Ozon und UV-Strahlung

Der Sommer ist die Zeit, in der sich die Menschen vermehrt im Freien aufhalten und das warme Wetter genießen. Die Sommerfreuden sind allerdings nicht ungetrübt. Wir wollen uns in dieser Sendung mit zwei Umweltphänomenen beschäftigen, denen wir im Sommer vermehrt ausgesetzt sind. Es handelt sich um die UV-Strahlung und das Thema Ozon. Wie wir sehen werden, hängen diese beiden Faktoren sehr eng miteinander zusammen. Beginnen wir also mit der UV-Strahlung.

UV-Strahlung, Ozon in der Stratosphäre

Die UV-Strahlung ist die für den Menschen unsichtbare elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen, die unterhalb des sichtbaren Lichts liegen. Von der Sonne wird ein breites Spektrum an Strahlen abgegeben, knapp 52 % liegen im sichtbaren Bereich, 3,6 % im UV-A-Bereich und etwa 0,4 % im UV-B-Bereich. Das UV-Spektrum wird üblicherweise in drei Teile unterteilt, nämlich UV-A, UV-B und UV-C. UV-A ist der UV-Anteil mit einer Wellenlänge zwischen 380 und 315 Nanometern, dann kommt das UV-B, unter 280 Nanometern folgt dann das UV-C.

Die ultraviolette Strahlung ist energiereicher als das sichtbare Licht, sie kann deshalb chemische Reaktionen in der Atmosphäre, auf Oberflächen, im Wasser und vor allem in Organismen antreiben. Die Ozonschicht der Atmosphäre ist ein Filter, der den unter 290 Nanometern liegenden UV-Bereich vollständig abschirmt. Ohne Ozonschicht wäre Leben auf der Erde nicht möglich, da die UV-Strahlung wichtige Grundbausteine des Lebens schädigt, z.B. die Erbsubstanz oder auch Eiweißmoleküle. Allerdings ist es mit dem Filter in der Atmosphäre nicht zum Besten bestellt.

Die Ozonschicht in der Atmosphäre befindet sich in der Stratosphäre in 15 bis 35 km Höhe über dem Erdboden. Die Bedingungen für die Ozonbildung sind nur in einer schmalen Schicht der Atmosphäre optimal. Für die Ozonbildung sind die Anwesenheit von molekularem Sauerstoff und die Einwirkung energiereicher UV-C-Strahlung erforderlich.
90 bis 95 Prozent des in der Atmosphäre vorhandenen Ozons befinden sich in dieser Schicht. Wie die meisten Menschen sicherlich wissen, haben wir seit vielen Jahren ein Ozonloch über der Südhalbkugel. 1985 schlugen Forscher Alarm, weil die Ozonmenge über der Antarktis seit 1977 um etwa 40 % abgenommen hatte. Besonders niedrig liegen die Ozonwerte in der Antarktis nach dem Ende der Polarnacht (September/Oktober). Das Ozon in der untersten Stratosphäre ist dann praktisch völlig abgebaut. Ab Ende November steigt die Ozonkonzentration wieder an, weil ozonreiche Luft aus mittleren Breiten zufließt. Das Ozonloch überdeckt etwa 7 % der Oberfläche der südlichen Halbkugel. Inzwischen sind eine ganze Reihe von Substanzen bekannt, die den Ozonabbau fördern. Die Hauptrolle beim Ozonabbau spielen Chlor- und Bromradikale. Sie werden aus Halogenverbindungen freigesetzt, die zu rund 80 % anthropogenen Ursprungs sind.

Am bekanntesten sind hier die Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs) und die Halone. Die Entdeckung des Ozonlochs führte international zu einem Verbot der FCKWs. Wissenschaftler gehen davon aus, dass das Ozonloch erst bis zum Jahr 2070 wieder so klein sein wird wie zu Beginn der Messungen 1979. Einer Meldung der American Geophysical Union vom Februar 2009 zufolge könnte die Erholung der lebensnotwendigen Schutzschicht der Erde durch den Klimawandel erheblich verzögert oder sogar völlig blockiert werden.

