Wissenschaft & Forschung
Licht 1 | 2020

Zirkadian wirksame Bestrahlung im Innen- und Außenbereich

Empfehlung für Lichtplanung und Leuchtenentwicklung auf Basis des aktuellen Wissensstands
Lesezeit: ca. 18 Minuten

1 Einführung

Eine der ersten wissenschaftlichen Abhandlungen über die Lichtwirkung geht auf Hollwich mit der Publikation »Die Wirkung des natürlichen und künstlichen Lichtes über das Auge auf den Hormon- und Stoffwechselhaushalt des Menschen« von 1977 zurück [1]. Die fundamentalen Grundlagen und Erklärungen dazu lieferten Brainard et al. und Thapan et al. [2, 3] über 20 Jahre später mit der Entdeckung der spektralen Empfindlichkeit der Melatonin-Unterdrückung beim Menschen, die in den nächtlichen Stunden wirksam ist. Für den späten Abend und für die Nacht sind sowohl die spektrale Empfindlichkeit als auch die Ursachen-Wirkungen-Beziehungen bezüglich der Melatonin-Unterdrückung und der Wachheitssteigerung ausreichend bekannt, siehe u.a. [4]

Dagegen sind die Lichtwirkungen am Tag auf den zirkadianen Rhythmus noch Gegenstand der Forschung. Seit mehr als 20 Jahre forschen viele internationale Arbeitsgruppen an diesem Thema. Im Zeitraum 2017 bis 2018 gab es sorgfältig ausgeführte Literaturstudien zur Zusammenfassung der gewonnenen Ergebnisse, die kurz wie folgt dargestellt sind:

  1. Die Literaturzusammenfassung von Lok et al. [5] analysiert 18 Untersuchungen für den Tag und stellt fest, dass etwa drei Viertel aller Publikationen eine Korrelation zwischen Lichtmaßnahmen und subjektiven Merkmalen wie Wachheit herausfinden. Eine Korrelation zwischen Lichtmaßnahmen und physiologischen und objektiv messbaren Parametern wie EEG, Hauttemperatur konnte nur in einer geringen Zahl der Publikationen gefunden werden. Die Schlussfolgerung ist, dass noch intensivere Forschungsarbeiten mit mehr Messpunkten (mehr Beleuchtungsniveaus, mehr unterschiedliche Spektren und mit mehr Testpersonen) notwendig und wünschenswert sind.
  2. Die Literaturzusammenfassung von Souman et al. [6] analysiert die akute Wirkung auf die Wachheit anhand von 68 ausgewählten Studien und fand heraus, dass eine Mehrheit der Untersuchungen eine Korrelation zwischen der Lichtintensität und der Wachheit ermitteln konnte. Die Wirkung der Farbtemperatur ist nicht eindeutig.

Zurückblickend auf die Zusammenfassung der Forschungsergebnisse der letzten 20 Jahre und im Hinblick auf eine bessere und realitätsnahere Forschungstätigkeit können folgende wichtige Aufgaben formuliert werden:

  1. Analyse der Gründe für die bisher teilweise schwache Korrelation zwischen Biosignalen (EEG, Herzfrequenz etc…) und den Lichtmaßnahmen. So eine Analyse ist ein langwieriger Prozess und setzt viele Kenntnisse der Signalanalysen, der Biomedizin, der experimentellen Planung und der Sensorik voraus.
  2. Im Fall der subjektiven Ausgangsgrößen, die bisher eine bessere Korrelation zu den Lichtmaßnahmen aufweisen, muss man eine Reihe von subjektiven Kenngrößen und Skalierungen definieren (Wachheit, Vitalität, Schlafqualität, Stimmung) und die Korrelation dieser Größen untereinander sowie zu den Lichtmaßnahmen anhand von umfangreicheren Labor-und Feldtests aufstellen und untermauern.
  3. Im Fall der Definitionen von »Lichtmaßnahmen, lichttechnische Eingangsgrößen« muss man die wirklich relevanten zirkadian wirksamen Bestrahlungsgrößen oder eine begründbare Kombination von diesen Größen definieren. Diese Größen müssen nicht nur interpretierbar, sondern mit einfachen Mitteln relativ genau messbar sein, um den Erfolg der Wissensumsetzung in die Praxis zu ermöglichen.
  4. Mit den definierten lichttechnischen Eingangsgrößen für die zirkadiane Wirksamkeit soll eine Ursachen-Wirkungen-Beziehung (engl.: dose-response-relationship) mathematisch durch viele Experimente im Labor und im Feld ermittelt und validiert werden. Diese Beziehung ist wichtig, da sie für die Lichtplanung und Leuchtenentwicklung zwingend notwendig ist. Diese Beziehung fehlt derzeit für die Tätigkeiten am Tag.
  5. Mit der o.g. Ursachen-Wirkungen-Beziehung kann man die notwendigen zirkadianen Bestrahlungen mit den erzielbaren Bestrahlungen im Innen- und Außenbereich quantitativ vergleichen, um Korrekturmaßnahmen einzuleiten. Ziel ist eine Beleuchtung, die beim Arbeiten gesundheitlich und ergebnis-technisch förderlich ist, so dass Krankheiten reduziert werden.

