mini|Gefühlte Temperaturdifferenz (Windchill-Faktor) bei 0 °C in Abhängigkeit vom Wind Der (englisch) bzw. die Windkühle (auch Windfrösteln) beschreibt den Unterschied zwischen der gemessenen Lufttemperatur und der gefühlten Temperatur in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit. Er ist definiert für Temperaturen unterhalb von ca. 10 °C.

Der Windchill-Effekt (englisch ) wird durch die konvektive Abführung hautnaher und damit relativ warmer Luft und die damit einhergehende Erhöhung der Verdunstungsrate hervorgerufen. Die für den Phasenübergang des Wassers notwendige Verdampfungsenthalpie wird dabei durch Wärmeleitung aus der Körperoberfläche abgezogen und kühlt diese dementsprechend ab. Der Wind hat daher die Wirkung, die Angleichung der Oberflächentemperatur des Körpers mit der Umgebungstemperatur der Luft zu beschleunigen, was Menschen als kühlend empfinden.

Während der Windchill vornehmlich für Temperaturen unterhalb der Behaglichkeit angewendet wird, ist für Temperaturen darüber der Hitzeindex aussagekräftiger. mini|Gefühlte Temperatur in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit

Quantifizierung – Größen des Windchill Es gibt verschiedene Möglichkeiten, den Windchill-Effekt zu quantifizieren, so zum Beispiel über den Wärmeverlust pro betreffender Hautfläche oder über die Temperatur der Haut selbst. Diese haben sich bisher jedoch nicht gegen die derzeit vorherrschende Windchill-Temperatur (WCT) durchgesetzt oder wurden von ihr verdrängt.

Die WCT ist über die Lufttemperatur definiert, die bei schwachem Wind die gleiche Wärmeverlustrate pro dem Wind ausgesetzter Hautfläche verursachen würde wie die tatsächliche Lufttemperatur mit Windeinfluss. Diese Definition wurde aus Gründen der Verständlichkeit gewählt, da eine Temperatur von der breiten Öffentlichkeit besser verstanden wird als etwa die Angabe in Watt pro Quadratmetern. Es handelt sich also im eigentlichen Sinne nicht um eine Temperatur, sondern um ein Maß für die Wärmeverlustrate, das lediglich in Einheiten der Temperatur angegeben wird.

Dabei geht man von trockener Luft aus, berücksichtigt also nicht den bei niedrigen Temperaturen geringen Effekt der Luftfeuchtigkeit. Der hier verwandte „schwache Wind“ wird meist als „Windstille“ bezeichnet. Das kann jedoch zu Missverständnissen führen, da es sich normalerweise um eine Windgeschwindigkeit von 1,34 m/s (früher 1,79 m/s) beim Gehen handelt. Solange man als Bezug eine totale Windstille veranschlagt, ist die Windchill-Temperatur immer geringer als die tatsächlich messbare Temperatur.

Die Allgemeinverständlichkeit der WCT durch ihre Angabe in Temperatureinheiten führt leicht zu einem falschen Verständnis dessen, was die WCT eigentlich zum Ausdruck bringt. Es handelt sich dabei gerade nicht um die Temperatur, die ein Körper aufgrund des Windes annimmt. Bei einer gemessenen Temperatur von 5 °C und einer Windgeschwindigkeit von 55 km/h ergibt sich eine WCT von −1,6 °C (siehe unten), dennoch wird die Haut völlig unabhängig vom Wirkungszeitraum niemals Erfrierungen aufweisen. Die WCT ist nur ein Ausdruck dafür, um wie viel schneller sich die Temperatur der Haut an die gemessene Lufttemperatur von 5 °C annähert, als es ohne Wind der Fall wäre. Das erklärt auch, warum sich der Windchill nicht bei hohen Temperaturen zeigt, denn ein schnellerer Temperaturangleich spielt bei geringen Temperaturdifferenzen kaum eine Rolle.

Aktuelle Berechnung und Tabelle Die seit November 2001 gültige empirische Formel in Form einer Zahlenwertgleichung zur Berechnung des Windchill mit metrischen Einheiten und einer in 10 Meter Höhe über dem Erdboden gemessenen Windgeschwindigkeit lautet:

– Windchill-Temperatur in Grad Celsius – Lufttemperatur in Grad Celsius – Windgeschwindigkeit in Kilometern pro Stunde

Mit Einheiten des angloamerikanischen Maßsystems (für 33 Fuß Höhe über dem Erdboden):

– Windchill-Temperatur in Grad Fahrenheit – Lufttemperatur in Grad Fahrenheit – Windgeschwindigkeit in Meilen pro Stunde (Landmeile)

Zu beachten ist dabei, dass sich die Formeln nicht auf eine komplette Windstille beziehen und man bei Windgeschwindigkeiten unter 1,34 m/s einen Wert erhält, der sich über dem der Lufttemperatur befinden kann. Das hat seine Ursache in der isolierenden Wirkung der hautnahen Luftschicht, die sich bei vollständiger Windstille erwärmt, ohne vom Wind weggetragen zu werden. Die dann wahrgenommene Lufttemperatur ist aufgrund dieser wärmeren Körperhülle höher als die tatsächliche Umgebungstemperatur in einiger Entfernung zur Hautoberfläche. Für derart niedrige Windgeschwindigkeiten ist die Formel allerdings nicht ausgelegt und die entsprechenden Ergebnisse sind unzuverlässig. In der Regel wird der Gültigkeitsbereich der Formel daher erst für Windgeschwindigkeiten über 5 km/h veranschlagt.

