Indeks ciepła

Indeks ciepła ( HI ) to wskaźnik, który łączy temperaturę powietrza i wilgotność względną w zacienionych obszarach, aby ustalić temperaturę równoważną postrzeganą przez człowieka, taką jak uczucie gorąca, gdyby wilgotność była inną wartością w cieniu. Wynik jest również znany jako „odczuwalna temperatura powietrza”, „ pozorna temperatura ”, „rzeczywiste odczucie” lub „odczucie”. Na przykład, gdy temperatura wynosi 32°C (90°F) przy wilgotności względnej 70%, wskaźnik ciepła wynosi 41°C (106°F). Wilgotność, przy której wskaźnik ciepła wydaje się być sobą, zwykle nie jest określona. Przykładowy wskaźnik ciepła w tym przypadku, 41°C, wydaje się 41°C tylko wtedy, gdy wilgotność wynosi 21%.

Ludzkie ciało zwykle ochładza się przez pocenie się lub pocenie. Ciepło jest usuwane z organizmu przez odparowanie potu. Jednak wysoka wilgotność względna zmniejsza szybkość parowania. Skutkuje to mniejszą szybkością odprowadzania ciepła z organizmu, stąd uczucie przegrzania. Efekt ten jest subiektywny, ponieważ różne osoby inaczej postrzegają ciepło z różnych powodów (takich jak różnice w budowie ciała, różnice metaboliczne, różnice w nawodnieniu, ciąża , menopauza , skutki leków lub odstawienie leków) ); jego pomiar został oparty na subiektywnych opisach tego, jak gorąco czują się badani przy danej temperaturze i wilgotności. Skutkuje to wskaźnikiem ciepła, który odnosi jedną kombinację temperatury i wilgotności do innej.

Ponieważ wskaźnik ciepła opiera się na temperaturach w cieniu, podczas gdy ludzie często przemieszczają się po obszarach nasłonecznionych, wskaźnik ciepła może dawać znacznie niższą temperaturę niż rzeczywiste warunki typowej aktywności na świeżym powietrzu. Również dla osób ćwiczących lub aktywnych w tym czasie indeks ciepła może dać temperaturę niższą niż warunki odczuwalne.

Historia

Indeks ciepła został opracowany w 1979 roku przez Roberta G. Steadmana. Podobnie jak chłodu wiatru , wskaźnik ciepła zawiera założenia dotyczące masy i wzrostu człowieka, ubioru, ilości aktywności fizycznej, indywidualnej tolerancji ciepła, ekspozycji na światło słoneczne i promieniowanie ultrafioletowe oraz prędkości wiatru. Znaczne odchylenia od tych wartości spowodują, że wartości wskaźnika ciepła nie odzwierciedlają dokładnie odczuwanej temperatury.

W Kanadzie podobny humidex (kanadyjska innowacja wprowadzona w 1965 r.) jest używany zamiast wskaźnika ciepła. Podczas gdy zarówno Humidex, jak i wskaźnik ciepła są obliczane na podstawie punktu rosy, Humidex wykorzystuje jako podstawę punkt rosy 7°C (45°F), podczas gdy wskaźnik ciepła bazuje na punkcie rosy 14°C (57°F). ). Ponadto, wskaźnik ciepła wykorzystuje równania bilansu cieplnego, które uwzględniają wiele zmiennych innych niż prężność pary, która jest używana wyłącznie w obliczeniach humideksu. Wspólny komitet utworzona przez Stany Zjednoczone i Kanadę w celu rozwiązania sporów, została od tego czasu rozwiązana.

Definicja

Wskaźnik ciepła danej kombinacji temperatury ( termometru suchego ) i wilgotności definiuje się jako temperaturę termometru suchego, która byłaby taka sama, gdyby ciśnienie pary wodnej wynosiło 1,6 kPa . Cytując Steadmana: „Na przykład pozorna temperatura 24 ° C (75 ° F) odnosi się do tego samego poziomu parności i tych samych wymagań dotyczących odzieży, co temperatura suchego termometru 24 ° C (75 ° F) o prężności pary 1,6 kPa.”

wykresie psychrometrycznym na poziomie morza , aw tabeli Steadmana przy 40% wilgotności względnej pozorna temperatura jest równa rzeczywistej temperaturze między 26–31 ° C (79–88 ° F). Przy standardowym ciśnieniu atmosferycznym (101,325 kPa) ta linia bazowa odpowiada również punktowi rosy 14 ° C (57 ° F) i stosunkowi mieszania 0,01 (10 g pary wodnej na kilogram suchego powietrza).