Das sind fünf wichtige aber auch methodisch schwierige Prozesse, die man nicht von heute auf morgen bewältigen kann. All diese Prozesse müssen im Grunde genommen zeitlich parallel durchgeführt werden. Dabei stellt sich immer wieder die Frage, wie hoch die zirkadian wirksame Bestrahlung im Innen- und Außenbereich (im Büro, im Kaufhaus, in der Schule, auf der Baustelle etc.) tatsächlich ist. Um diese Frage, die auch der obige Punkt 5. formuliert, zu beantworten, muss man im Prinzip vier Schritte durchführen:

  • Analyse der bisherigen Literatur auf dem Gebiet, Forschungsbedarf ableiten
  • Berechnung der zirkadian wirksamen Bestrahlungsgrößen
  • Feldmessungen im Innen- und Außenbereich und Umrechnung der Messergebnisse in definierte zirkadian wirksame Bestrahlungsgrößen
  • Interpretationen der Ergebnisse und ableiten von Empfehlung für Lichtplanung und Leuchtenentwicklung

Diese vier Schritte bilden den Inhalt der hier vorliegenden Veröffentlichung.

2 Analyse bisheriger Literatur – Forschungsmotivation

Das erste wissenschaftliche Arbeitsgebiet, das sich intensiv mit der nicht-visuellen Lichtwirkung auf Menschen beschäftigt hat, war die Lichttherapie. Nach Wirz-Justice et al. [7] haben Beobachtungen von Nervenärzten im 19. Jahrhundert bei Patienten mit affektiven Störungen ergeben, dass Veränderungen des biologischen Rhythmus (Schlafstörungen, schnell ändernde Zustände zwischen Depression und Manie, SAD – saisonal affektive Störungen) ein Hauptmerkmal von Depressionen sind. Diese Depressionen kann man teilweise mit der Lichttherapie, also dem Einsatz von Tages- und Kunstlicht, behandeln. Somit haben die Lichttherapie speziell und die Lichtwirkung allgemein eine große Bedeutung für die heutige Gesellschaft. Die Stiftung für Deutsche Depressionshilfe gibt in [8] folgende Zahlen an: »Depressionen gehören zu den häufigsten und hinsichtlich ihrer Schwere am meisten unterschätzten Erkrankungen. An Depression sind derzeit in Deutschland 11,3% der Frauen und 5,1% der Männer erkrankt. Frauen leiden damit etwa doppelt so häufig an Depression wie Männer. Insgesamt sind im Laufe eines Jahres 8,2 % der deutschen Bevölkerung erkrankt. Das entspricht 5,3 Millionen«.

In Tabelle 1 werden verschiedene Empfehlungen von Beleuchtungsstärken bzw. Beleuchtungen am Auge für die Lichttherapie aufgelistet, auf die die Autoren in einem späteren Abschnitt näher eingehen werden. Diese empfohlenen Werte sollen auch im Alltag vieler Menschen, nicht nur in der therapeutischen Praxis, sondern in den Arbeitsstätten und im privaten Bereich, realisiert werden, damit die Depression nachhaltig behandelt werden kann.

Krankheitsbild

Therapieempfehlung

Literatur

Saisonal abhängige Depression (SAD)

Licht am Morgen, individuelles Timing nach Chronotyp (MEQ), 7.000–10.000 lx für 30 min als Anfangsdosis, mind. 2 Wochen. Je nach Ansprechen des Patienten auf die Lichtbehandlung kann die Dosierung des Lichts geändert werden, indem man die Dauer der Lichttherapie schrittweise um 15 Minuten alle 3 bis 4 Tage erhöht.

[7]

Alzheimer Demenz

klare Hell-Dunkel-Wechsel und ausreichend Licht am Tag (Aufenthaltsraum 1.000 lx), Langzeitbehandlung (Monate, Jahre), wenn möglich im Frühstadium beginnen.

