Kühlgrenztemperatur

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Ein Schlingenpsychrometer. Die Socke wird mit destilliertem Wasser befeuchtet und vor der Messung eine Minute oder länger herumgewirbelt.

Die Feuchtkugeltemperatur (WBT) ist die Temperatur, die von einem Thermometer angezeigt wird, das mit einem wassergetränkten (Wasser bei Umgebungstemperatur) Tuch bedeckt ist (Feuchtkugelthermometer) und über das Luft geleitet wird. Bei 100 % relativer Luftfeuchtigkeit ist die Feuchtkugeltemperatur gleich der Lufttemperatur (Trockenkugeltemperatur); bei geringerer Luftfeuchtigkeit ist die Feuchtkugeltemperatur aufgrund der Verdunstungskälte niedriger als die Trockenkugeltemperatur.

Die Feuchtkugeltemperatur ist definiert als die Temperatur eines Luftpakets, das durch die Verdunstung von Wasser bis zur Sättigung (100 % relative Luftfeuchtigkeit) abgekühlt wird, wobei die latente Wärme von dem Paket geliefert wird. Ein Feuchtkugelthermometer zeigt eine Temperatur an, die der wahren (thermodynamischen) Feuchtkugeltemperatur nahe kommt. Die Feuchtkugeltemperatur ist die niedrigste Temperatur, die unter den aktuellen Umgebungsbedingungen nur durch die Verdunstung von Wasser erreicht werden kann.

Selbst wärmeangepasste Menschen können normale Aktivitäten im Freien nicht über eine Feuchtkugeltemperatur von 32 °C (90 °F) hinaus ausüben, was einem Hitzeindex von 55 °C (130 °F) entspricht. Die theoretische Grenze für das Überleben des Menschen für mehr als ein paar Stunden im Schatten, selbst bei unbegrenzter Wasserversorgung, liegt bei einer Feuchttemperatur von 35 °C (95 °F), was einem Hitzeindex von 70 °C (160 °F) entspricht.

Die Kühlgrenztemperatur, gemessen als Feuchtkugeltemperatur , ist die tiefste Temperatur, die sich durch direkte Verdunstungskühlung erreichen lässt. Dabei steht die Wasserabgabe einer feuchten Oberfläche mit dem Wasseraufnahmevermögen der umgebenden Luft im Gleichgewicht. Aufgrund der Verdunstungskälte liegt die Kühlgrenztemperatur in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchte unterhalb der Lufttemperatur. Die Kühlgrenztemperatur spielt unter anderem für die Wärmeregulation von Lebewesen eine wichtige Rolle. Liegt sie zu hoch, können Organismen wie der Mensch keine Wärme mehr in die Umgebung abgeben und es kommt zu einer lebensbedrohlichen Überhitzung.

Intuition

Wenn ein Thermometer in ein mit Wasser befeuchtetes Tuch eingewickelt ist, verhält es sich anders. Je trockener und weniger feucht die Luft ist, desto schneller verdunstet das Wasser. Je schneller das Wasser verdunstet, desto niedriger ist die Temperatur des Thermometers im Verhältnis zur Lufttemperatur.

Wasser kann nur verdunsten, wenn die umgebende Luft mehr Wasser aufnehmen kann. Dies wird gemessen, indem man vergleicht, wie viel Wasser sich in der Luft befindet und wie viel Wasser maximal in der Luft sein könnte - die relative Luftfeuchtigkeit. 0 % bedeutet, dass die Luft völlig trocken ist, und 100 % bedeutet, dass die Luft alles Wasser enthält, das sie unter den gegebenen Umständen aufnehmen kann, und dass sie kein weiteres Wasser (egal aus welcher Quelle) aufnehmen kann.

Dies ist ein Teil der Ursache für die scheinbare Temperatur des Menschen. Je trockener die Luft ist, desto mehr Feuchtigkeit kann sie über das bereits vorhandene Maß hinaus aufnehmen, und desto leichter kann zusätzliches Wasser verdunsten. Dies hat zur Folge, dass Schweiß in trockener Luft schneller verdunstet und die Haut schneller abkühlt. Bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 100 % kann kein Wasser verdunsten, und eine Kühlung durch Schwitzen oder Verdunstung ist nicht möglich.

Bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 100 % kann auch ein Feuchtthermometer nicht mehr durch Verdunstung gekühlt werden, so dass es die gleiche Anzeige wie ein unverpacktes Thermometer hat.

Allgemein

Die Feuchtkugeltemperatur ist die niedrigste Temperatur, die durch Verdunstungskühlung einer mit Wasser benetzten, belüfteten Oberfläche erreicht werden kann.

Im Gegensatz dazu ist der Taupunkt die Temperatur, auf die die Umgebungsluft abgekühlt werden muss, um eine relative Luftfeuchtigkeit von 100 % zu erreichen, vorausgesetzt, es findet keine weitere Verdunstung in die Luft statt; es ist der Punkt, an dem sich Kondensation (Tau) und Wolken bilden würden.

Bei einem Luftpaket, das weniger als gesättigt ist (d. h. bei Luft mit weniger als 100 % relativer Luftfeuchtigkeit), ist die Feuchtkugeltemperatur niedriger als die Trockenkugeltemperatur, aber höher als die Taupunkttemperatur. Je niedriger die relative Luftfeuchtigkeit (je trockener die Luft), desto größer sind die Abstände zwischen diesen drei Temperaturen. Steigt die relative Luftfeuchtigkeit dagegen auf 100 %, stimmen die drei Werte überein.

Für Luft mit bekanntem Druck und bekannter Trockenkugeltemperatur entspricht die thermodynamische Feuchtkugeltemperatur eindeutigen Werten für die relative Luftfeuchtigkeit und die Taupunkttemperatur. Sie kann daher für die praktische Bestimmung dieser Werte verwendet werden. Die Beziehungen zwischen diesen Werten sind in einem psychrometrischen Diagramm dargestellt.

Die Abkühlung des menschlichen Körpers durch Schwitzen wird im Sommer durch den Anstieg der relativen Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft behindert. Im Winter können andere Mechanismen am Werk sein, wenn der Begriff der "feuchten" oder "nassen Kälte" zutrifft.

Niedrigere Feuchtkugeltemperaturen, die mit einer trockeneren Luft im Sommer korrespondieren, können zu Energieeinsparungen in klimatisierten Gebäuden führen, und zwar durch

  1. Geringerer Entfeuchtungsaufwand für die Lüftungsluft
  2. Erhöhter Wirkungsgrad von Kühltürmen
  3. erhöhte Effizienz von Verdunstungskühlern

Thermodynamische Feuchtkugeltemperatur

Die thermodynamische Feuchtkugeltemperatur oder adiabatische Sättigungstemperatur ist die Temperatur, die ein Luftvolumen hätte, wenn es durch die Verdunstung von Wasser adiabatisch bis zur Sättigung abgekühlt würde, wobei die gesamte latente Wärme von dem Luftvolumen geliefert wird.

Die Temperatur einer Luftprobe, die eine große Oberfläche des flüssigen Wassers in einem isolierten Kanal passiert hat, wird als thermodynamische Feuchtkugeltemperatur bezeichnet - die Luft ist gesättigt, wenn sie eine ideale, adiabatische Sättigungskammer mit konstantem Druck passiert hat.

Meteorologen und andere verwenden den Begriff "isobare Feuchtkugeltemperatur", um die "thermodynamische Feuchtkugeltemperatur" zu bezeichnen. Sie wird auch als "adiabatische Sättigungstemperatur" bezeichnet, obwohl Meteorologen den Begriff "adiabatische Sättigungstemperatur" auch für die "Temperatur am Sättigungsniveau" verwenden, d. h. die Temperatur, die das Paket erreichen würde, wenn es sich adiabatisch bis zur Sättigung ausdehnen würde.

Die thermodynamische Feuchtkugeltemperatur wird in einem psychrometrischen Diagramm aufgetragen.

Die thermodynamische Feuchtkugeltemperatur ist eine thermodynamische Eigenschaft eines Gemischs aus Luft und Wasserdampf. Der von einem einfachen Feuchtkugelthermometer angezeigte Wert bietet oft eine angemessene Annäherung an die thermodynamische Feuchtkugeltemperatur.

