Czym jest temperatura mokrego termometru? Granica przetrwania

Temperatura mokrego termometru to najniższa temperatura, do jakiej da się coś schłodzić samym parowaniem wody, więc mówi, jak skutecznie pot może chłodzić ciało w danym powietrzu. Zależy od temperatury, wilgotności i ciśnienia, dlatego dwa dni z tym samym upałem w prognozie mogą obciążać organizm zupełnie inaczej. Gdy mokry termometr zbliża się do temperatury skóry, parowanie przestaje odbierać jej ciepło. Ciało zaczyna się wtedy przegrzewać.

Czym jest temperatura mokrego termometru?

Temperatura mokrego termometru to najniższa temperatura, do jakiej da się coś schłodzić samym parowaniem wody. Jej wartość zależy od temperatury powietrza, wilgotności względnej i ciśnienia atmosferycznego. Im suchsze powietrze i niższe ciśnienie, tym szybciej woda paruje i tym niżej spada odczyt. Mechanizm nosi nazwę chłodzenia ewaporacyjnego – parująca woda zabiera ciepło powierzchni, z której odparowuje.

Ludzka skóra pokryta potem zachowuje się jak zwilżony termometr. Pot chłodzi ją tylko w takim tempie, na jakie pozwala otaczające powietrze, więc ta wartość mówi, jak skutecznie otoczenie pozwala ciału się chłodzić, a nie jak jest gorąco. Dwa dni z tą samą temperaturą w prognozie mogą przez to nieść zupełnie inny stres cieplny, czyli obciążenie organizmu nadmiarem ciepła. Ten sam upał obciąża więc ciało różnie, zależnie od tego, jak wilgotny jest klimat danego miejsca.

Termometr suchy i mokry – skąd różnica między odczytami?

Różnica między odczytami rośnie wraz z suchością powietrza, a przy pełnym nasyceniu znika. Gdy wilgotność względna wynosi 100%, parowanie netto ustaje i oba termometry pokazują to samo. Przy 30°C i wilgotności 50% mokry termometr wskazuje około 22°C. Przy 40°C i wilgotności 20% spada do około 23°C, czyli o kilkanaście stopni poniżej suchego.

Dlaczego dwa termometry stojące obok siebie mówią co innego? Z jednego woda paruje i odbiera mu ciepło, z drugiego nie. Tempo tego parowania wyznacza wilgotność. Trzy wielkości układają się przy tym w stały szereg: temperatura termometru suchego jest najwyższa, mokry termometr leży pośrodku, a najniżej stoi punkt rosy. Punkt rosy to temperatura, przy której para zaczyna się skraplać, więc odstęp między trzema odczytami jest miarą suchości powietrza.

Podobne odczyty przy 30°C i 40°C pokazują, że temperatura i wilgotność wzajemnie się równoważą. To samo widać w ustaleniu z artykułu Sherwooda i Hubera. Szczytowy stres cieplny mierzony mokrym termometrem jest zaskakująco podobny w bardzo różnych klimatach. Pustynia nadrabia temperaturą to, czego brakuje jej w wilgotności, a tropiki odwrotnie.

Jak zmierzyć lub obliczyć temperaturę mokrego termometru?

Temperaturę mokrego termometru mierzy się psychrometrem, czyli zestawem termometru suchego i mokrego. Zbiorniczek termometru mokrego owija zwilżona tkanina omywana strumieniem powietrza. Przepływ jest warunkiem poprawnego pomiaru. W nieruchomym powietrzu wokół tkaniny zbiera się warstwa wilgotnej pary, więc parowanie zwalnia, a termometr pokazuje za wysoką wartość. Psychrometr aspiracyjny ma dlatego wbudowany wentylator. Prostszy psychrometr procowy obraca się w dłoni.

Czy wystarczy zwykły termometr i mokra chusteczka? Taki zestaw daje wynik orientacyjny, i to tylko przy energicznym wachlowaniu albo przed wentylatorem, z tkaniną stale mokrą i czystą.