[7]

S-SAD (subsyndromal SAD)

Kurzeitige Bestrahlung mit 1.000 lx sorgt für positive Wirkungen wie gute Stimmungen

[9]

SAD

Eine Beleuchtung von 5.000 lxh ist notwendig für die Lichttherapie

[10]

Demenz

In einer Untersuchung wurden in einem Heim für Menschen mit Demenz bei einer Lichtintervention CS ≥ 0,6 eine längere Schlafdauer und weniger Depression erzielt

[11]

Messtechnische Ermittlungen der Belichtungen im Feld wurden bereits häufig in den 1990er Jahren [12, 13, 14] durchgeführt. Dabei wurden die Beleuchtungsstärken in lx vermessen und ausgewertet. Häufig wurden Messsensoren am Handgelenk oder auf der Brust positioniert. Die richtige Position für die Messung wäre ein schattenfreier Ort am Vorderteil des Kopfes (zum Beispiel an der Brille befestigt wie in [15, 16] oder an einem Fahrradhelm, wie die Autoren dieses Artikels später berichten werden), Die lichtempfindliche Fläche soll dabei parallel zum Auge ausgerichtet sein, um eine korrekte vertikale Beleuchtungsstärkemessung zu erreichen.

Eine umfangreiche Feldmessung wurde durch Hubalek in 2005 [15, 16] durchgeführt. Dabei kam ein elektronisches Gerät zum Einsatz, das an der Brille der Testperson befestigt war und zwei Sensoren, jeweils zur Messung der Beleuchtungsstärke (in lx) und der wirksamen Bestrahlungsstärke nach der spektralen Empfindlichkeitskurve für die Melatonin-Unterdrückung nach Gal [17] enthielt. Die Messungen wurden über drei Wochen in April und Juni 2005 an sieben nacheinander folgenden Tagen mit 23 Testpersonen in Büroräumen im Raum Zürich (Schweiz) durchgeführt, wobei die Testpersonen sich zwischen sieben und neun Stunden pro Tag im Büro aufhalten mussten. Die Sensordaten wurden mit einer Kontrolleinheit verwaltet und mit einem Minirechner verarbeitet. An jedem Abend vor dem Schlafen füllten die Testpersonen einen Fragebogen bezüglich der Stimmungsdimension »Vergnügen« (engl.: pleasure, auch Behagen, Freude, Gefallen), Erregung (engl.: arousal, auch Aufgeregtheit, äquivalent zu Wachheit und Aktivsein) und Schlafqualität der letzten Nacht aus. Bezüglich der Schlafqualität waren zwei Fragen zu beantworten »Wie haben Sie letzte Nacht geschlafen, verglichen mit einer durchschnittlichen Nacht?« und »Wie unruhig haben Sie geschlafen?«. Nach einer Werteauswertung und Transformation der Ergebnisse bedeutet die Zahl -4 niedrige Schlafqualität und +4 hohe Schlafqualität. Nach der persönlichen Interpretation der Autoren dieses Artikels bedeutet somit die Zahl 0 in etwa eine durchschnittliche Nacht. In Tabelle 2 sind die Beleuchtungsstärke- und Belichtungsdaten als mediane Werte für die Zeit im Büro und die Tagesbelichtung (in lxh, für den ganzen Tag) angegeben. Zudem ist die Zeitdauer angegeben, während der die Schwellenwerte 100 lx, 1.000 lx und 2.500 lx durch aktuelle Messdaten überschritten sind.

Merkmale der Daten

Für die Zeit im Büro

Tagesbelichtung

Belichtung

2.244 lxh (1.199 – 3.392 lxh)

7.394 lxh (5.234 – 11.683 lxh)

Mediane Beleuchtungsstärke

308 lx (202 – 572 lx)

183 lx (118 – 249 lx)

Zeitdauer über 100 lx

240 Minuten (204 – 283 Minuten)

534 Minuten (436 – 626 Minuten)

Zeitdauer über 1.000lx

16 Minuten (2 – 48 Minuten)

105 Minuten (61 – 187 Minuten)

Zeitdauer über 2.500 lx

1 Minute (0 – 8 Minuten)

43 Minuten (16 – 92 Minuten)

Es gibt von dieser Studie einige bemerkenswerte Resultate:

  • Die Schlafqualität hat eine signifikante Relation zur Tagesbelichtung (in lxh) und zu der Dauer, während der die Beleuchtungsstärken von 1.000 lx bzw. 2.500 lx überschritten werden. Das ist ein wissenschaftlicher Hinweis darauf, dass für eine gute Schlafqualität eine hohe Tagesbelichtung und hohe Beleuchtungsstärken (entweder im Büro oder durch eine längere Aufenthaltsdauer im Außenbereich) von großer Bedeutung sind.
  • Im Büro ist die Dauer, während der die Werte 1.000 lx und 2.500 lx überschritten werden, viel zu kurz (16 Minuten bzw. 1 Minute). Um die Zeiten zu erhöhen, sollte man öfter ans Fenster gehen oder, soweit es möglich ist, Pausen und auch Besprechungen im Außenbereich bzw. im fensternahen Bereich im Gebäude durchführen.
  • Für einen Skalierungswert für die Schlafqualität von +1,03 bzw. 2,35 sind Tagesbelichtungen von 7.394 lxh bzw. 21.815 lxh ermittelt. Interpretiert man die Zahlen 1,03 und 2,35 als Anhaltspunkte für eine gute Schlafqualität, sind die Belichtungen zwischen 7.394 und 21.815 lxh wünschenswert.
  • Die Tagesbelichtung von 7.394 lxh gilt mit hoher Wahrscheinlichkeit für den Messzeitraum vom April bis zum Juni. Die Ergebnisse im Winter fehlen.