Bei einem genauen Feuchtkugelthermometer sind "die Feuchtkugeltemperatur und die adiabatische Sättigungstemperatur für Luft-Wasserdampf-Gemische bei atmosphärischer Temperatur und atmosphärischem Druck ungefähr gleich. Dies gilt nicht unbedingt für Temperaturen und Drücke, die erheblich von den normalen atmosphärischen Bedingungen abweichen, oder für andere Gas-Dampf-Gemische".

Temperaturanzeige des Feuchtkugelthermometers

Ein Nass- und Trocken-Hygrometer mit einem Feuchtthermometer

Die Feuchtkugeltemperatur wird mit einem Thermometer gemessen, dessen Messfühler in einen Stoff eingewickelt ist, der durch Dochtwirkung mit destilliertem Wasser feucht gehalten wird. Ein solches Gerät wird als Feuchtthermometer bezeichnet. Ein weit verbreitetes Gerät zur Messung der Feucht- und Trockenthermometertemperatur ist das Schleuderpsychrometer, das aus zwei Quecksilberthermometern besteht, von denen eines mit einem nassen "Strumpf" zur Messung der Feuchttemperatur und das andere mit freiliegendem und trockenem Kolben zur Messung der Trockenthermometertemperatur ausgestattet ist. Die Thermometer sind an einem schwenkbaren Griff befestigt, mit dem sie herumgewirbelt werden können, so dass das Wasser aus dem Strumpf verdunstet und den nassen Kolben abkühlt, bis er das thermische Gleichgewicht erreicht.

Ein tatsächliches Feuchtkugelthermometer zeigt eine Temperatur an, die leicht von der thermodynamischen Feuchtkugeltemperatur abweicht, deren Werte aber sehr nahe beieinander liegen. Dies ist auf einen Zufall zurückzuführen: Für ein Wasser-Luft-System ist das psychrometrische Verhältnis (siehe unten) zufällig nahe bei 1, obwohl es für andere Systeme als Luft und Wasser nicht unbedingt nahe beieinander liegt.

Um zu verstehen, warum dies so ist, betrachten wir zunächst die Berechnung der thermodynamischen Feuchtkugeltemperatur.

Versuch 1

In diesem Fall wird ein Strom ungesättigter Luft abgekühlt. Die Wärme aus der Abkühlung der Luft wird genutzt, um Wasser zu verdampfen, wodurch sich die Luftfeuchtigkeit erhöht. Irgendwann ist die Luft mit Wasserdampf gesättigt (und hat sich auf die thermodynamische Feuchtkugeltemperatur abgekühlt). In diesem Fall können wir die folgende Energiebilanz pro Masse trockener Luft aufstellen:

  • gesättigter Wassergehalt der Luft (kgH2O/kgtrockene Luft)
  • Anfangswassergehalt der Luft (gleiche Einheit wie oben)
  • latente Wärme des Wassers (J/kgH2O)
  • Anfangstemperatur der Luft (K)
  • Sättigungstemperatur der Luft (K)
  • spezifische Wärme der Luft (J/kg-K)

Versuch 2

Für den Fall des Feuchtthermometers stelle man sich einen Wassertropfen vor, über den ungesättigte Luft geblasen wird. Solange der Dampfdruck des Wassers im Tropfen (abhängig von seiner Temperatur) größer ist als der Partialdruck des Wasserdampfes im Luftstrom, findet eine Verdampfung statt. Die für die Verdunstung benötigte Wärme kommt zunächst aus dem Tropfen selbst, da die sich am schnellsten bewegenden Wassermoleküle am ehesten der Oberfläche des Tropfens entkommen, so dass die verbleibenden Wassermoleküle eine geringere Durchschnittsgeschwindigkeit und damit eine niedrigere Temperatur haben. Wäre dies das Einzige, was passieren würde, und die Luft wäre zu Beginn völlig trocken, dann würde der Partialdruck des Wasserdampfes konstant bei Null bleiben und der Tropfen würde unendlich kalt werden, wenn die Luft schnell genug weht.