Do wiarygodnej wartości prowadzą trzy drogi:

• Pomiar psychrometrem – wynik bezpośredni, poprawny przy wymuszonym przepływie powietrza wokół mokrej tkaniny.
• Wzór Stulla – przybliżenie liczone z samej temperatury i wilgotności względnej, ważne przy wilgotności 5–99% i temperaturze od −20°C do 50°C.
• Wykres Molliera (h-x) – wykres stanów powietrza wilgotnego, na którym mokry termometr odczytuje się w przybliżeniu wzdłuż linii stałej entalpii, czyli zawartości ciepła.

Wzór Stulla zakłada ciśnienie zbliżone do poziomu morza. Traci dokładność przy jednoczesnym chłodzie i bardzo suchym powietrzu oraz wysoko w górach, gdzie niższe ciśnienie przyspiesza parowanie. W obrębie zakresu błąd zwykle nie przekracza jednego stopnia, co wystarcza do oceny stresu cieplnego. Najprościej wziąć temperaturę i wilgotność z najbliższej stacji meteorologicznej i podstawić je do kalkulatora opartego na tym wzorze.

Dlaczego przy wysokiej wilgotności pot przestaje chłodzić ciało?

W powietrzu cieplejszym niż około 35°C ciało oddaje ciepło tylko wtedy, gdy skóra jest chłodniejsza od jego wnętrza, a otoczenie odbiera parę z potu. Obie drogi działają szeregowo: ciepło płynie najpierw z narządów do skóry, potem ze skóry do powietrza. Nawet w spoczynku organizm wytwarza ciepło metaboliczne o mocy około 100 watów, które musi stale oddawać. Gdy któryś odcinek się zamyka, ta energia zostaje w środku.

Pierwszy odcinek wymaga różnicy temperatur. Ciepło płynie zgodnie z gradientem temperatury, od cieplejszego wnętrza do chłodniejszej skóry. Wnętrze ciała ma około 37°C. W upale różnica między nim a skórą wynosi zaledwie około dwóch stopni. Taki zapas łatwo stracić. Wystarczy, że skóra się nagrzeje, żeby ciepło z wnętrza straciło kierunek przepływu.

Skórę w odpowiedniej temperaturze utrzymuje parowanie potu. Według artykułu Raymonda i współpracowników ciało potrzebuje skóry o temperaturze około 35°C. Taka skóra utrzymuje spadek temperatury kierujący ciepło na zewnątrz. Gdy mokry termometr dochodzi do tej wartości, parowanie nie schłodzi już skóry poniżej 35°C, więc różnica temperatur znika.

Czy wiatrak pomoże w takich warunkach? Ruch powietrza przyspiesza parowanie, ale tylko do granicy wyznaczonej przez mokry termometr, dlatego wachlowanie przestaje wtedy obniżać temperaturę skóry. Nadmiar ciepła zaczyna się kumulować i może prowadzić do hipertermii, czyli przegrzania ciała ponad prawidłową temperaturę. Tempo tego procesu zależy od wysiłku, wieku i stanu zdrowia.

Granica przetrwania – 35°C czy 31°C?

Wyższa liczba pochodzi z modelu teoretycznego, niższa z pomiarów na ludziach. Granicę 35°C wyznaczyli Sherwood i Huber w pracy opublikowanej w PNAS: przekroczenie tej wartości przez dłuższy czas powinno wywołać hipertermię. Jest to teoretyczna granica wyprowadzona z fizyki, a nie zmierzona na ludziach. Model zakłada zdrowego człowieka w spoczynku, w cieniu i przy swobodnym parowaniu potu.

Niższą wartość dały pomiary zespołu PSU HEAT z Penn State. Prowadzono je na młodych, zdrowych dorosłych w komorze klimatycznej. Uczestnicy wykonywali lekką aktywność. Warunki zaostrzano stopniowo, aż temperatura wnętrza ciała zaczynała stale rosnąć. W wilgotnych warunkach, przy temperaturze powietrza 36–40°C, krytyczna temperatura mokrego termometru wynosiła średnio 30,55 ± 0,98°C. Stres cieplny, którego organizm nie umie zrównoważyć, pojawiał się więc wyraźnie poniżej 35°C.

