Artikel: Wehrmedizinische Monatsschrift 10/2018

Beurteilung von Hitzebelastungen mit dem Klimasummenmaß Wet Bulb Globe Temperature – Praktische Anwendung im militärischen Alltag

Andreas Werner
Zentrum für Luft- und Raumfahrtmedizin der Luftwaffe, Königsbrück

Einleitung

Trotz moderner Technologien ist auch heute noch das Arbeiten unter Hitzebelastungen ein Problem des Arbeitsschutzes. Tätigkeiten während hoher Temperaturen gefährden eine ausgeglichene Wärmebilanz des menschlichen Organismus. Hitzestress ist ein signifikanter Einflussfaktor auf die Ausübung vieler Aktivitäten und die dadurch potenziell entstehenden Verluste sollten für alle militärischen und nicht-militärischen Organisationen einen hohen Stellenwert haben (Fürsorge).

Durch Arbeitseinsätze in Regionen mit extremen klimatischen Bedingungen (heiß/trocken, warm/feucht) ist die Hitzebelastung ein wichtiger Faktor für die Durchhaltefähigkeit. Personalverluste durch Hitze resultieren aus einem Zusammentreffen von verschiedenen Voraussetzungen (Arbeitszeit, Expositionszeit, Kleidung, Umwelt, Flüssigkeits- und Mineralbilanz), die einzeln zum Teil nicht gefährlich, aber in der Summation zur Hitzeerkrankung führen können [1, 5]. Die äußeren Einflüsse werden durch die multiplen Variablen der intra- und individuellen Hitzetoleranz und des Leistungszustandes ergänzt. Zudem ist schwere, undurchlässige Schutzkleidung ein erheblicher negativer Faktor bei der Entstehung einer Hitzebelastung (Isola-tion). Der Hitzschlag ist einer ernsthaften Verwundung gleichzusetzen und kann die Verwendung einer Person für einen langen Zeitraum verhindern oder sogar tödlich enden.

Klima, Klimasummenmaße und weitere Faktoren zur Beurteilung

PhotoTab. 1: Arbeits- und Ruhezeiten sowie Flüssigkeitszufuhr für Warmwetter Konditionen anhand des WBGT-Index (modifiziert nach [6]) Einige Tabellen geben zudem noch die erforderliche aufzunehmende Flüssigkeitsmenge pro Stunde an. Dabei sollte jedoch auch an die Mineralisierung des Wassers gedacht werden. Die Belastung des Menschen durch das Klima wird durch die Kombination der einzelnen Klimafaktoren beeinflusst. Die auf den Menschen einwirkenden physikalischen Kenngrößen sind die Trockentemperatur der Luft, relative Luftfeuchtigkeit, Luftgeschwindigkeit und Wärmestrahlung. Zur Bewertung von Hitzebelastungen gibt es eine Vielzahl von rechnerischen Ansätzen die als Klimasummenmaße bezeichnet und in bestimmten Bereichen angewendet werden. Diese sollen äquivalente Belastungen des menschlichen Körpers für verschiedenen Wertepaare (Lufttemperatur und Luftfeuchte) durch ein und denselben Zahlenwert ausdrücken. Bedingungen, denen gleiche Klimasummenwerte zuzuordnen sind, sollen gleiche Belastungseffekte zukommen. Die Anwendung ist allerdings oft mit vielen Problemen verbunden, weil die Übertragung von akzeptablen, extrapolierten Klimawerten in unterschiedliche Bereiche zumeist nicht funktioniert. Zudem sind die Rechenmodelle mathematische Konstrukte, die auf die jeweilige Person nur sehr selten zutreffend sind (Stichwort: Individualität). Daher ist ein unmittelbarer Vergleich der verschiedenen Klimasummenmaße zur Bewertung der Hitzearbeit unzulässig und birgt erhebliche Gefahren bei der Anwendung, insbesondere dann, wenn die Ergebnisse von in trocken-warm durchgeführten Messungen einfach in feucht-warme Klimazonen übertragen werden [2]. Daher gilt für alle Klimasummenmaße, dass nur in einem gewissen Umfang und näherungsweise die klimatische Belastung des Menschen vorhergesagt werden kann.