Stattdessen ist der Tropfen zu Beginn der Abkühlung nun kälter als die Luft, so dass eine konvektive Wärmeübertragung von der Luft auf den Tropfen stattfindet. Darüber hinaus hängt die Verdunstungsrate von der Differenz der Wasserdampfkonzentration zwischen der Grenzfläche zwischen Tropfen und Strom (d. h. dem "ursprünglichen", vom Tropfen unbeeinflussten Strom) sowie von einem konvektiven Stoffübergangskoeffizienten ab, der eine Funktion der Komponenten des Gemischs (d. h. Wasser und Luft) ist.

Nach einer gewissen Zeit ist ein Gleichgewicht erreicht: Der Tropfen hat sich bis zu einem Punkt abgekühlt, an dem die durch Verdunstung abgeführte Wärmemenge gleich der durch Konvektion gewonnenen Wärme ist. An diesem Punkt gilt die folgende Energiebilanz pro Grenzfläche:

  • Wassergehalt der Grenzfläche im Gleichgewicht (kgH2O/kgtrockener Luft) (die Luft in dieser Region ist und war immer gesättigt)
  • Wassergehalt der entfernten Luft (gleiche Einheit wie oben)
  • Stoffübergangskoeffizient (kg/m2⋅s)
  • Lufttemperatur in der Entfernung (K)
  • Temperatur des Wassertropfens im Gleichgewicht (K)
  • konvektiver Wärmeübergangskoeffizient (W/m2-K)

Beachten Sie, dass:

  • die treibende Kraft für den Stofftransport ist (konstant gleich während des gesamten Experiments)
  • die treibende Kraft für den Wärmeübergang ist (wenn erreicht erreicht, ist das Gleichgewicht erreicht)

Stellen wir diese Gleichung um in:

Kehren wir nun zu unserem ursprünglichen "thermodynamischen Wet-Bulb"-Experiment, Experiment 1, zurück. Wenn der Luftstrom in beiden Experimenten derselbe ist (d. h. und gleich sind), dann können wir die rechten Seiten beider Gleichungen gleichsetzen:

Umstellen:

Wenn dann ist die Temperatur des Tropfens in Versuch 2 die gleiche wie die Feuchtkugeltemperatur in Versuch 1. Zufälligerweise ist dies für das Gemisch aus Luft und Wasserdampf der Fall, da das Verhältnis (psychrometrisches Verhältnis genannt) nahe bei 1 liegt.

Versuch 2 zeigt, was in einem gewöhnlichen Feuchtkugelthermometer geschieht, das heißt, dass sein Messwert ziemlich nahe an der thermodynamischen ("echten") Feuchtkugeltemperatur liegt.

Experimentell zeigt das Feuchtkugelthermometer die thermodynamische Feuchtkugeltemperatur am nächsten an, wenn:

  • die Socke vom Strahlungswärmeaustausch mit ihrer Umgebung abgeschirmt ist
  • die Luft schnell genug an der Socke vorbeiströmt, um zu verhindern, dass die verdunstete Feuchtigkeit die Verdunstung aus der Socke beeinflusst
  • das der Socke zugeführte Wasser die gleiche Temperatur hat wie die thermodynamische Feuchtkugeltemperatur der Luft

In der Praxis weicht der von einem Feuchtkugelthermometer angezeigte Wert leicht von der thermodynamischen Feuchtkugeltemperatur ab, weil:

  • Der Strumpf ist nicht perfekt gegen den Austausch von Strahlungswärme abgeschirmt.
  • Der Luftdurchsatz durch den Strumpf kann suboptimal sein.
  • Die Temperatur des dem Strumpf zugeführten Wassers wird nicht kontrolliert.

Bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von weniger als 100 % verdunstet das Wasser aus dem Fühler und kühlt ihn unter die Umgebungstemperatur ab. Um die relative Luftfeuchtigkeit zu bestimmen, wird die Umgebungstemperatur mit einem gewöhnlichen Thermometer gemessen, das in diesem Zusammenhang besser als Trockenthermometer bekannt ist. Bei einer gegebenen Umgebungstemperatur führt eine geringere relative Luftfeuchtigkeit zu einer größeren Differenz zwischen der Temperatur an der trockenen und der feuchten Glühbirne; die feuchte Glühbirne ist kälter. Die genaue relative Luftfeuchtigkeit wird durch Ablesen eines psychrometrischen Diagramms der Feuchtkugel- und Trockenkugeltemperaturen oder durch Berechnung ermittelt.