Die Ursprünge dieser Gleichungen, die Probleme in ihrer Umsetzung und Exaktheit sowie alternative Herangehensweisen werden in den folgenden Abschnitten dargestellt.

+ Windchill-Temperatur Wind­ge­schwin­dig­keit Lufttemperatur 0 km/h 10 °C 5 °C 0 °C −5 °C −10 °C −15 °C −20 °C −30 °C −40 °C −50 °C 5 km/h 9,8 4,1 −1,6 −7,3 −12,9 −18,6 −24,3 −35,6 −47,0 −58,3 10 km/h 8,6 2,7 −3,3 −9,3 −15,3 −21,2 −27,2 −39,2 −51,1 −63,0 15 km/h 7,9 1,7 −4,4 −10,6 −16,7 −22,9 −29,1 −41,4 −53,7 −66,1 20 km/h 7,4 1,1 −5,2 −11,6 −17,9 −24,2 −30,5 −43,1 −55,7 −68,3 25 km/h 6,9 0,5 −5,9 −12,3 −18,8 −25,2 −31,6 −44,5 −57,3 −70,2 30 km/h 6,6 0,1 −6,5 −13,0 −19,5 −26,0 −32,6 −45,6 −58,7 −71,7 40 km/h 6,0 −0,7 −7,4 −14,1 −20,8 −27,4 −34,1 −47,5 −60,9 −74,2 50 km/h 5,5 −1,3 −8,1 −15,0 −21,8 −28,6 −35,4 −49,0 −62,7 −76,3 60 km/h 5,1 −1,8 −8,8 −15,7 −22,6 −29,5 −36,5 −50,3 −64,2 −78,0 Anmerkung: Bei blauen Feldern besteht die Möglichkeit, dass es innerhalb von 30 Minuten oder weniger zu Erfrierungen kommt. Erfrierungsgefahr besteht bei Erreichen einer Hauttemperatur von −4,8 °C, unterhalb der für etwa 5 % der Menschen Erfrierungen auftreten.

Bedeutung und Anwendung Eine besondere Bedeutung besitzt der Windchill in kalten und windigen Regionen der Erde, insbesondere in Arktis, Antarktis und in den Hochgebirgen, also für Bergsteiger. Auch eine schnelle Bewegung des Menschen entspricht dabei einer hohen Windgeschwindigkeit, wovon bestimmte Wintersportarten betroffen sind. Eine große wirtschaftliche Bedeutung und somit politische Brisanz kommt dem Windchill daher in Wetterberichten der Wintersportgebiete zu, insofern er dort verwendet wird (was in Europa meist nicht der Fall ist). Der Effekt kann die Einsatzfähigkeit von Maschinen beeinträchtigen, insbesondere von Fahrzeugen. Er hat eine hohe Bedeutung für alles Leben in entsprechenden Extremklimaten und beeinflusst die Verbreitung von biologischen Arten in windoffenem Gelände.

Hauptanwendungsgebiet des Windchill in Form der WCT sind die USA und Kanada, weshalb die meisten Definitionen von dort oder dem National Weather Service und Environment and Climate Change Canada stammen. Beide nutzen derzeit vorgefertigte Tabellen zur Auswertung der Messdaten. Zusätzlich zu Anstrengungen in europäischen Staaten und Israel ergeben sich durch diese Vielfalt je nach verwendeter Fachliteratur oder Berechnungsverfahren, deren Aktualität und der eventuellen Anpassung an spezifische Bedingungen, teils erhebliche Unterschiede, sowohl in der grundsätzlichen Herangehensweise wie auch beim Ergebnis.