Dana wartość wilgotności względnej powoduje większe przyrosty współczynnika ciepła przy wyższych temperaturach. Na przykład przy około 27°C (81°F) wskaźnik ciepła będzie zgodny z rzeczywistą temperaturą, jeśli wilgotność względna wynosi 45%, ale przy 43°C (109°F) każdy odczyt wilgotności względnej powyżej 18% sprawi, że wskaźnik ciepła będzie wyższy niż 43 °C .

Sugerowano, że opisane równanie jest ważne tylko wtedy, gdy temperatura wynosi 27 ° C (81 ° F) lub więcej. Próg wilgotności względnej, poniżej którego obliczenie wskaźnika ciepła zwróci liczbę równą lub niższą od temperatury powietrza (niższy wskaźnik ciepła jest ogólnie uważany za nieważny), zmienia się wraz z temperaturą i nie jest liniowy. Próg jest zwykle ustalany na arbitralnie 40%.

Indeks cieplny i jego odpowiednik humidex uwzględniają tylko dwie zmienne, temperaturę cienia i wilgotność atmosferyczną, zapewniając w ten sposób jedynie ograniczone oszacowanie komfortu cieplnego . Dodatkowe czynniki, takie jak wiatr, nasłonecznienie i indywidualny dobór odzieży, również wpływają na postrzeganą temperaturę; współczynniki te są sparametryzowane jako stałe we wzorze na wskaźnik ciepła. Na przykład przyjmuje się, że wiatr ma prędkość 5 węzłów (9,3 km/h). Wiatr przechodzący przez mokrą lub spoconą skórę powoduje parowanie i uczucie chłodu efekt, którego wskaźnik ciepła nie mierzy. Innym ważnym czynnikiem jest słońce; stojąc w bezpośrednim świetle słonecznym może zwiększyć pozorne ciepło do 15 ° F (8,3 ° C) w porównaniu z cieniem. Podejmowano próby stworzenia uniwersalnej temperatury pozornej , takiej jak temperatura mokrego termometru , „względna temperatura zewnętrzna”, „odczuwanie” lub zastrzeżony „ RealFeel ”.

Względy meteorologiczne

Na zewnątrz w warunkach otwartych, wraz ze wzrostem wilgotności względnej, najpierw tworzy się zamglenie, aw końcu gęstsza pokrywa chmur, zmniejszając ilość bezpośredniego światła słonecznego docierającego do powierzchni. Zatem istnieje odwrotna zależność między maksymalną potencjalną temperaturą a maksymalną potencjalną wilgotnością względną. Z powodu tego czynnika kiedyś uważano, że najwyższy odczyt wskaźnika ciepła, jaki można faktycznie osiągnąć na Ziemi, wynosi około 71 ° C (160 ° F). Jednak w Dhahran w Arabii Saudyjskiej w dniu 8 lipca 2003 r. punkt rosy wynosiła 35 ° C (95 ° F), podczas gdy temperatura wynosiła 42 ° C (108 ° F), co skutkowało wskaźnikiem ciepła 81 ° C (178 ° F).

Ludzkie ciało wymaga chłodzenia wyparnego, aby zapobiec przegrzaniu. Temperatura mokrego termometru i temperatura wilgotnego termometru kulistego są używane do określenia zdolności ciała do eliminacji nadmiaru ciepła. Utrzymująca się temperatura mokrego termometru około 35 ° C (95 ° F) może być śmiertelna dla zdrowych ludzi; w tej temperaturze nasze ciała przestawiają się z oddawania ciepła do otoczenia na pozyskiwanie ciepła z niego. Tak więc temperatura mokrego termometru 35 ° C (95 ° F) jest progiem, powyżej którego organizm nie jest już w stanie odpowiednio się ochłodzić.

Tabela wartości

Poniższa tabela pochodzi z amerykańskiej Narodowej Administracji Oceanicznej i Atmosferycznej . Kolumny zaczynają się przy 80 ° F (27 ° C), ale istnieje również efekt wskaźnika ciepła przy 79 ° F (26 ° C) i podobnych temperaturach, gdy występuje wysoka wilgotność.