Zur Beurteilung der Klimawirkung sind zusätzliche Faktoren zu berücksichtigen, nämlich die metabolische Wärmeproduktion des menschlichen Körpers (Arbeitsenergieumsatz der Muskulatur beträgt >75 % in Wärme), der Wärmeaustausch mit der Umgebung sowie die Bekleidungsisolation und die Expositionsdauer, die zudem kumulativ betrachtet werden muss. Für die intra- und inter-individuelle Beurteilung sind folgende Einflussgrößen von Bedeutung [7]:

  • Alter,
  • Geschlecht,
  • Konstitution (Körpergewicht und Körperkomposition),
  • Gesundheitszustand,
  • Trainingszustand,
  • Akklimatisation,
  • Kumulation der Expositions- und Arbeitsdauer sowie
  • psychosoziale Faktoren.

Das Klimasummenmaß – Wet Bulb Globe Temperature (WBGT)

Die WBGT wurde in den USA in den 50er Jahren von der US Army und dem US Marine Corps als Maß für Hitzestressbelastungen des Menschen entwickelt [11]. Hintergrund waren die hohen Zahlen von hitzebedingten Ausfällen und Hitzetoten in den amerikanischen Streitkräften während des Trainings in den 40er und 50er Jahren (Hitzeerkrankung: 600 Fälle 1952; -Sterbefälle: 198 von 1942 - 1944) [9]. Die WBGT war eine neue Entwicklung, welche die 1923 eingeführte populäre „effective-temperature scale“ ablöste [4]. Es handelt sich um eine „zusammengesetzte“ Temperatur zur Abschätzung des Effekts von Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit und Sonnenstrahlung auf den Menschen. Die zugrundeliegende Formel ist:

PhotoAbb. 1: Rechenformel zur Ermittlung der WBGT (Tnw = Temperatur eines natürlich belüfteten Thermometers – Maß für die Luftfeuchtigkeit, Tg = „schwarze Kugel“ (globe) Temperatur –Messung der Solarstrahlung, Ta = Trocken (Luft-)temperatur – Maß für Wärmeabgabe durch Konvektion und Wärmeleitung)

Nach Einführung und vor allem Anwendung der WBGT fiel die Inzidenz für Hitzeerkrankungen auf 53/10 000 Rekruten/Woche (1953) ab und in den beiden Folgejahren sogar auf 10 - 12. Seither wird diese Vorhersage in den USA, bis auf wenige Ausnahmen, erfolgreich genutzt, um Hitzeerkrankungen und Todesfälle abzuwenden [8]. Im militärischen, aber auch im zivilen Bereich, wird die WBGT in den USA angewendet. In Form von Tabellen kann anhand des Messergebnisses abgeleitet werden, wie und wie lange Tätigkeiten durchgeführt werden können (Tabelle 1).

Ein entscheidender Faktor, der bei der WBGT nicht berücksichtigt wird, ist die Evaporation. Bei eingeschränkter Möglichkeit des Schwitzens (Isolation durch Bekleidung und Ausrüstung) unterschätzt der WBGT-Index die Belastung und führt zu falschen Entscheidungen. Zudem gibt es Messfehler, welche durch nicht-standardisierte Instrumentierung, durch nicht erfolgte oder unzureichende Kalibrierung oder durch Weglassen der „globe temperature“ zustande kommen kann. Mittlerweile gibt es 10 verschiedene WBGT Definitionen, die sich jedoch nur geringfügig unterscheiden. Trotz in der Bundeswehr vorliegender Bereichsrichtlinie (C2 - 1230/0 - 0-9) wird der WBGT-Index innerhalb Deutschlands bisher nicht angewendet. Dies hängt damit zusammen, dass – auf Nachfrage des Autors bei verschiedenen militärischen Stellen – Unkenntnis über die Bedeutung des WBGT-Index herrscht bzw. ein Mangel an entsprechenden Geräten wegen bisher nicht erfolgter Beschaffung besteht. Neben der Bereichsrichtlinie existieren eine Broschüre aus dem ZInst-SanBw Koblenz (heute InstPrävMedBw) von 2001 [3] und eine NATO Guideline aus 2013 [6], welche das Thema WBGT behandeln; leider sind diese ebenfalls weitgehend unbekannt.