Auch über der Nordhalbkugel ist die Ozonschicht über Jahrzehnte hinweg dünner geworden. Die Ozonverluste sind von Jahr zu Jahr und auch regional sehr unterschiedlich. Besonders niedrige Ozonwerte wurden im Frühjahr 1996 und im Frühjahr 2005 gemessen. Über den mittleren nördlichen Breiten hat die Ozonkonzentration in den letzten 40 Jahren im Mittel um 10 % abgenommen. Eine Verringerung der stratosphärischen Ozonkonzentration führt auf der Erde zu einer intensiveren UV-B-Einstrahlung. Für Bayern wurde innerhalb der letzten 40 Jahre eine Zunahme der UV-Strahlung um 15 Prozent festgestellt. Als Faustregel kann gelten: Bei einer Ozonabnahme um 1,5 % steigt die UV-B-Strahlung um 1 %. Der größte Anstieg erfolgte im Frühjahr, also gerade in der Jahreszeit, in der Menschen und Pflanzen besonders UV-empfindlich sind. Sogenannte Ozon-Minilöcher können für zwei bis vier Tage eine noch stärkere Erhöhung der UV-Strahlung verursachen. Man rechnet erst für das Jahr 2050 damit, dass die UV-Strahlungswerte im Sommer und Herbst wieder auf das Niveau von 1970 zurückgehen. Zwischenzeitlich kann im Frühjahr die Intensität des UV-B sogar noch leicht zunehmen.

Im Rahmen des Forschungsprojekts „UV-Strahlung in Bayern“ wurde herausgefunden, dass auf die Oberfläche des menschlichen Körpers teilweise mehr ultraviolette Strahlung fällt, als durch die routinemäßigen Messungen angegeben wird. Beim stehenden Menschen absorbiert die Haut sehr viel mehr UV-Strahlung, als das Messgerät anzeigt.

UV-Strahlung und Gesundheit

Was geschieht in der Haut bei Einwirkung von UV-Strahlen?

UV-Strahlen können in die Haut eindringen und werden dort absorbiert (geschluckt). UV-B wird zu 90 Prozent schon in der Hornschicht absorbiert, während UV-A auch in tiefere Hautschichten eindringt.
Die Hautbräunung ist der wichtigste körpereigene Schutzmechanismus gegen die schädlichen Auswirkungen der UV-Strahlen.

Durch das UV-Licht werden aber auch Hautschäden verursacht. Bei der Absorption der Strahlung in der Haut wird Energie frei. Sie übt dort eine schädigende Wirkung auf das Bindegewebe und die DNA (Erbsubstanz) aus, die in den Kernen der Hautzellen enthalten ist.

Die schädigende Wirkung der UV-Strahlung erfolgt größtenteils direkt, teilweise wird sie aber auch über freie Radikale vermittelt, die in den oberflächlichen Hautschichten unter Strahleneinwirkung aus Sauerstoff gebildet werden.

Welche Hautschäden kann UV- Strahlung längerfristig verursachen (chronische Lichtreaktion)?

UV-Licht, vor allem UV-B, ist mutagen, das heißt, es kann die Erbsubstanz (DNA) schädigen. UV-B wird direkt von der DNA absorbiert, es ist daher stärker erbsubstanzschädigend als UV-A. In Verbindung mit UV-Strahlung können aus Sauerstoff sogenannte freie Radikale entstehen. Dies sind hochreaktive Stoffe, die durch Oxidation Zellbestandteile schädigen oder zerstören können.

Meist werden die UV-bedingten Schäden an der DNA repariert, fehlerhafte Teile werden „ausgeschnitten“ und durch intakte ersetzt, und es resultieren keine bleibenden Schäden.

Bei irreparabler Schädigung wird ein „Untergangsprogramm“ der Zelle aktiviert, und diese stirbt ab (Apoptose). Wurden die Schäden durch eine UV-Strahlung ausgelöst, wie das bei einem Sonnenbrand der Fall ist, nennt man solche Zellen „sunburn cells“.

Bei unvollständiger oder fehlerhafter Reparatur entstehen sogenannte mutierte Zellen.