Die Ergebnisse von Hubalek sind in photometrischen Kenngrößen wie Beleuchtungsstärke angegeben. In dieser Studie wurden keine weiteren farbmetrischen und spektralen Parameter aufgenommen, so dass zirkadian wirksame Metriken wie CS (Circadian Stimulus) nach M. Rea [18, 19] oder melanopisch wirksame Beleuchtungsstärke nach DIN SPEC 5031 – 100 [20] nicht weiter berechnet werden können. Die Interpretation der Ergebnisse von Hubalek et al. aus Tabelle 2 erfolgt deshalb im späteren Abschnitt 4 nach der Einführung der zirkadian wirksamen Kenngrößen im Abschnitt 3.

3 Derzeitige Definitionen der zirkadian wirksamen Bestrahlungsstärke

Seit 2012 gibt es weltweit zwei nennenswerte Vorgehensweisen, wie man zirkadian wirksame Bestrahlungsparameter definiert.

3.1 Vorgehensweise in Deutschland

Das DIN – Deutsches Institut für Normung hat in 2015 die Norm DIN SPEC 5031– 100:2015-08 [20] veröffentlicht. Sie beschreibt die melanopisch bewerteten Strahlungsgrößen sowie die melanopische Lichtwirkung. In Gleichung (1) ist eine allgemeine, melanopisch bewertete Strahlungsgröße definiert.

TU Dramstadt, Khanh

Die Symbole der Gleichung (1) haben die folgende Bedeutung:

Xmel – die melanopisch bewertete Strahlungsgröße

Xe(λ) – die spektrale strahlungsphysikalische Größe

smel(λ) – das Wirkungsspektrum für die betrachtete melanopische Wirkung

In der Dokumentation zur DIN SPEC 5031 – 100:2015-08 wurde der melanopische Wirkungsfaktor amel,v definiert, der heute oft verwendet wird. Der Faktor amel,v ist die Eingangsgröße des melanopsin-wirksamen Lichtverarbeitungssystems und wird – in diesem Kontext – gemäß Gl. (2) definiert.

TU Darmstadt/Khanh

Die in Gl.(2) zu realisierenden Integrationen erstrecken sich von 380 nm bis 780 nm. Dieser Faktor ist ein Verhältnis der melanopisch wirksamen Strahlungsgröße zu der mit der spektralen Empfindlichkeit für Tagessehen (2°-Gesichtsfeld) bewerteten photometrisch wirksamen Strahlungsgröße. Er gibt darüber Auskunft, wie hoch die Melanopsin-Wirksamkeit des Wertes einer photometrischen Kenngröße (wie Lichtstrom oder Leuchtdichte) ist. Unterschiedliche Lichtquellen mit unterschiedlichen spektralen Verteilungen verursachen auf der gleichen weißen Wand oder Decke bei der gleichen Leuchtdichte (Lv in cd/m2) unterschiedliche melanopische Wirkungen.

3.2 Vorgehensweise nach M. Rea [18, 19]

In 2012 hatte M. Rea et al. bei der Ermittlung der spektralen Empfindlichkeit der Melatonin-Unterdrückung die Daten von Brainard [2] und Thapan [3] verwendet und die Größe Zirkadian wirksames Licht (circadian light CLA) modelliert. Gl.(3) veranschaulicht die Berechnung der Kenngröße CLA.

TU Darmstadt/Khanh

Gl.(3) besagt: Wenn das Signal des Opponenzkanals B-(L + M) negativ wird, werden zirkadiane Wirkungen allein durch Signale der melanopsin-haltigen Zellen (ipRGC) generiert. Das ist ungefähr der Fall, wenn die Lichtquelle eine Farbtemperatur von weniger als 3.500 K (warmweißes Licht) aufweist. Wenn das Signal des Opponenzkanals B – (L + M) positiv wird (CCT > 3.500 K), werden die Signale dieses Opponenzkanals zu den Signalen der ipRGC hinzuaddiert. Da die meisten Lichtquellen im professionellen Bereich (Schulen, Krankenhäuser, Büros, Industriehallen) eine Farbtemperatur von CCT > 3.500 K haben, setzt sich das zirkadian wirksame Licht in der typischen praktischen Anwendung aus beiden o.g. Kanälen zusammen.