Geschichte

Einführung des Windchill Die Entwicklung der ersten empirischen Formeln und Tabellen geht auf die Bemühungen der Streitkräfte der Vereinigten Staaten zurück, ihre Soldaten für die Härten der europäischen Winter des Zweiten Weltkrieges adäquat auszurüsten. Sie beauftragte die US-amerikanischen Polarforscher Paul Siple und Charles F. Passel, welche während der zweiten Antarktisexpedition Richard E. Byrds (1939–1941) im Winter des Jahres 1941 dazu ein Experiment durchführten. Ihre Messungen basierten dabei jedoch nicht auf einem Menschen, sondern auf einem mit 250 g Wasser gefüllten Kunststoffzylinder. Dieser bestand aus Celluloseacetat, war 14,9 cm lang, 5,7 cm im Durchmesser und hatte eine Dicke von 0,3 cm. Sie nutzten zwei Widerstandsthermometer zur Messung von Luft- und Wassertemperatur und ein Schalenkreuzanemometer zur Erfassung der Windgeschwindigkeit. Über die Zeitdauer des Gefriervorganges konnten sie mithilfe der bekannten Schmelzenthalpie des Wassers den Wärmeverlust des Zylinders in Kilokalorien pro Stunde (siehe Wärmestrom) und damit schließlich auch den Wärmeübergangskoeffizient in Kilokalorien pro Stunde, Quadratmeter und Grad Celsius ermitteln. Einflussgrößen waren dabei die dem Wind ausgesetzte Fläche des Zylinders sowie die Differenz aus dessen Temperatur (mit 0 °C veranschlagt) und der Lufttemperatur. Die Lufttemperaturen bewegten sich während ihrer Messungen im Bereich zwischen −56 °C und −9 °C, die Windgeschwindigkeiten von absoluter Windstille bis 12 m/s. Ihre ersten wirklichen Ergebnisse erhielten Siple und Passel durch eine grafische Interpolation eines Diagramms, in dem ihre gemessenen Windgeschwindigkeiten gegen die bestimmten Wärmeübergangskoeffizienten aufgetragen waren. Die resultierende Ausgleichsgerade dieser Interpolation (1.1) konnte nun leicht mit dem Wärmeverlust des Kunststoffzylinders verknüpft werden (1.2).

1.1) 1.2)

Auf Basis dieser Beziehung wurde der Wärmeverlust mit den Bedingungen der Windchill-Temperatur gleichgesetzt.

1.3)

Die einzelnen Formelzeichen stehen für folgende Größen:

α – Wärmeübergangskoeffizient mit Wind α0 – Wärmeübergangskoeffizient ohne Wind v – Windgeschwindigkeit Φ – Wärmestrom (Wärmemenge pro Zeit) A – Flächeninhalt der Oberfläche ϑO – Oberflächentemperatur ϑL – Lufttemperatur ϑWCT – Windchill-Temperatur

Für ϑO veranschlagten sie eine Temperatur der Haut von 33 °C und zur Bestimmung von α nach Formel 1.1 wurde eine Windgeschwindigkeit von 1,79 m/s genutzt. Die sich durch Umformungen schließlich ergebende empirische Gleichung für die Trockentemperatur in Grad Celsius und die Windgeschwindigkeit in km/h lautet:

1.4)

In der Formel werden nur die tatsächliche Temperatur und die Windgeschwindigkeit als Variablen verwendet. Sie ist im eigentlichen Sinne nur unter extremen Bedingungen, wie windstarken Bergkuppen mit niedriger Lufttemperatur gültig, denn zusätzlich zum Wind beeinflussen auch noch andere Parameter die gefühlte Temperatur, etwa die Luftfeuchtigkeit (siehe Humidex, Schwüle), Körpergröße und -gewicht, die Bekleidung, die Sonneneinstrahlung (Grad der Beschattung, Sonnenstand) und die Hautfeuchtigkeit.

In Kanada wurde nur die linke Seite von Gleichung 1.3 mit ansonsten identischen Annahmen genutzt. Man erhält dadurch über Umformungen den so genannten wind chill index (WCI) in Watt pro Quadratmeter, also den eigentlichen Wärmeverlust.

Der NWS veranschlagte für die WCT einen Schwellenwert von −29 °C, ab dem man von einer Gefährlichkeit des Windchill spricht. Dieser eher willkürliche Wert wird durch eine Vielzahl von Faktoren beeinflusst und sollte daher nur als ungefährer Richtwert gesehen werden. Als Beispiel würde ihn eine starke Sonneneinstrahlung erniedrigen.

Kritik an den Messungen von Siple und Passel Die ursprünglichen Messungen weisen vielerlei Schwachstellen auf. So hat man zum Beispiel nur ein Thermometer zur Erfassung der Wassertemperatur genutzt, obwohl das Wasser im Kunststoffzylinder nur sehr ungleichmäßig gefriert. Das führt zu einem im Nachhinein nicht mehr ausgleichbaren Abweichen der Messwerte, die auf dem von Siple und Passel für ihre Interpolation genutzten Diagramm sehr weit gestreut lagen. Die Veranschlagung von 0 °C für den Kunststoffzylinder ignoriert zudem dessen thermischen Widerstand, der eine eigentlich niedrigere Temperatur bedingt. Hinzu kommt, dass die Probleme in Bezug auf eine Extrapolation von einem kleinen Kunststoffzylinder auf den Körper des Menschen nicht berücksichtigt wurden. Das gilt wiederum besonders für den thermischen Widerstand, der bei einer Hautoberfläche noch erheblich größer ist.