisende leiden unter Störungen der circadianen Rhythmen, dem sogenannten Jetlag- Syndrom. Aufgrund von Zeitverschiebungen bei längeren Flugreisen – vor allem beim Flug von West nach Ost – treten wegen der komprimierten Nachtphase Schlafstörungen und Unwohlsein auf, ebenso Erschöpfungsgefühl und eine eingeschränkte physische und psychische Reaktions-, Gedächtnis- und Konzentrationsfähigkeit.

Die Melatoninproduktion ist aber nicht nur vom Niveau der Beleuchtung (Beleuchtungsstärke) abhängig, sondern auch von der spektralen Zusammensetzung der Strahlung: Wie die circadiane Wirkungsfunktion zeigt, ist Licht mit Strahlungsanteilen vornehmlich im blauen Bereich besonders wirksam hinsichtlich der Unterdrückung des Schlafhormons.

Biologische Dunkelheit

Licht hat nicht nur eine visuelle Wirkung, die die Sehleistung, wie Sehschärfe und Farberkennung, ermöglicht. Licht übt auch eine ganz wesentliche und erst seit wenigen Jahren erforschte biologische, also den Organismus steuernde, nicht visuelle Wirkung aus. Die Chronobiologie betrachtet Licht aufgrund neuerer Erkenntnisse als Medikament, das wie – vergleichsweise Vitamine – „eingenommen“ werden muss, wenn Mangel besteht. Und Mangel besteht bei vielen Menschen nicht nur in den dunklen Jahreszeiten, in denen die Winterdepression (SAD) durch lichttherapeutische Bestrahlung gelindert werden kann.

Mangel an Licht kann z.B. auch bei Bewohnern von Alten- und Seniorenheimen, aber auch bei Patienten in Krankenhäusern, der Intensivpflege und bei Krankenschwestern in der Nachtschicht Befindlichkeitsstörungen auslösen, weil sich diese Menschen weniger im Freien, sondern mehr in der „biologischen Dunkelheit“ von „nur nach den technischen Regeln“ beleuchteten
Innenräumen aufhalten. Hier ist Licht und Gesundheit ein besonders aktuelles Thema.

Unter „biologischer Dunkelheit“ werden Beleuchtungsstärken verstanden, die wenig zur Synchronisation der inneren Uhr und der Regulierung des Melatoninspiegels beitragen. Erst ab Beleuchtungsstärken von 1000 lx bis 2 500 lx stellen sich circadiane Effekte ein. Für Beleuchtungsstärken um 2500 lx ist Licht mit hohen Farbtemperaturen ab etwa 8000 K notwendig.

Circadianer Wirkungsgrad

Mit Lichtquellen hoher, bisher nicht üblicher Farbtemperatur, lassen sich die circadianen Effekte auch mit niedrigen Beleuchtungsniveaus erreichen.

Daraus ergibt sich die Überlegung, die künstliche Beleuchtung mit solchen Lichtquellen zu realisieren bzw. zu ergänzen, die sowohl eine hohe visuelle Wirkung (hohe Sehleistung) als auch eine möglichst hohe circadiane Wirkung auslösen. Um das zu beurteilen, ist der circadiane Wirkungsfaktor der Lichtquellen definiert worden. Er ist das Verhältnis der Strahlungsleistung
der Lichtquelle, bewertet mit der circadianen Wirkungsfunktion (also der Wirkungsfunktion der „Blaurezeptoren“), und der Strahlungsleistung der Lichtquelle, bewertet mit der visuellen Wirkungsfunktion.

Die circadiane Wirkungsfunktion sagt also aus, wie hoch der Anteil der circadianen Wirkung der Lichtquelle bezogen auf deren visuelle Wirkung ist. Lichtquellen warmer Lichtfarbe, also mit niedriger Farbtemperatur, haben einen geringen circadianen Wirkungsfaktor. Je höher der Blauanteil im Spektrum der Lichtquelle ist, umso höher sind auch der circadiane Wirkungsfaktor
und die Anregung der Blaurezeptoren, die für die Steuerung der biologischen Funktionen verantwortlich sind.

