Kühlgrenztemperatur

Die Kühlgrenztemperatur, gemessen als Feuchtkugeltemperatur $t_{\mathrm {F} }$, ist die tiefste Temperatur, die sich durch direkte Verdunstungskühlung in einer bestimmten Umgebung 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.

Berechnung

$t_{\mathrm {F} }\leq t_{\text{luft}}$

Legende:
t_FK ... Feuchtkugeltemperatur
t_L ... Lufttemperatur vor Beginn der Abkühlung
φ ... relative Feuchte der Luft (Ausgangsbedingung)

Erläuterung: Im Diagramm wird der Verlauf der Temperatur dargestellt, auf die sich feuchte Luft durch adiabatischen Energieentzug abkühlen lässt, wobei die so erreichte Endtemperatur umso niedriger ist, je geringer die Ausgangsfeuchte der Umgebungsluft ist. Anders gesagt kann ein Luftvolumen bestimmter relativer Feuchte bei gleicher Ausgangstemperatur und gleichem Umgebungsdruck umso mehr Wärme abgeben, je trockener die Umgebungsluft ist, an die diese Wärme abgegeben wird.

Die Temperaturabsenkung ist dabei umso größer, je trockener die umgebende Luft ist; umgekehrt kann aus der Temperaturdifferenz die Luftfeuchte bestimmt werden.

Gemessen wird die Feuchtkugeltemperatur durch eine psychrometrische Messung mit einem Thermometer, das mit einem befeuchteten Stoff- oder Watteüberzug versehen ist (Psychrometer). Bei dieser Messung wird die Feuchtkugel gut belüftet, so dass sich an ihr keine Grenzschicht bildet, in der die Umgebungsluft einen lokal höheren Dampfanteil trägt.

Die Kühlgrenztemperatur liegt (außer bei einer relativen Feuchte von 100 %) höher als die Temperatur $\tau$ des Taupunktes:

$t_{\mathrm {F} }\geq \tau$

Relevant ist die Kühlgrenztemperatur überall dort, wo Flüssigkeit in großen Mengen verdunstet wird. Der Kühleffekt kann dabei ein gewünschtes Ziel sein (z. B. bei der Verdunstungskühlung, Nasskühlung, Wassereinspritzung) oder ein Nebeneffekt (z. B. in der Trocknung, Konvektion­strocknung).

Belastungsgrenze des menschlichen Körpers

In der Human-Biometeorologie wird die Kühlgrenztemperatur angewendet, um Hitzestress anzuzeigen. Sie wird entweder direkt verwendet oder fließt in die Berechnung von Indizes ein, die gefühlte Temperatur und thermischen Stress quantifizieren, beispielsweise in den WBGT-Index (wet bulb globe temperature).

Sherwood und Huber (2010) schätzten, dass ein gesunder, im Schatten ruhender Mensch Kühlgrenztemperaturen von etwa 35 °C für ungefähr sechs Stunden überleben kann: Der Stoffwechsel eines ruhenden Menschen erzeugt etwa 100 W Wärmeleistung, die über die Haut an die Umgebung abgeführt werden müssen. Um unter Wahrung einer Kerntemperatur nahe 37 °C diese Wärme an die Haut abzuleiten, muss der Körper deren Temperatur bei 35 °C oder darunter halten. Die Haut führt die Wärme ihrerseits durch Konvektion und Verdunstung an die Umgebung ab. Beides ist auch bei guter Ventilation nur dann möglich, wenn deren Kühlgrenztemperatur noch unter der Hauttemperatur liegt. Dauerhaft höhere Temperaturen führen auch bei gesunden und akklimatisierten Menschen zur Überhitzung (Hyperthermie), schon bei 37–38 °C Hauttemperatur auf tödliche 42–43 °C im Körperinneren. Nach dieser Studie betrugen die höchsten zu diesem Zeitpunkt gemessenen Feuchtkugeltemperaturen an den meisten Orten der Erde etwa 26 bis 27 °C, wobei in Extremfällen auch Höchsttemperaturen von etwa 30 bis 31 °C gemessen werden konnten. Dabei zeigt sich, dass die Feuchtkugeltemperaturen auf der Erde über einige Regionen sehr ähnlich sind. Während die höchsten Lufttemperaturen in Wüsten erreicht werden, ist die Kühlgrenztemperatur dort aufgrund der geringen Luftfeuchtigkeit nicht höher als in den Tropen.

In einer an der Pennsylvania State University durchgeführten, 2022 veröffentlichten Studie an einigen jungen, gesunden Erwachsenen zeigten alle Probanden bei einer Kühlgrenztemperatur von 30 bis 31 °C und etwa 100 % relativer Feuchte unter mäßiger körperlicher Belastung eine kritische Erhöhung ihrer Haut- und Körperkerntemperatur. In heißerer, aber trockener Luft sei dieser Effekt schon zwischen 25 und 28 °C beobachtet worden, da die Schweißproduktion der Probanden sich trotz geringerer Luftfeuchtigkeit nicht weiter erhöht habe.

Langfristig kann eine nicht eingedämmte globale Erwärmung zu steigenden Feuchtkugeltemperaturen führen, so dass in einigen Teilen der Erde die Überlebensfähigkeit von Menschen nicht mehr gegeben ist. Nach einer Prognose von Im et al. aus dem Jahr 2016 könnten solche Bedingungen in Teilen Südasiens gegen Ende des 21. Jahrhunderts erreicht werden, in der indischen Metropolregion um Kalkutta wird die Kühlgrenztemperatur bereits heute „nahezu jährlich übertroffen“ (Stand: 2022). Die höchsten Werte der Kühlgrenztemperatur werden in der Golfregion gemessen. Dort hat sich die Kühlgrenztemperatur 2015 dem Wert von 35 Grad Celsius genähert. Eine Kühlgrenztemperatur von 35 °C wird beispielsweise bei einer relativen Luftfeuchte von 50 % und gleichzeitiger Lufttemperatur von 46 °C erreicht.

Weblinks

• Verdunstungskühlsysteme (Nasskühltürme) & Kühlgrenztemperatur (Memento vom 18. Januar 2015 im Internet Archive) (TU München)