Das zirkadian wirksame Licht CLA transformiert M. Rea mit Hilfe der Gl.(4) in einen sogenannten Circadian Stimulus CS, der direkt proportional zur Melatonin-Unterdrückung in % ist. Ein CS = 0,4 entspricht somit einer nächtlichen Melatonin-Unterdrückung von 40 % gegenüber dem Sehzustand vor der Bestrahlung (Abb. 1).

TU Darmstadt/Khanh
Abb. 1: Von Circadian Light bis CS-Wert (bzw. Melatonin-Unterdrückung in %) TU Darmstadt, Khanh

Die Autoren dieses Artikels sind der Meinung, dass die zirkadiane Lichtwirkung eine kombinatorische Wirkung von Lichtsignalen aller fünf Kanäle im Augen- und Gehirnverarbeitungssystem sein muss. Diese Annahme, wird in [21] auch bestätigt und analysiert, so dass die deutsche Vorgehensweise nach DIN 5031– 100 nicht ganz der richtige Weg ist. Daher verwenden die Autoren für weitere Feldmessungen und Auswertungen im folgenden Abschnitt 4 den Parameter CS für die Berechnung der zirkadianen Wirksamkeit des Lichts. Da die Berechnung von CS durch die Gleichungen (3) und (4) sehr kompliziert ist und spektrale Strahlungsdaten von Lichtquellen erfordert, haben die Autoren eine empirische Formel für eine genaue Berechnung von CS aus der vertikalen Beleuchtungsstärke Ev und der ähnlichsten Farbtemperatur CCT ermittelt. Basis dafür war die Analyse von Hunderten von Lichtquellenspektren (Abb. 2).

Abb. 2: Dreidimensionale Darstellung des funktionalen Zusammenhangs CS=f (Ev, CCT) TU Darmstadt/Khanh

4 Zirkadian wirksame Bestrahlung im Außen- und Innenbereich durch Feldmessungen

Um zirkadian wirksame Bestrahlungsdaten CS sowie die farbmetrischen Daten (Farbort, Farbtemperaturen) und die photometrischen Daten (wie Beleuchtungsstärken) zu erhalten, wurden an der TU Darmstadt im Zeitraum vom Sommer 2017 bis zum Winter 2017/2018 bei verschiedenen Jahreszeiten, Uhrzeiten, Orten (im Gebäude, im Park, auf Straßen im Verkehrsfluss, im Hörsaal, in Büros, in Wohnungen bis Mitternacht) mobile Langzeit-Feldmessungen durchgeführt. Die Testpersonen trugen dabei einen umgebauten Fahrradhelm mit einem integralen Farbmessgerät sowie einen auslesenden und abspeichernden Laptop in einem Rucksack. Die Messungen wurden durch ein Computerprogramm getriggert, gesteuert und überwacht. Der Farbmesskopf mit den XYZ-Farbkanälen mit Vollfilterungsmethode wurde vertikal auf dem Helm parallel zum Gesicht befestigt (s. Abb. 3). So war das genaue Erfassen der vertikalen zirkadian-wirksamen Bestrahlungsstärken möglich. Die Himmelzustände sowie die Orte wurden mit einer Digitalkamera festgehalten und mit Uhrzeit in Sekundengenauigkeit dokumentiert. Die übertragenen farbmetrischen Daten wie CCT und Beleuchtungsstärke Ev wurden später rechnerisch auf Relevanz hin überprüft und dann mit Hilfe der Formel, die Abb.2 graphisch veranschaulicht, in CS-Werte umgerechnet.

Abb. 3: Mobile Feldmessung der zirkadian wirksamen Bestrahlung am Auge TU Darmstadt/Khanh

In den folgenden zwei Abschnitten werden die Messdaten an einigen Tagen im Sommer und im Winter dargestellt. Aus der großen Datenmenge sind hier einige Datensätze und deren Interpretationen vorgestellt. Da die Daten orts-, wetter-und personenabhängig sind, wie die Daten von Hubalek [15, 16] zeigten und wie auch die Daten der Autoren später zeigen werden, sind die Daten nicht systematisiert, sondern nur exemplarisch dargestellt, um Tendenzen zu veranschaulichen.

4.1 Feldmessungen im Winter

Der eine Datensatz wurde an einem wolkenreichen Wintertag (6. Januar 2018) zur Mittagzeit in Frankfurt aufgenommen. Die Aufenthaltsorte befinden sich teilweise im Außenbereich, auf dem Weg von der Wohnung der die Messung durchführenden Person zu einem großen Kaufhaus sowie im Kaufhaus in verschiedenen fensterlosen Verkaufsabteilungen (Abb. 4).