Bestimmte mutierte Zellen können sich auch vermehren, auf dieser Basis kann ein Tumor entstehen (Melanom, Basaliom, aktinische Keratosen, Plattenepithelkarzinom).
Die Tumorentstehung wird zusätzlich durch eine UV-bedingte Schwächung des Immunsystems der Haut begünstigt.

Die vorzeitige Hautalterung (aktinische Elastose) ist hauptsächlich UV-A-bedingt:

Es kommt zu einer Verdickung der Haut durch vermehrte Zellneubildung und Störungen bei der Ausformung der Zellen.

Die Verbindung zwischen den elastischen Fasern wird gelockert und Kollagen teilweise abgebaut. Die Haut wird schlaff und neigt zu Falten.

Es kommt zu einer scheckigen Pigmentierung der Haut mit vermehrtem Auftreten von Altersflecken und einer kosmetisch störenden Erweiterung der Blutgefäße.

Nach neuesten Studien der Universität Sydney wurde die gesundheitsschädliche Wirkung von UV-A bisher unterschätzt. Auch UV-A-Strahlen erhöhen das Hautkrebsrisiko, was die angebliche Unbedenklichkeit von Solarien in Frage stellt, die meist nur mit dem UV-A-Spektrum arbeiten.

Alle 10 Jahre verdoppelt sich die Zahl der Hautkrebspatienten, so die Experten vom Hautkrebszentrum in Bochum. In Deutschland gibt es derzeit pro Jahr 100.000 neue Patienten. Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) geht davon aus, dass in den Industrieländern bei der weißen Bevölkerung jede zweite Person im Laufe ihres Lebens an einem Hautkrebs erkranken könnte.

Besonders gesundheitsschädlich und krebsfördernd ist ein Sonnenbrand bei Kindern unter fünf Jahren.

Sonstige UV-Schäden bei Menschen

Eine starke UV-Strahlung kann eine Bindehaut- oder Hornhautentzündung des Auges hervorrufen. Chronische Folgen sind: Linsentrübungen, degenerative Veränderungen der Bindehaut und Netzhaut. Häufige Sonnenbestrahlung bewirkt eine Schwächung des Immunsystems.

Positive Wirkung der UV-Strahlung

UV-Strahlung wird benötigt für die Bildung von Vitamin D3 in der Haut. Hierfür reicht es aber schon, wenn man ca. 10 Minuten pro Tag in die Sonne geht. Viele Menschen berichten über einen positiven Effekt auf ihre Psyche bei Sonnenbestrahlung. Diese Wirkung wurde auch in Studien nachgewiesen, wobei noch keine biochemische Erklärung dafür gefunden wurde. Serotonin, Melatonin und Endorphine werden durch Sonnenbestrahlung nicht wesentlich beeinflusst.

Ozon/Sommersmog

Wie bereits erwähnt, haben wir das Problem, dass die Ozonschicht in der Stratosphäre ausgedünnt ist. An der Erdoberfläche hingegen nimmt die Ozonkonzentration zu.

Seit den 60er Jahren hat sich der so genannte „Ozonhintergrund“ fast verdoppelt. Die Globalisierung hat inzwischen auch das Ozon erreicht. So konnten Schweizer Forscher nachweisen, dass Luftschadstoffe einschließlich Ozon aus europäischen Ländern bis 4.000 km in die Höhe gelangen und sogar nach Nordafrika verfrachtet werden. Die europäischen Länder wiederum erhalten vermehrt Ozon über die Westwinde aus Nordamerika, weil dort der Energieverbrauch in den letzten Jahrzehnten stark angestiegen ist. Man geht davon aus, dass der Ozonhintergrund durch steigende Methan- und Kohlenmonoxidemissionen weiter ansteigen wird.

Für sehr hohe Ozonkonzentrationen ist eine intensive Sonnenstrahlung über mehrere Tage erforderlich, wie dies bei langanhaltenden Schönwetterperioden im Sommer der Fall ist. Durch die UV-Strahlung der Sonne bildet sich aus Stickoxiden und Kohlenwasserstoffen Ozongas. Stickoxide entstehen vor allem durch den Autoverkehr, werden aber auch aus überdüngten Böden freigesetzt.