HS Natriumdampf-Hochdrucklampen

HM Quecksilberdampf-Hochdrucklampen mit Leuchtstoff

T, TC Leuchtstoff- und Kompakt-Leuchtstofflampen

HIT Metallhalogen-Dampflampen mit Keramikbrenner,

/W warmweiße Lichtfarbe

/N neutralweiße Lichtfarbe

/D tageslichtweiße Lichtfarbe

Beleuchtungstechnische Empfehlungen

Weil für die Erfüllung der Sehaufgaben meist weniger Licht gebraucht wird als für das Timing-System, sollten Arbeitsplätze möglichst mit Tageslicht versorgt werden. Ein Arbeitsplatz am Fenster ermöglicht den Blick ins Freie. Die Defizite in Bezug auf die stimulierende Wirkung der künstlichen Beleuchtung auf die circadianen Rezeptoren können damit gemindert werden.

Auch ist es falsch, Räume mit Bildschirmen gegenüber dem Tageslicht zu verdunkeln, nur weil man die störenden Reflexe auf dem Bildschirm oder die hohen Hintergrundleuchtdichten
(Himmelsleuchtdichten) wegen falscher Aufstellung der Bildschirme nicht beherrscht.

Räume für die Schichtarbeit sollten mit Lichtquellen mit kurzwelligem Anteil – z. B. neutralweiße, ggf. sogar gemischt mit tageslichtweißer Lichtfarbe – beleuchtet werden. Wände sollten weiß und hell gestaltet sein. Damit wird ein für den circadianen Rhythmus besserer Wirkungsgrad erreicht und die Melatoninausschüttung und das Schlafbedürfnis unterdrückt und die Konzentration
gesteigert. Zur Unterstützung der biologischen Rhythmik empfehlen Chronobiologen in Innenräumen höhere Beleuchtungsstärken zu installieren als in den lichttechnischen Regelwerken festgelegt sind – nicht für den ganzen Tag – sondern zeitlich begrenzt. Vornehmlich soll hierfür das Tageslicht genutzt werden, etwa durch den Aufenthalt während der Pausen im
Außenbereich oder in Lichthöfen. Wenn das Tageslicht nicht ausreicht, muss mit künstlicher Beleuchtung nachgeholfen werden, z.B. mit sogenannten „biologischen Lichtinseln“, die mit hohen Beleuchtungsstärken und von Lichtquellen mit hohem, circadianem Wirkungsfaktor versorgt sind. Blendgefahren sind dabei strikt zu vermeiden.

Eine dem natürlichen Tageslicht nachempfundene Steuerung der künstlichen Beleuchtung – veränderbar im Niveau und in der Lichtfarbe – unterstützt in ungenügend natürlich belichteten Räumen die biologischen Funktionen des Menschen.

In Senioren- und Altenheimen, in diversen Raumgruppen des Gesundheitswesens, aber auch in Spaßbädern und anderen Wellnessbereichen, können solche Zusatzbeleuchtungen bevorzugt eingesetzt werden. Dabei sind eine indirekt bzw. direkt-indirekt strahlende Beleuchtung, Anstrahlungen von Wänden durch Wallwasher oder auch mehr diffus strahlende Lichtdecken einer reinen direkten Beleuchtung vorzuziehen, weil diese den wahrnehmungsspezifischen peripheren Sehbereich weniger erfasst.

Die Veränderung der Farbtemperatur setzt Lampen mit unterschiedlicher spektraler Zusammensetzung voraus.