Abb. 4: Aufenthaltsorte im Außenbereich und in einem Kaufhaus mit fensterlosen Verkaufsabteilungen TU Darmstadt/Khanh
Abb. 5: Verläufe der vertikalen Beleuchtungsstärke am Auge und die Farbtemperaturen TU Darmstadt/Khanh

Aus Abb. 5 erfährt man, dass die Beleuchtungsstärke im Außenbereich um 2.000 lx beträgt und Farbtemperaturen um 6.500 K herrschen (braune Kurven). Im Kaufhaus in den fensterlosen Abteilungen sind es 222 lx als Mittelwert bzw. eine mittlere Farbtemperatur um 3.050 K. Ein Mitarbeiter des Kaufhauses, der sich acht Stunden lang dort aufhalten soll, bekommt somit nur eine Belichtung von 8 h x 222 lx = 1.776 lxh. Das ist weit weniger als die empfohlene Belichtung von 5.000 lxh (s. Tabelle 1). Die Verkaufsräume verwenden somit vorwiegend warmweiße Lichtquellen. Abb. 6 zeigt die Ergebnisse der Umrechnung von Beleuchtungsstärken und Farbtemperaturen in CS-Werte.

Abb. 6: CS-Werte im Außenbereich und im Kaufhaus TU Darmstadt/Khanh

Demnach liegen die CS-Werte im Außenbereich im Winter an einem wolkenreichen Tag zur Mittagzeit um 0,66 und überschreiten die empfohlenen Werte für die Lichttherapie an demenzkranken Menschen (siehe Tabelle 1 nach [11]). Somit ist es für gesunde und depressive Personen empfehlenswert, sich auch im Winter öfter im Außenbereich aufzuhalten. Dagegen liegen die CS-Mittelwerte im Kaufhaus (blaue Linie) nur um 0,22. Nach [11] sollte der CS-Wert größer als 0,3 sein, um eine geringe bis mittlere zirkadiane Wirkung zu erzielen. Bei CS = 0,22 ist es höchst wahrscheinlich, dass keine positive Lichtwirkung auftritt. Mitarbeiter, die acht oder mehr Stunden täglich im Kaufhauses arbeiten, sollten sich daher in den Pausen und vor bzw. nach der Arbeit öfter und länger im Außenbereich aufhalten. Zudem scheint es geboten, für eine bessere Arbeitsplatzbeleuchtung zu sorgen. Der vertikale Beleuchtungsstärkewert von 240 lx bei CCT = 6.500 K, wie er in der DIN SPEC 5031 – 100 als Planungswert empfohlen wird, liefert einen CS-Wert von 0,35.

4.2 Die Feldmessungen an einem Sommertag

Am 3.07.2017 wurden Messungen von 8:54 Uhr bis 23:05 Uhr an verschiedenen Orten in Darmstadt aufgenommen. Die jeweiligen Gegebenheiten an den Orten zeigt Abb. 7. Aus Abb. 8 erkennt man, dass das Wetter zunächst leicht trüb und bewölkt und ab 12 Uhr bis 18 Uhr sonnig war. Die Aufenthaltsorte im Außenbereich sind teils von Bäumen verschattet, teils besonnt. Die Orte im Innenbereich umfassen typische Innenraumsituationen, teils mit Bereichen am Fenster, aber auch Szenen am Abend mit wenig Licht.

Abb. 7: Fotos von den am 3.7.2017 besuchten Orten TU Darmstadt/Khanh
Abb. 8: Wetterverläufe am Messtag 3.Juli 2017 (Quelle: www.timeanddate.de/wetter/deutschland/darmstadt/rueckblick?month=7&year=2017) TU Darmstadt/Khanh
Abb. 9: Aufzeichnung der vertikalen Beleuchtungsstärke am 3.7.2017 in Darmstadt zwischen 8:54 Uhr und 23:05 Uhr TU Darmstadt/Khanh

An Abb. 9 kann man die zeitlichen Bereiche, an denen sich die Messperson im Innenbereich befand (vor 10:00 Uhr, nach 12:30 bis 14:20 Uhr, 15:00 Uhr bis 16:30, vor 18:00 Uhr bis etwa 19:00 Uhr, ab 20:00 Uhr bis 23:05) und die Beleuchtungsstärken stark reduziert sind, lokalisieren. Im Außenbereich erreichten die vertikalen Beleuchtungsstärken die Spitzenwerte um 10.000 lx und somit etwa das Fünffache von einem wolkenreichen Wintertag (s. Abb. 5). Die Farbtemperatur erstreckt sich von etwa 2.000 K im Wohnraum am Abend ab 20:00 Uhr (Abb.10) und generell im Innenbereich der Wohnung bis etwa 11.500 K im Außenbereich bei der Ausrichtung des Kopfes und des Blickes zum blauen Himmel.