Die höchsten Ozonkonzentrationen sind im Sommer am späten Nachmittag oder in den frühen Abendstunden nachweisbar. Wenn die Intensität der UV-Strahlung nachlässt, sorgen die gleichen Gase, die zur Ozonbildung beitragen, auch für dessen Abbau. Deshalb ist paradoxerweise die Ozonkonzentration in verkehrsreichen Innenstädten oft niedriger als in ländlichen Gebieten oder am Stadtrand, weil der abendliche Autoverkehr den Ozonabbau fördert. In so genannten „Reinluftgebieten“ bleibt die Ozonkonzentration länger erhöht. Beim Ozon könnte man sagen: Die Stadt macht´s, das Land hat´s.

Daraus kann man aber nicht ableiten, dass man bei Ozonbelastung vermehrt Auto fahren sollte, weil die Gesamtozonbelastung überregional von der Menge der emittierten Stickoxide abhängt.

Das Ozon ist die Leitsubstanz des Sommersmogs. Doch durch die intensive UV-Strahlung entstehen in der Luft eine ganze Reihe von Substanzen, die man als Photooxidantien bezeichnet, wie z.B. Peroxiacetylnitrat (PAN), Formaldehyd, Acrolein und vieles mehr. Diese Photooxidantien verursachen hauptsächlich die Reizung der Schleimhäute, von Augen und Atemwegen, die man an heißen Tagen beobachten kann.

Wie gefährlich ist das Ozon?

Viele können sich sicher noch an den sehr heißen Sommer 2003 erinnern. Einer Studie der WHO zufolge sind wahrscheinlich ein Drittel der 20.000 Hitzetodesfälle in Europa nicht auf die Temperatur, sondern auf das Ozon zurückzuführen.

Aphea-2, eine Studie der EU, hat die gesundheitliche Wirkung von Ozon unter die Lupe genommen. 40 Mio. Menschen wurden dabei erfasst, mit dem Ergebnis, dass vor allem körperlich angeschlagene Menschen an hohen Ozonkonzentrationen sterben können. Wer Probleme mit der Atmung und dem Kreislauf hat, lebt an Tagen mit hoher Ozonbildung gefährlich.

Ozon ist ein starkes Oxidationsmittel und kann deshalb verschiedene Biomoleküle angreifen und schädigen, besonders die schwefelhaltigen Aminosäuren Cystein und Methionin. Man geht davon aus, dass ca. 12 – 15 % der Bevölkerung ozonempfindlich sind. Besonders empfindlich sind Kinder, bei denen in US-Studien schon bei einer Ozonkonzentration von 100 µg pro Kubikmeter Lungenfunktionsstörungen nachgewiesen wurden.

Bei reger körperlicher Aktivität werden im Allgemeinen ab einer Konzentration von 160 µg/ m3 Einschränkungen der Lungenfunktion nachgewiesen. Bei Sport oder intensiver körperlicher Betätigung ist das Atemminutenvolumen erhöht, dadurch gelangt mehr Ozon in die Lunge. Bei einer Konzentration von über 240 µg/m3 ist die Lungenfunktion bei den meisten Menschen um ca. 15 % eingeschränkt, bei manchen sogar um 30 %.

Bei längerer Ozonbelastung ist ein gewisser Gewöhnungseffekt zu beobachten. Interessanterweise treten in den stark ozonbelasteten Vororten von Los Angeles Asthmaanfälle oder chronische Atemwegserkrankungen nicht häufiger auf als anderswo. Es muss immer wieder betont werden, dass Ozon zwar eine Leitsubstanz des Sommersmogs ist, aber keineswegs der alleinige Maßstab für die Luftqualität. Auch bei normalen Ozonkonzentrationen können zahlreiche andere gesundheitsschädliche Stoffe in der Luft sein.

Wie kann man sich gegen die UV-Strahlung und gegen den Sommersmog schützen?