Narodowy serwis pogodowy NOAA : wskaźnik ciepła

Temperatura _ Wilgotność względna	80 ° F (27 ° C)	82 ° F (28 ° C)	84 ° F (29 ° C)	86 ° F (30 ° C)	88 ° F (31 ° C)	90 ° F (32 ° C)	92 ° F (33 ° C)	94 ° F (34 ° C)	96 ° F (36 ° C)	98 ° F (37 ° C)	100 ° F (38 ° C)	102 ° F (39 ° C)	104 ° F (40 ° C)	106 ° F (41 ° C)	108 ° F (42 ° C)	110 ° F (43 ° C)
40%	80 ° F (27 ° C)	81 ° F (27 ° C)	83 ° F (28 ° C)	85 ° F (29 ° C)	88 ° F (31 ° C)	91 ° F (33 ° C)	94 ° F (34 ° C)	97 ° F (36 ° C)	101 ° F (38 ° C)	105 ° F (41 ° C)	109 ° F (43 ° C)	114 ° F (46 ° C)	119 ° F (48 ° C)	124 ° F (51 ° C)	130 ° F (54 ° C)	136 ° F (58 ° C)
45%	80 ° F (27 ° C)	82 ° F (28 ° C)	84 ° F (29 ° C)	87 ° F (31 ° C)	89 ° F (32 ° C)	93 ° F (34 ° C)	96 ° F (36 ° C)	100 ° F (38 ° C)	104 ° F (40 ° C)	109 ° F (43 ° C)	114 ° F (46 ° C)	119 ° F (48 ° C)	124 ° F (51 ° C)	130 ° F (54 ° C)	137 ° F (58 ° C)
50%	81 ° F (27 ° C)	83 ° F (28 ° C)	85 ° F (29 ° C)	88 ° F (31 ° C)	91 ° F (33 ° C)	95 ° F (35 ° C)	99 ° F (37 ° C)	103 ° F (39 ° C)	108 ° F (42 ° C)	113 ° F (45 ° C)	118 ° F (48 ° C)	124 ° F (51 ° C)	131 ° F (55 ° C)	137 ° F (58 ° C)
55%	81 ° F (27 ° C)	84 ° F (29 ° C)	86 ° F (30 ° C)	89 ° F (32 ° C)	93 ° F (34 ° C)	97 ° F (36 ° C)	101 ° F (38 ° C)	106 ° F (41 ° C)	112 ° F (44 ° C)	117 ° F (47 ° C)	124 ° F (51 ° C)	130 ° F (54 ° C)	137 ° F (58 ° C)
60%	82 ° F (28 ° C)	84 ° F (29 ° C)	88 ° F (31 ° C)	91 ° F (33 ° C)	95 ° F (35 ° C)	100 ° F (38 ° C)	105 ° F (41 ° C)	110 ° F (43 ° C)	116 ° F (47 ° C)	123 ° F (51 ° C)	129 ° F (54 ° C)	137 ° F (58 ° C)
65%	82 ° F (28 ° C)	85 ° F (29 ° C)	89 ° F (32 ° C)	93 ° F (34 ° C)	98 ° F (37 ° C)	103 ° F (39 ° C)	108 ° F (42 ° C)	114 ° F (46 ° C)	121 ° F (49 ° C)	128 ° F (53 ° C)	136 ° F (58 ° C)
70%	83 ° F (28 ° C)	86 ° F (30 ° C)	90 ° F (32 ° C)	95 ° F (35 ° C)	100 ° F (38 ° C)	105 ° F (41 ° C)	112 ° F (44 ° C)	119 ° F (48 ° C)	126 ° F (52 ° C)	134 ° F (57 ° C)
75%	84 ° F (29 ° C)	88 ° F (31 ° C)	92 ° F (33 ° C)	97 ° F (36 ° C)	103 ° F (39 ° C)	109 ° F (43 ° C)	116 ° F (47 ° C)	124 ° F (51 ° C)	132 ° F (56 ° C)
80%	84 ° F (29 ° C)	89 ° F (32 ° C)	94 ° F (34 ° C)	100 ° F (38 ° C)	106 ° F (41 ° C)	113 ° F (45 ° C)	121 ° F (49 ° C)	129 ° F (54 ° C)
85%	85 ° F (29 ° C)	90 ° F (32 ° C)	96 ° F (36 ° C)	102 ° F (39 ° C)	110 ° F (43 ° C)	117 ° F (47 ° C)	126 ° F (52 ° C)	135 ° F (57 ° C)
90%	86 ° F (30 ° C)	91 ° F (33 ° C)	98 ° F (37 ° C)	105 ° F (41 ° C)	113 ° F (45 ° C)	122 ° F (50 ° C)	131 ° F (55 ° C)
95%	86 ° F (30 ° C)	93 ° F (34 ° C)	100 ° F (38 ° C)	108 ° F (42 ° C)	117 ° F (47 ° C)	127 ° F (53 ° C)
100%	87 ° F (31 ° C)	95 ° F (35 ° C)	103 ° F (39 ° C)	112 ° F (44 ° C)	121 ° F (49 ° C)	132 ° F (56 ° C)

        Legenda do kolorów:   Uwaga   Szczególna ostrożność   Niebezpieczeństwo   Skrajne niebezpieczeństwo

Na przykład, jeśli temperatura powietrza wynosi 96°F (36°C), a wilgotność względna 65%, indeks ciepła wynosi 121°F (49°C).