Oba ustalenia dotyczą też innych warunków. Model zakłada spoczynek, a uczestnicy badania wykonywali lekką aktywność. Krytyczny mokry termometr był istotnie powiązany ze średnią temperaturą skóry. W suchym upale próg stopniowo malał. Związek z temperaturą skóry wynikał tam z większego przyrostu ciepła suchego. Próg zależy od warunków i od organizmu.

W pracy liczy się WBGT

Skala ryzyka opiera się na trzech wartościach z badań, a żadna z nich nie wyznacza poziomu bezpiecznego:

• 28°C – najwyższy odczyt w regionach zabójczych fal upałów.
• Około 31°C – próg zmierzony u młodych, zdrowych dorosłych przy lekkiej aktywności w wilgotnym powietrzu.
• Powyżej 35°C – granica teoretyczna dla człowieka w spoczynku.

Najniższa wartość wymaga wyjaśnienia. W regionach dotkniętych falą upałów w Europie w 2003 r. i w Rosji w 2010 r. temperatura mokrego termometru nie przekroczyła 28°C. Założenia modelu, czyli pełne zdrowie, bezruch, cień, brak odzieży i nieograniczony dostęp do wody, prawie nigdy nie są spełnione. Osoby starsze, dzieci i przewlekle chorzy słabiej oddają ciepło, więc zagrożenie pojawia się u nich przy znacznie niższych odczytach. Udar cieplny, czyli niebezpieczne przegrzanie organizmu, może więc wystąpić w warunkach, które na skali wyglądają umiarkowanie.

Mokry termometr nie uwzględnia słońca, dlatego w pracy fizycznej stosuje się WBGT. Norma ISO 7243 przy nasłonecznieniu liczy ten wskaźnik z wagami. Naturalna temperatura mokrego termometru ma wagę 0,7, temperatura poczernionej kuli 0,2, a temperatura powietrza 0,1. Poczerniona kula to termometr w matowej czarnej kuli, który chłonie promieniowanie słońca i nagrzanych powierzchni. Naturalny mokry termometr nie ma wymuszonej wentylacji, więc reaguje też na brak wiatru.

Wysiłek fizyczny wielokrotnie zwiększa produkcję ciepła ponad spoczynkowe 100 watów. Dlatego dopuszczalne wartości WBGT zależą od intensywności pracy. W efekcie ta sama pogoda bywa bezpieczna dla spaceru i groźna dla pracy na budowie.

Gdzie temperatura mokrego termometru zbliża się do granicy – i jak daleko od niej jest Polska?

Wartości najbliższe granicy notuje się w Azji Południowej, na wybrzeżach Bliskiego Wschodu i na wybrzeżu południowo-zachodniej Ameryki Północnej. Dobowe maksima mokrego termometru powyżej 35°C odnotowały dwie stacje meteorologiczne. Takie warunki trwały zwykle 1–2 godziny. Granica przetrwania dotyczy przekroczenia trwającego dłuższy czas.

Górny pułap wyznacza temperatura powierzchni morza w pobliżu. W zasadzie 35°C to najniższa temperatura morza, przy której nad nim może utrzymać się krytyczny mokry termometr 35°C. Średnia miesięczna temperatura powierzchni morza po raz pierwszy przekroczyła ten próg w 2017 roku, osiągając 35,2°C w Zatoce Perskiej.

Polska leży daleko od tego pułapu. Najwyższe wartości pojawiają się w parne, bezwietrzne dni przed burzą, gdy wilgotność rośnie przy wciąż wysokiej temperaturze powietrza. Nawet wtedy mokry termometr zwykle zostaje wyraźnie poniżej granicy. Taki odstęp nie oznacza bezpieczeństwa, bo zabójcze fale upałów zdarzały się przy znacznie niższych odczytach.

Globalne ocieplenie przesuwa pułap od strony morza: cieplejsza woda pozwala utrzymać nad sobą bardziej parne powietrze. Granica, która dziś dotyka pojedynczych wybrzeży, może więc obejmować coraz rozleglejsze obszary.