Zuerst wollen wir auf den internen Sonnenschutz eingehen. Die Haut bietet mit ihrer Oberfläche von 1,5 – 2 qm einen großflächigen Kontakt mit der Außenwelt. Die UV-Strahlen und der photochemische Smog induzieren im Organismus hohe Bildungsraten freier Radikale. Untersuchungen haben ergeben, dass ein 6 – 7-stündiges Sonnenbad am Meer zu einem deutlichen Anstieg des Messwertes für freie Radikale führt (Malondialdehydkonzentration). Ein solcher Anstieg des Radikalmesswerts signalisiert nicht nur eine verstärkte Oxidation von Zellbestandteilen, sondern gleichzeitig eine Überbelastung des antioxidativen Schutzsystems.

Zur Erläuterung: Freie Radikale sind chemisch sehr reaktionsfreudige Moleküle, die mit allen möglichen Biomolekülen reagieren können. Die Gegenspieler der freien Radikale sind die Antioxidantien, zu denen körpereigene Enzyme, Spurenelemente, Vitamine sowie zahlreiche sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe gehören.

Nach einer Sonnenbestrahlung nimmt sowohl die Vitamin-E- als auch die Vitamin-C-Konzentration der Haut signifikant ab. Besonders drastisch und anhaltend ist die Abnahme der Vitamin-C-Konzentration. Die durch die UV-Strahlung gebildeten freien Radikale führen auch zu Lichtallergien im Frühjahr. Eine Nahrungsergänzung mit Vitamin C und E erhöht die Schwellendosis für die Auslösung von Sonnenbränden.

Unter den sekundären Pflanzeninhaltsstoffen haben insbesondere die Phenolsäuren ein starkes antioxidatives Potenzial und schützen vor UV-bedingten Schäden. Sie vermindern auch entzündliche Reaktionen der Haut. Zu diesen Substanzen gehört die Ferulasäure, die hauptsächlich im Vollkorn und in der Kleie vorkommt. Quercetin ist ein weitverbreitetes Flavonoid mit hohen Konzentrationen in Äpfeln, Zwiebeln und Broccoli. Weitere UV-protektive Pflanzeninhaltsstoffe sind Apigenin (z.B. in Sellerie, Broccoli, Lauch), Genistein (z.B. in Sojabohnen) und Resveratrol (Weintrauben). Auch Gewürze wie Rosmarin und Salbei sowie Schwarz- und Grüntee können die Haut schützen.

Zum inneren Schutz der Augen vor UV-bedingten Schäden können ebenfalls bestimmte Gemüse und Früchte beitragen, z.B. Spinat, schwarze Johannisbeere, Heidelbeeren etc.

Zum Schluss noch einige aktuelle Studien zum Thema Ozon

dradio.de, 27.11.2007:
Ozon mindert zukünftige Ernten – Ökonomen sorgen sich um Giftwirkung des Klimagases
Die landwirtschaftliche Produktion könnte durch steigende Ozonwerte um 5 bis 10 Prozent zurückgehen.

TheEpochTimes, 07.12.2007:
Ozon verantwortlich für hohe Sterblichkeit bei Hitzewelle
Nach einer US-amerikanischen Studie spielt die Ozonbelastung bei Hitzewellen eine Schlüsselrolle für die Entstehung von Infarkten und Schlaganfällen. Wenn an einem Tag die Temperatur um 10 Grad ansteigt, nimmt die Zahl der Infarkte und Schlaganfälle bei geringen Ozonwerten lediglich um ein Prozent zu, bei hoher Ozonbelastung dagegen um acht Prozent.

Focus online.de, 06.10.2008:
Forscher sehen Ozongefahr
Britische Wissenschaftler warnen vor den globalen Folgen gestiegener Ozonwerte. Es drohten häufigere Missernten sowie Atemwegserkrankungen. Die Ozonhintergrundwerte stiegen seit 1980 um 6 Prozent pro Jahrzehnt an.

aerzteblatt.de, 12.03.2009:
Ozon erhöht Sterblichkeit an Atemwegserkrankungen
Menschen, die in Gegenden mit erhöhter Ozonkonzentration leben, haben ein erhöhtes Risiko, an den Folgen von Atemwegserkrankungen zu sterben.