Wirkung von starken impulsförmigen Strömen und Magnetfeldern auf den menschlichen Kopf

Eine impulsformige Blitzentladung erreicht Strome von 200 kA und mehr. Ein direkter Blitzeinschlag in den menschlichen Kopf kann mechanische und thermische sowie neurologische Schadigungen verursachen. Die Wirkung eines indirekten Blitzschlages und des resultierenden impulsformigen Magnetfeldes auf den menschlichen Korper ist weitestgehend unbekannt. Weiterhin wird angenommen, dass die Wahrscheinlichkeit einen Blitzschlag zu uberleben bei 70 % - 90 % liegt. Jedoch sind die Ursachen der biologischen und physikalischen Wirkmechanismen nicht umfassend geklart. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es eine Methodik zu entwickeln, um die Stromverteilung wahrend eines nachgebildeten direkten Blitzeinschlages sowie die elektrische Feldstarkeverteilung wahrend eines indirekten Blitzeinschlages in physikalischen Kopfphantomen zu ermitteln. Die Kopfphantome bildeten die geometrischen und dielektrischen Eigenschaften der Kopfhaut, des Neurocraniums sowie des intrakraniellen Volumens (Hirn) des menschlichen Kopfes nach. Diese Kopfphantome wurden fur die Analyse der Stromverteilung mit Spannungen und Stromen beaufschlagt, die bei Blitzentladungen zu erwarten sind. Die Integration eines Elektrodenarrays in das Hirn ermoglichte die Erfassung der Potentialverteilung sowie die Berechnung der elektrischen Feldstarke im Kopfphantom wahrend eines indirekt applizierten Impulses. Simulationen erlaubten die Bildung weiterer Interpretationen. Die Experimente und Simulationen, die einen direkten Blitzeinschlag nachbildeten, zeigten, dass die Kopfhaut primar der Stromwirkung (70-92 %) exponiert war, gefolgt vom Hirn (3-28 %) und Neurocranium (1-9 %). Mit ausgebildetem Uberschlagkanal floss der groste Anteil (82-99 %) des Stromes in diesem ab und die Kompartimente des Kopfphantomes waren geringer exponiert. In den Experimenten, die einen indirekten Blitzeinschlag nachbildeten, wurde eine Feldstarke von bis zu 10V/m im Hirn ermittelt. Vier Schutzmechanismen erklaren, wieso eine Person einen direkten Blitzschlag uberleben kann. (1) Der Uberschlagkanal wurde als der wichtigste Schutzmechanismus identifiziert und erstmalig verifiziert. Als weitere Schutzmechanismen wurden (2) die isolierende Wirkung des Neurocraniums und (3) die Ableitfahigkeit der cerebrospinalen Flussigkeit ermittelt. (4) Die Hirnregionen, die mit Vitalfunktionen assoziiert werden, sind im Falle des Uberschlags durch Stromamplituden exponiert, die mit medizinischen Anwendungen vergleichbar sind. Die mogliche Schadigung durch einen indirekten Blitzschlag wurde identifiziert.