Psychrometer sind Instrumente, die sowohl ein Feuchtkugel- als auch ein Trockenkugelthermometer haben.

Ein Feuchtkugelthermometer kann auch im Freien bei Sonnenlicht in Kombination mit einem Globusthermometer (das die einfallende Strahlungstemperatur misst) verwendet werden, um die Feuchtkugeltemperatur (WBGT) zu berechnen.

Adiabatische Feuchtkugeltemperatur

Die adiabatische Feuchtkugeltemperatur ist die Temperatur, die ein Luftvolumen hätte, wenn es adiabatisch bis zur Sättigung abgekühlt und dann adiabatisch auf den ursprünglichen Druck in einem feucht-adiabatischen Prozess komprimiert würde (AMS Glossar). Eine solche Abkühlung kann auftreten, wenn der Luftdruck mit der Höhe abnimmt, wie in dem Artikel über die erhöhte Kondensationshöhe beschrieben.

Dieser Begriff, wie er in diesem Artikel definiert wird, dürfte in der Meteorologie am weitesten verbreitet sein.

Da der als "thermodynamische Feuchtkugeltemperatur" bezeichnete Wert ebenfalls durch einen adiabatischen Prozess erreicht wird, verwenden einige Ingenieure und andere den Begriff "adiabatische Feuchtkugeltemperatur", um auf die "thermodynamische Feuchtkugeltemperatur" hinzuweisen. Wie bereits erwähnt, verwenden Meteorologen und andere den Begriff "isobare Feuchtkugeltemperatur", um die "thermodynamische Feuchtkugeltemperatur" zu bezeichnen.

"Die Beziehung zwischen dem isobaren und dem adiabatischen Prozess ist ziemlich unklar. Vergleiche zeigen jedoch, dass sich die beiden Temperaturen selten um mehr als ein paar Zehntel Grad Celsius unterscheiden, und die adiabatische Version ist bei ungesättigter Luft immer die kleinere von beiden. Da der Unterschied so gering ist, wird er in der Praxis meist vernachlässigt."

Feuchtkugeldepression

Die Feuchtkugeldepression ist die Differenz zwischen der Trockenkugeltemperatur und der Feuchtkugeltemperatur. Bei einer Luftfeuchtigkeit von 100 % sind Trockentemperatur und Feuchttemperatur identisch, so dass die Feuchttemperaturdepression unter solchen Bedingungen gleich Null ist.

Feuchtkugeltemperatur und Gesundheit

Lebende Organismen können nur innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs überleben. Wenn die Umgebungstemperatur zu hoch ist, kühlen sich viele Tiere durch Verdunstungskälte (Schweiß bei Menschen und Pferden, Speichel und Wasser bei Hunden und anderen Säugetieren) unter die Umgebungstemperatur ab, um eine potenziell tödliche Hyperthermie aufgrund von Hitzestress zu verhindern. Die Wirksamkeit der Verdunstungskühlung hängt von der Luftfeuchtigkeit ab; die Feuchtkugeltemperatur oder komplexere berechnete Größen wie die Feuchtkugeltemperatur (WBGT), die auch die Sonneneinstrahlung berücksichtigt, geben einen nützlichen Hinweis auf den Grad des Hitzestresses und werden von mehreren Behörden als Grundlage für Leitlinien zur Vermeidung von Hitzestress verwendet.

Eine anhaltende Feuchtkugeltemperatur von über 35 °C (95 °F) ist selbst für fitte und gesunde Menschen, die unbekleidet im Schatten neben einem Ventilator sitzen, wahrscheinlich tödlich; bei dieser Temperatur geht der menschliche Körper von der Wärmeabgabe an die Umgebung zur Wärmeaufnahme über. In der Praxis werden solche idealen Bedingungen für die menschliche Abkühlung nicht immer gegeben sein - daher die hohe Zahl der Todesopfer bei den Hitzewellen in Europa 2003 und in Russland 2010, bei denen die Feuchtkugeltemperaturen nicht über 28 °C lagen.