Abb. 10: Aufzeichnung der vertikalen Farbtemperatur über den 3.7.2017 in Darmstadt zwischen 8:54 Uhr und 23:05 Uhr TUR Darmstadt/Khanh
Abb. 11: Der CS-Wertverlauf über den 3.7.2017 zwischen 8:54 Uhr und 23:05 Uhr TU Darmstadt/Khanh

Aus Abb. 11 wird ersichtlich, dass die CS-Werte im Außenbereich im Sommer maximale Werte um 0,7 erreichen. Die CS-Werte im Wohnbereich vor 18:00 Uhr bis etwa 19:00 Uhr und ab 20:00 Uhr bis 23:05 liegen teilweise unter dem Wert 0,1. Am frühen Nachmittag zwischen 12:30 und 14:20 Uhr liegen sie um 0,3, so dass ein langer Aufenthalt in diesem Wohnbereich am Tag nicht empfehlenswert ist.

4.3 Interpretation der Ergebnisse von Hubalek und Aan het Rot mit CS-Werten

In Tabelle 2 hat Hubalek [15, 16] die mediane Beleuchtungsstärke in den Büroräumen der Testpersonen für die Zeit nur im Büro mit 308 lx angegeben. Da weitere Angaben über die Spektren und Farbtemperaturen in den zitierten Literaturen fehlen, nehmen die Autoren als zwei Optionen die beiden Farbtemperaturen 4.500 K und 5.200 K für die möblierten und mit großen Fenstern versehenen Büroräume an (gelbe Bodenbeläge, leichte Vergilbung der weißen Wände und Decken, farbige Regale und Schränke, zeitweise Tageslichteinfall). Die CS-Werte bei 308 lx und diesen beiden Farbtemperaturen sind in der Tabelle3 angegeben. Die CS-Werte von 0,311 und 342 erfüllen die Bedingung von Figuiero, dass CS größer als 0,3 sein soll, um eine nennenswerte gesundheitliche Wirkung zu erzielen. Diese Werte liegen dennoch leicht unterhalb dem CS-Wert von 0,35, der einer vertikalen Beleuchtungsstärke von 240 lx bei CCT = 6.500 K entspricht (s. Tabelle 3), wie sie in der DIN SPEC 5031 – 100 als Planungswert empfohlen wird. Zusätzlich muss man wissen, dass die Tage für die Feldmessungen bei Hubalek im Zeitraum April und Juni, also eher im Frühling und Sommer, liegen. Die Werte für die Winterzeit könnten vermutlich niedriger sein.

Für die Therapie von Personen, die ein wenig Winterdepression haben, ist nach Aan het Rot [9] eine Beleuchtungsstärke von 1.000 lx anzuwenden. Bei den zwei angenommenen Farbtemperaturen von 4.500 K und 5.200 K betragen die CS-Werte 0,494 bzw. 0,525 (s. Tabelle 3, mittlere Zeile). Diese Werte gelten nach [9] als Werte für eine positive soziale Interaktion und gute Stimmung. Für die Autoren dieses Artikels sind es sehr gute (eher ideale) Werte für die lichttechnische Planung in Büroräumen.

Realistischer und von praktischer Relevanz ist die folgende (theoretische) Überlegung der Autoren für Regionen mit einem langen Winter und mit einer langen Dunkelphase an einem Wintertag (z.B. in Kanada, Nordamerika, in den skandinavischen Ländern, Russland etc.). Das Tageslichtniveau auf dem Weg zur Arbeit sowie von der Arbeit nach Hause am Nachmittag ist niedrig und die Beleuchtung im Wohnbereich ist eher niedrig (siehe als Beispiel Abb. 9, ab 20:00 Uhr). Die erforderliche Tagesbelichtung von 5.000 lxh muss also eher von der künstlichen Beleuchtung innerhalb der Arbeitszeit im Büro oder in der Industriehalle geliefert werden. Die Belichtung von 5.000 lxh über acht Stunden Arbeitszeit bedeutet eine vertikale Beleuchtungsstärke am Auge von 625 lx. Mit den angenommenen Farbtemperaturen von 4.500 K bzw. 5.200 K ergeben sich CS-Werte von 0,421 bzw. 0,452. Man kann somit grob sagen, dass der zirkadian wirksame Stimulus im Winter in den Büroräumen in Regionen mit einer harten Winterzeit größer als CS = 0,42 geplant werden sollte.

Merkmale der Daten

Für die Zeit im Büro in lx

Für die Zeit im Büro in CS

Mediane Beleuchtungsstärke im Büro (Hubaleks Daten, Tabelle 1)

308 lx

CS = 0,311 bei CCT = 4.500 KCS = 0,342 bei CCT = 5.200 K

Empfehlung von DIN SPEC 5031 – 100 [20]

240 lx mit D65

CS = 0,35Aan het Rot [9]1.000 lxCS = 0,494 bei CCT = 4.500 KCS = 0,525 bei CCT = 5.200 K