Wpływ wskaźnika ciepła (wartości zacienienia)

Indeks ciepła dla temperatury w °C z zacienionymi zakresami ostrzeżenia/niebezpieczeństwa

Celsjusz	Notatki
27–32°C	Uwaga: zmęczenie jest możliwe przy długotrwałym narażeniu i aktywności. Kontynuowanie aktywności może spowodować skurcze cieplne.
32–41°C	Szczególna ostrożność: możliwe są skurcze cieplne i wyczerpanie cieplne. Kontynuowanie aktywności może spowodować udar cieplny.
41–54°C	Niebezpieczeństwo: prawdopodobne są skurcze cieplne i wyczerpanie cieplne; udar cieplny jest prawdopodobny przy kontynuowaniu aktywności.
powyżej 54°C	Skrajne niebezpieczeństwo: zbliża się udar cieplny.

Wystawienie na pełne nasłonecznienie może zwiększyć wartości indeksu ciepła nawet o 8 ° C (14 ° F).

Formuła

Porównanie wartości wskaźnika ciepła NWS (kółka) z przybliżeniem wzoru (krzywe). W pliku SVG najedź kursorem na wykres, aby go podświetlić.

Istnieje wiele formuł opracowanych w celu przybliżenia oryginalnych tabel Steadmana. Andersona i in. (2013), NWS (2011), Jonson i Long (2004) oraz Schoen (2005) mają mniejsze reszty w tej kolejności. Pierwsze dwa to zbiór wielomianów, ale trzeci to pojedyncza formuła z funkcjami wykładniczymi.

Poniższy wzór przybliża wskaźnik ciepła w stopniach Fahrenheita z dokładnością do ±1,3 ° F (0,7 ° C). Jest wynikiem wielowymiarowego dopasowania (temperatura równa lub większa niż 80 ° F (27 ° C) i wilgotność względna równa lub większa niż 40%) do modelu ludzkiego ciała. To równanie odtwarza powyższą tabelę NOAA National Weather Service (z wyjątkiem wartości przy 90 ° F (32 ° C) i wilgotności względnej 45%/70%, które różnią się w niezaokrąglonym zakresie o mniej niż ± 1, odpowiednio).

$${\ Displaystyle \ operatorname {HI} = c_ {1} + c_ {2} T + c_ {3} R + c_ {4} TR + c_ {5} T ^ {2} + c_ {6} R ^ {2 }+c_{7}T^{2}R+c_{8}TR^{2}+c_{9}T^{2}R^{2}}$$

Gdzie

• HI = wskaźnik ciepła (w stopniach Fahrenheita)
• T = temperatura termometru suchego otoczenia (w stopniach Fahrenheita)
• R = wilgotność względna (wartość procentowa od 0 do 100)
• $${\ Displaystyle {\ rozpocząć {wyrównane} c_ {1} & = -42,379, & c_ {2} i = 2,049 \, 015 \, 23, i c_ {3} i = 10,143 \, 331 \, 27, \\ c_ { 4}&=-0,224\,755\,41,&c_{5}&=-6,837\,83\razy 10^{-3},&c_{6}&=-5,481\,717\razy 10^{- 2},\\c_{7}&=1,228\,74\razy 10^{-3},&c_{8}&=8,5282\razy 10^{-4},&c_{9}&=-1,99\razy 10^{-6}.\end{wyrównane}}}$$

Następujące współczynniki można wykorzystać do określenia wskaźnika ciepła, gdy temperatura jest podana w stopniach Celsjusza, gdzie