RGB-Steuerung

Bei der RGB-Steuerung werden (bevorzugt) Leuchtstofflampen der „Basislichtfarben“ Rot (R), Grün (G) und Blau (B) mit elektronischen Steuerungseinheiten im Lichtstrom geregelt. Dadurch lassen sich Mischfarben von Kalt (blau) bis Warm (rot) individuell einstellen. Über programmierbare Prozessoren können Szenarien auch automatisch gesteuert werden. Solche Lichtszenarien
wirken z. B. in Aufenthalts- und Speiseräumen der Alten- und Seniorenheime, in Arztpraxen und Krankenhäuser stimulierend und ermunternd und tragen dazu bei, Angst und Unsicherheit zu verdrängen. Aber auch im Wellnesbereich und entsprechend ausgestatteten Bäder- und Freizeitanlagen können mit zusätzlichen Lichtsystemen, die im Beleuchtungsniveau und in der Lichtfarbe gesteuert sind, das Wohlbefinden der Besucher steigern und diese Räume attraktiver machen. Es sind auch positive Erfahrungen solcher RGB-Steuerungen in Intensivstationen gemacht worden, wobei der Grad der zeitlichen Abfolge und die Grenzen des Farbdurchlaufes sehr behutsam auf das Patientenbedürfnis abgestimmt sein müssen.

Weiß-weiß-Steuerung

Bei der „weiß-weiß“-Steuerung werden Leuchtstofflampen der Lichtfarbe Tageslichtweiß mit hoher Farbtemperatur (über 6 500 K) mit Lichtfarben Warmweiß mit niedriger Farbtemperatur (ca. 2700 K) gemischt. Je nach Mischungsverhältnis kann damit die Farbtemperatur der Beleuchtung entsprechend dem wichtigsten Bereich des Tageslichtes von 3000 K bis 6500 K nachempfunden
werden. Anwendungen erfolgen in nahezu allen Arbeits- und Aufenthaltsräumen, in Zahnarztpraxen und Seniorenheimen, in Intensivpflegebereichen und insbesondere dann, wenn natürliches
Tageslicht gar nicht oder nicht in ausreichender Menge zur Verfügung steht.

Neuartige Leuchtstofflampen mit Lichtfarben bzw. Farbtemperaturen bis zu 17000 K erweitern den Regelbereich insbesondere in dem circadian wirksamen blauen Spektralbereich.

Der Beleuchtungstechnik stehen Lichtmengen und physiologisch richtige Beleuchtungssysteme in hervorragender visueller Qualität zur Verfügung. Mit elektronischen Regelungs- bzw. Steuerungskomponenten können die Lichtströme der Lampen in weiten Grenzen verändert werden. Damit lassen sich Beleuchtungsniveaus und Lichtfarben auch in weiten Grenzen auf
biologisch wirksame und individuell wünschenswerte Bereiche einstellen – manuell oder als elektronisch gesteuerte Lichtszenarien. Niveauregelung ist heute bereits ein Standard.

solcher RGB-Steuerungen in Intensivstationen gemacht worden, wobei der Grad der zeitlichen Abfolge und die Grenzen des Farbdurchlaufes sehr behutsam auf das Patientenbedürfnis abgestimmt sein müssen. Weitere Entwicklungen der Lampentechnologie im Hinblick auf Lichtquellen mit hohen circadianen Wirkungsfaktoren und hoher Lichtausbeute sowie
Beleuchtungskonzepte für zeitweise deutlich höhere  als die genormten Beleuchtungsstärken werden in absehbarer Zeit die praktische Beleuchtungstechnik mit neuen Komponenten versorgen, um neue Erkenntnisse aus dem Bereich der Gesundheitsförderung durch Licht in die Praxis umzusetzen.

Die europäischen Richtlinien zum Arbeits- und Gesundheitsschutz legen Rahmen für die Gestaltung von Arbeitsstätten fest. Nationale Regelungen detaillieren diese. Allen ist gemein, dass dem Gesundheitsschutz der Menschen eine hohe Priorität zukommt. Dabei wird in Anlehnung einer Definition der Weltgesundheitsorganisation unter Gesundheit nicht nur das Freisein
klinischer Krankheiten verstanden, sondern auch die körperliche und geistige Unversehrtheit und das Wohlbefinden. Die für den Arbeits- und Gesundheitsschutz zuständigen Unfallversicherungsträger fordern daher zunehmend eine erweiterte Betrachtung der in den Normen festgelegten Gütemerkmale der Beleuchtung.

Für Aufenthalts- und Arbeitsräume wird man mehr Tageslicht – und wenn das nicht möglich ist – mehr künstliche Beleuchtung einsetzen, die im Niveau und der spektralen Zusammensetzung dem Tagesrhythmus dynamisch angepasst ist.

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