Fazit

Es ist zu empfehlen, dass die Verwendung des WBGT-Index in der Bundeswehr trotz möglicher Anwendungsbeschränkungen nunmehr schnellstens erfolgt. Meilensteine sind die Ausbildung des Personals und die Bereitstellung von aktuellen Informationen zur Planung von Trainings und Einsätzen. Das Klimasummenmaß WBGT muss allerdings weiterentwickelt werden, und zwar unter Zuhilfenahme von physiologischen Klimakammertests. Dies allein wird jedoch auch nicht ausreichen, da im Labor gewonnene Ergebnisse sich zumeist nicht so einfach in das Feld übertragen lassen. Daher ist es zusätzlich notwendig, physiologische Untersuchungen in der Realität mit geeigneten Messsystemen durchzuführen, um eine möglichst genaue, individuelle und zeitgerechte Beurteilung über den Leistungs- und Belastungszustand der jeweiligen Person im Hitzearbeitsbereich zu erhalten. Das übergeordnete Ziel sollte sein, Personen im Arbeitsumfeld, vor allem in den vielfältigen Auslandseinsätzen der Bundeswehr, zu schützen und primärpräventiv Hitzestress und damit Schaden abzuwenden [10].

Literatur

  1. Basu R, Samet JM. Relation between elevated ambient temperature and mortality: a review of the epidemiologic evidence. Epidemiol Rev 2002; 24: 190 - 202.
  2. Budd GM: Wet-bulb globe temperature (WBGT) - its history and its limitations. J Sci Med Sport 2008; 11: 20 - 32.
  3. Glitz KJ, Gorges W, Dahms P, von Restorff W, Piekarski C: Heiße Klimazonen- Ergonomische Aspekte zur Gesundheit und Leistungsfähigkeit unter Hitzebelastungen. Koblenz ZInstSanBw 2001. 
  4. Houghton FC, Yagloglou CP: Determination of the comfort zone. TransAmSoc Heating Ventilating Engineers 1923; 29: 361 - 384.
  5. Meehl GA, Tebaldi C. More intense, more frequent, and longer lasting heat waves in the 21st century. Science 2004;305: 994 - 997.
  6. NATO: TR-HFM-187: Management of heat and cold stress guidance to NATO medical personnel. Findings of Task Group HFM-187. www.sto.nato.int/publications/Pages/default.aspx (last accessed on 09 August 2018).
  7. Piekarski C, Zerlett G: Schädliche Einwirkungen und Noxen aus der Umwelt – Physikalische Einwirkungen. In: Classen, M., Diehl, V., Kochsiek, K. (ed.): Innere Medizin. München, Wien, Baltimore: Urban & Schwarzenberg 1993; 865 - 876.
  8. Ramanathan NL, Belding HS: Physiological evaluation of the WBGT index for occupational heat stress. Am Ind Hyg Assoc J 1973; 34: 375 - 383.
  9. Schickele E: Environment and fatal heat stroke – an analysis of 157 cases occurring in the army in the U.S. during World War II. Milit Surg 1947; 100: 235 - 356.
  10. Werner A, Gunga HC: Physiologie und Pathophysiologie des Wärmehaushalts und der Temperaturregulation des Menschen in extremen Umwelten und operationelle Konsequenzen für den militärischen Einsatz. Wehrmed Mschr 2008; 52(8): 234 - 243.
  11. Yaglou CP, Minard D: Control of heat casualties at military training centers. Am Med Assoc Arch Ind Health 1957; 16: 302 - 316.


Weitere Literatur beim Verfasser

Oberfeldarzt Dr. Andreas Werner
E-Mail: andreas4werner@bundeswehr.org


Datum: 20.11.2018

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