• HI = wskaźnik ciepła (w stopniach Celsjusza)
• T = temperatura termometru suchego otoczenia (w stopniach Celsjusza)
• R = wilgotność względna (wartość procentowa od 0 do 100)

$${\ Displaystyle {\ rozpocząć {wyrównane} c_ {1} & = -8,784 \,694\,755\,56,&c_{2}&=1,611\,394\,11,&c_{3}&=2,338\, 548\,838\,89,\\c_{4}&=-0,146\,116\,05,&c_{5}&=-0,012\,308\,094,&c_{6}&=-0,016\, 424\,827\,7778,\\c_{7}&=2,211\,732\razy 10^{-3},&c_{8}&=7,2546\razy 10^{-4},&c_{9}& =-3,582\razy 10^{-6}.\end{wyrównane}}}$$

Alternatywny zestaw stałych dla tego równania, który mieści się w zakresie ±3 ° F (1,7 ° C) w stosunku do tabeli głównej NWS dla wszystkich wilgotności od 0 do 80% i wszystkich temperatur między 70 a 115 ° F (21–46 ° C) i wszystkie wskaźniki ciepła poniżej 150 ° F (66 ° C) to:

$$& = 0,363 \ 445 \ 176 i c_ {2}&=0,988\,622\,465,&c_{3}&=4,777\,114\,035,\\c_{4}&=-0,114\,037\,667,&c_{5}&= -8,502\,08\razy 10^{-4},&c_{6}&=-2,071\,6198\razy 10^{-2},\\c_{7}&=6,876\,78\razy 10^ {-4},&c_{8}&=2,749\,54\razy 10^{-4},&c_{9}&=0.\end{wyrównane}}}$$

Kolejna alternatywa jest taka:

$${\ Displaystyle {\ rozpocząć {wyrównane} \ operatorname {HI} & = c_ {1} + c_ {2} T + c_ {3} R + c_ {4} TR + c_ {5} T ^ {2} + c_ {6}R^{2}+c_{7}T^{2}R+c_{8}TR^{2}+c_{9}T^{2}R^{2}+\\&\quad {}+c_{10}T^{3}+c_{11}R^{3}+c_{12}T^{3}R+c_{13}TR^{3}+c_{14}T^ {3}R^{2}+c_{15}T^{2}R^{3}+c_{16}T^{3}R^{3}\end{wyrównane}}}$$

Gdzie

$${\ Displaystyle {\ rozpocząć {wyrównane} c_ {1} & = 16,923, & c_ {2} i = 0,185 \, 212, i c_ {3} i = 5,379 \, 41, i c_ {4} i = -0,100 \, 254 ,\\c_{5}&=9,416\,95\razy 10^{-3},&c_{6}&=7,288\,98\razy 10^{-3},&c_{7}&=3,453\, 72\razy 10^{-4},&c_{8}&=-8,149\,71\razy 10^{-4},\\c_{9}&=1,021\,02\razy 10^{-5} ,&c_{10}&=-3,8646\razy 10^{-5},&c_{11}&=2,915\,83\razy 10^{-5},&c_{12}&=1,427\,21\razy 10 ^{-6},\\c_{13}&=1,974\,83\razy 10^{-7},&c_{14}&=-2,184\,29\razy 10^{-8},&c_{15 }&=8,432\,96\razy 10^{-10},&c_{16}&=-4,819\,75\razy 10^{-11}.\end{wyrównane}}}$$

Na przykład, używając tego ostatniego wzoru, przy temperaturze 90 °F (32 °C) i wilgotności względnej (RH) 85%, wynik byłby następujący: Wskaźnik ciepła dla 90 °F, RH 85% = 114,9.

Ograniczenia

Indeks ciepła nie działa dobrze w ekstremalnych warunkach, takich jak przesycenie powietrza - gdy powietrze jest nasycone wodą w ponad 100%. David Romps, fizyk i klimatolog z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley i jego doktorant Yi-Chuan Lu odkryli, że wskaźnik ciepła nie docenia dotkliwości intensywnych fal upałów, takich jak fala upałów w Chicago w 1995 roku . Inne problemy z indeksem ciepła obejmują niedostępność dokładnych danych dotyczących wilgotności w wielu regionach geograficznych, założenie, że dana osoba jest zdrowa i ma łatwy dostęp do wody i cienia.

Zobacz też

• Temperatura pozorna
• Komfort cieplny § Wzajemne oddziaływanie temperatury i wilgotności
• Humidex
• Temperatura mokrego termometru
• Chłód wiatru

Linki zewnętrzne

• Opis temperatury odczuwalnej i odczuwalnej Wzory w jednostkach metrycznych
• Kalkulator wskaźnika ciepła Oblicza zarówno ° F, jak i ° C
• Aktualna mapa globalnych wartości indeksu ciepła