Eine Studie aus dem Jahr 2015 kam zu dem Schluss, dass je nach dem Ausmaß der künftigen globalen Erwärmung Teile der Welt aufgrund tödlicher Feuchtkugeltemperaturen unbewohnbar werden könnten. In einer Studie aus dem Jahr 2020 wird von Fällen berichtet, in denen eine Feuchtkugeltemperatur von 35 °C bereits aufgetreten ist, wenn auch zu kurz und an einem zu kleinen Ort, um Todesopfer zu fordern.

Im Jahr 2018 führte South Carolina neue Vorschriften ein, um High-School-Schüler vor hitzebedingten Notfällen bei Aktivitäten im Freien zu schützen. Für Feuchtkugeltemperaturen zwischen 27,8 °C (82,0 °F) und 33,3 °C (92,0 °F) gelten spezifische Richtlinien und Einschränkungen; bei Feuchtkugeltemperaturen von 33,4 °C (92,1 °F) oder mehr müssen alle Aktivitäten im Freien abgesagt werden.

Hitzewellen mit hoher Luftfeuchtigkeit

  • Am 8. Juli 2003 wurde in Dhahran, Saudi-Arabien, mit 81 °C (178 °F) bei einer Temperatur von 42 °C (108 °F) und einem Taupunkt von 35 °C (95 °F) der höchste jemals aufgezeichnete Hitzeindex gemessen.
  • Bei der Hitzewelle 2015 in Indien erreichten die Feuchtkugeltemperaturen in Andhra Pradesh 30 °C (86 °F). Eine ähnliche Feuchtkugeltemperatur wurde während der Hitzewelle 1995 in Chicago erreicht.
  • Bei einer Hitzewelle im August 2015 wurden in Samawah, Irak, Temperaturen von 48,6 °C (119,5 °F) und ein Taupunkt von 29,5 °C (85,1 °F) und in Bandar-e Mahshahr, Iran, 114,8 °F (46,0 °C) mit einem Taupunkt von 89,6 °F (32,0 °C) gemessen. Dies bedeutete Feuchtkugeltemperaturen von etwa 33,5 °C (92,3 °F) bzw. 34,7 °C (94,5 °F). Die Regierung rief die Bewohner auf, sich nicht in der Sonne aufzuhalten und viel Wasser zu trinken.

Höchste gemessene Feuchtkugeltemperaturen

An den folgenden Orten wurden Feuchtkugeltemperaturen von 34 °C (93 °F) oder höher gemessen. Die Wetterstationen befinden sich in der Regel an Flughäfen, so dass an anderen Orten in der Stadt möglicherweise höhere Werte gemessen wurden.

WT (°C) Stadt und Staat Land
36.3 Ras Al Khaimah Stadt, Ras Al Khaimah UAE
36.2 Jacobabad, Sindh Pakistan
36 Mekka Saudi-Arabien
35.8 Hisar, Haryana Indien
35.6 Yannarie, Westaustralien Australien
35.4 Villahermosa, Tabasco Mexiko
35.1 [ungenannter Ort], Khyber Pakhtunkhwa Pakistan
35 Maracaibo Venezuela
35 Matlapa, San Luis Potosi Mexiko
35 Choix, Sinaloa Mexiko
34.8 La Paz, Baja California Sur Mexiko
34.8 Soto la Marina, Tamaulipas Mexiko
34.7 Medina Saudi-Arabien
34.7 Bandar Abbas Iran
34.6 Machilipatnam mandal, Andhra Pradesh Indien
34.5 Sahadevkhunta, Balasore, Odisha Indien
34.4 Bamako Mali
34.4 Chicxulub, Yucatán Mexiko
34.1 Rangun Myanmar
34 Ajnala, Punjab Indien
34 Port Hedland, Westaustralien Australien
34 Empalme, Sonora Mexiko
34 Tuxpan, Veracruz Mexiko
34 Departement Paysandú Uruguay

Globale Erwärmung

Studienergebnisse deuten darauf hin, dass eine Begrenzung der globalen Erwärmung auf 1,5 °C verhindern würde, dass der größte Teil der Tropen die Feuchtkugeltemperatur der menschlichen physiologischen Grenze von 35 °C erreicht.