Überlegungen der Autoren dieses Artikels,Für Regionen mit langem Winter

5.000 lxh: 8 h= 625 lxÜber 8 Stunden konstant im Büro

CS = 0,421 bei CCT = 4.500 KCS = 0,452 bei CCT = 5.200 K

5 Literatur

[1] Hollwich F, Dieckhues B, Schrameyer B.: Die Wirkung des natürlichen und künstlichen Lichtes über das Auge auf den Hormon- und Stoffwechselhaushalt des Menschen, Klinische Monatsblätter der Augenheilkunde 1977; 171: 98–104

[2] Brainard, G.C.; Hanifin, J.P.; Greeson, J.M.; Byrne, B.; Glickman, G.; Gerner, E.; Rollag, M.D.: Action spectrum for melatonin regulation in humans: evidence for a novel circadian photoreceptor, Journal of Neuroscience 21, pp. 6405–6412, 2001

[3] Thapan, K.; Arendt, J.; Skene, D.J.: An action spectrum for melatonin suppression: evidence for a novel non-rod, non-cone photoreceptor system in humans, Journal of Physiology 535, pp. 261–267, 2001

[4] Cajochen, C.; Zeitzer, J.M.; Czeisler, C.A.; Dijk, D.-J.: Dose-response relationship for light intensity and ocular and electroencephalographic correlates of human alertness, Behav Brain Res 115(1):75–83, 2000

[5] Lok, R. et al.: Light, Alertness, and Alerting Effects of White Light: A Literature Overview, Journal of Biological Rhythms, 33(6), 589–601

[6] Soumana, J.L. et al.: Acute alerting effects of light: A systematic literature review, Behavioural Brain Research (2017), http://dx.doi.org/10.1016/j.bbr.2017.09.016

[7] Wirz-Justice, A.; Bromundt, V.: Lichttherapie, Schlaf 1/2013, S. 1–10

[8] www.deutsche-depressionshilfe.de/depression-infos-und-hilfe/was-ist-eine-depression/haeufigkeit

[9] Aan het Rot, M.; Moskowitz, D.S.; Young, S.N.: Exposure to bright light is associated with positive social interaction and good mood over short time periods: A naturalistic study in mildly seasonal people, Journal of Psychiatric Research 2008; 42: 311–319

[10] Lam, R.W.; Levitt, A.J..: Canadian Consensus Guidelines for the Treatment of Seasonal Affective Disorders, Vancouver BC: Clinical & Academic Publishing, 1999

[11] Figueiro, M.G.; Hunter, C.M.; Higgins, P.A.; Hornick, T.R.; Jones, G.E.; Plitnick, B.; Brons, J.; Rea, M.S: Tailored lighting intervention for persons with dementia and caregivers living at home, Sleep Health 2015; 1: 322–330

[12] Espiritu, R.C.; Kripke, D.F.; Ancoli-Israel, S.; Mowen, M.A.; Mason, W.J.; Fell, R.L.; Klauber, M.R.; Kaplan, O.J..: Low illumination experienced by San Diego adults: Association with atypical depressive symptoms, Biological Psychiatry 1994; 35: 403–407

[13] Cole, R.J.; Kripke, D.F.; Wisbey, J.; Mason, W.J.; Gruen, W.; Hauri, P.J.; Juarez, S.: Seasonal variation in human illumination exposure at two different latitudes, Journal of Biological Rhythms 1995; 10: 324–334

[14] Guillemette, J.; Hebert, M.; Paquet, J.; Dumont, M.: Natural bright light exposure in the summer and winter in subjects with and without complaints of seasonal mood variations, Biological Psychiatry 1998; 44: 622–628

[15] Hubalek, S.: LuxBlick – Messung der täglichen Lichtexposition zur Beurteilung der nicht-visuellen Lichtwirkungen über das Auge, PhD thesis. Appendix in ETH E-Collection http://e-collection.ethbib.ethz.ch/view/ eth: 29804. Shaker Verlag, 2008

[16] Hubalek, S.; Brink, M.; Schierz, C.: Officeworkers‘ daily exposure to light and it‘s influence on sleep quality and mood, Lighting Res. Technol. 2010; 42: 33–50

[17] Gall, D.: Die Messung Circadianer Strahlungsgrößen, Technische Universität Ilmenau, 2004

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[19] Rea, M. S.; Figueiro, M.G.: Light as a circadian stimulus for architectural lighting, Lighting Res. Technol. 2016, 0: 1–14

[20] DIN SPEC 5031-100: 2015 – 08 Strahlungsphysik im optischen Bereich und Lichttechnik – Teil 100: Über das Auge vermittelte, melanopische Wirkung des Lichts auf den Menschen – Größen, Formelzeichen und Wirkungsspektren, Beuth Verlag, 2015

[21] Rautkylä, Puolakka, Halonen: Alerting effects of daytime light exposure – a proposed link between light exposure and brain mechanisms, Lighting Research and Technology, 2012; 44: 238–252

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Licht 1 | 2020

Erschienen am 31. Januar 2020