Windchill

Begriff und Wirkungsweise

Windchill, auch Windkühle oder Windfrösteln, bezeichnet den Unterschied zwischen der gemessenen Lufttemperatur und der gefühlten Temperatur in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit. Der Begriff ist für Temperaturen unterhalb von etwa 10 °C definiert. Bei höheren Temperaturen ist der Hitzeindex aussagekräftiger.

Wind führt hautnah warme Luft konvektiv ab und erhöht zugleich die Verdunstungsrate. Die für die Verdampfung des Wassers notwendige Verdampfungsenthalpie wird durch Wärmeleitung aus der Körperoberfläche entzogen. Dadurch gleicht sich die Oberflächentemperatur des Körpers schneller an die Umgebungstemperatur an, was als zusätzliche Abkühlung empfunden wird.

Windchill ist besonders in kalten und windigen Regionen wie Arktis, Antarktis und Hochgebirgen bedeutsam. Auch schnelle Bewegung, etwa beim Bergsteigen oder bei Wintersportarten, entspricht einer höheren Windgeschwindigkeit. Der Effekt kann außerdem die Einsatzfähigkeit von Maschinen und Fahrzeugen beeinträchtigen und die Verbreitung biologischer Arten in windoffenem Gelände beeinflussen.

Windchill-Temperatur und Berechnung

Die heute seit November 2001 gültige Windchill-Temperatur (WCT) ist eine Vergleichstemperatur: Sie gibt die Lufttemperatur an, die bei schwachem Wind dieselbe Wärmeverlustrate pro dem Wind ausgesetzter Hautfläche verursachen würde wie die tatsächliche Lufttemperatur bei der gemessenen Windgeschwindigkeit. Die WCT ist daher im eigentlichen Sinn keine Körper- oder Hauttemperatur, sondern ein Maß für die Wärmeverlustrate, das lediglich in Temperatureinheiten ausgedrückt wird. Die Berechnung geht von trockener Luft aus; der bei niedrigen Temperaturen geringe Einfluss der Luftfeuchtigkeit wird nicht berücksichtigt.

Für metrische Einheiten gilt bei einer in 10 m Höhe gemessenen Windgeschwindigkeit:

WCT = 13,12 + 0,6215 · Tₐ + (0,3965 · Tₐ − 11,37) · v^0,16

Dabei ist WCT die Windchill-Temperatur in °C, Tₐ die Lufttemperatur in °C und v die Windgeschwindigkeit in km/h.

Für das angloamerikanische Maßsystem und eine Messhöhe von 33 Fuß lautet die Formel:

WCT = 35,74 + 0,6215 · Tₐ + (0,4275 · Tₐ − 35,75) · v^0,16

Hier werden WCT und Tₐ in °F sowie v in Meilen pro Stunde (Landmeile) eingesetzt.

Als Bezug für „schwachen Wind“ oder „Windstille“ dient normalerweise eine Geschwindigkeit von 1,34 m/s, früher 1,79 m/s. Das entspricht beim Gehen ungefähr 4,8 km/h. Bei Geschwindigkeiten unter 1,34 m/s kann die Formel einen Wert über der tatsächlichen Lufttemperatur liefern. Ursache ist die isolierende, von der Haut erwärmte Luftschicht, die bei vollständiger Windstille nicht abtransportiert wird. Für so niedrige Geschwindigkeiten ist die Formel nicht zuverlässig; meist wird ihr Gültigkeitsbereich erst ab mehr als 5 km/h angesetzt.

Ein Beispiel aus der Tabelle beziehungsweise Berechnung: Bei 5 °C Lufttemperatur und 55 km/h Wind ergibt sich eine WCT von −1,6 °C. Das bedeutet nicht, dass die Haut diese Temperatur annimmt oder dass unabhängig von der Wirkungsdauer Erfrierungen auftreten. Es bedeutet nur, dass sich die Hauttemperatur schneller an die gemessenen 5 °C annähert als ohne Wind.

Die Tabelle weist bei blauen Feldern auf eine mögliche Erfrierungsgefahr innerhalb von 30 Minuten oder weniger hin. Als kritische Hauttemperatur wird −4,8 °C angegeben; unterhalb dieses Wertes treten bei etwa 5 % der Menschen Erfrierungen auf.

Verwendung und regionale Unterschiede

Das wichtigste praktische Anwendungsgebiet der WCT liegt in den USA und Kanada. Der National Weather Service und Environment and Climate Change Canada verwenden derzeit vorgefertigte Tabellen zur Auswertung der Messdaten. In Europa wird der Windchill in Wetterberichten meist nicht verwendet.

Je nach Fachliteratur, Berechnungsmethode, Aktualität und Anpassung an besondere Bedingungen können sich erhebliche Unterschiede ergeben. Das betrifft sowohl die grundlegende Vorgehensweise als auch das Ergebnis. In Kanada wird teilweise statt einer Temperatur der Wind Chill Index (WCI) verwendet. Er wird in Watt pro Quadratmeter angegeben und beschreibt damit direkt den Wärmeverlust.

Der National Weather Service setzte für die Gefährlichkeit des Windchills einen Schwellenwert von −29 °C an. Dieser Wert gilt als eher willkürlicher Richtwert, weil zahlreiche Faktoren, beispielsweise starke Sonneneinstrahlung, die tatsächliche Gefährdung beeinflussen.

Entstehung der ersten Modelle

Die ersten empirischen Formeln und Tabellen entstanden aus dem Bestreben der US-Streitkräfte, Soldaten für die europäischen Winter des Zweiten Weltkriegs auszurüsten. Die US-Polarforscher Paul Siple und Charles F. Passel führten während der zweiten Antarktisexpedition Richard E. Byrds (1939–1941) im Winter 1941 ein Experiment durch.

Sie verwendeten keinen Menschen, sondern einen mit 250 g Wasser gefüllten Kunststoffzylinder aus Celluloseacetat. Der Zylinder war 14,9 cm lang, hatte einen Durchmesser von 5,7 cm und eine Wanddicke von 0,3 cm. Zwei Widerstandsthermometer maßen Luft- und Wassertemperatur, ein Schalenkreuzanemometer die Windgeschwindigkeit. Aus der Dauer des Gefrierens, der bekannten Schmelzenthalpie des Wassers und der dem Wind ausgesetzten Fläche ermittelten sie den Wärmeverlust und den Wärmeübergangskoeffizienten.

Die Lufttemperaturen lagen zwischen −56 °C und −9 °C, die Windgeschwindigkeiten reichten von völliger Windstille bis 12 m/s. Aus einer grafischen Interpolation entstand zunächst:

α = 10√v + 10,45 − v

Der Wärmestrom wurde mit Φ = αA(ϑO − ϑL) beschrieben. Für die WCT wurde der Wärmeverlust mit schwachem Wind gleichgesetzt: αA(ϑO − ϑL) = α₀A(ϑO − ϑWCT). Dabei sind α und α₀ die Wärmeübergangskoeffizienten mit beziehungsweise ohne Wind, v die Windgeschwindigkeit, Φ der Wärmestrom, A die Oberfläche, ϑO die Oberflächentemperatur und ϑL die Lufttemperatur.

Für die Hauttemperatur setzten Siple und Passel 33 °C an und verwendeten zur Bestimmung von α eine Windgeschwindigkeit von 1,79 m/s. Daraus ergab sich für Temperatur und Windgeschwindigkeit in metrischen Einheiten:

ϑWCT = 33 + (0,478 + 0,237√v − 0,0124v) · (ϑ − 33)

Das Modell war im eigentlichen Sinn nur für extreme Bedingungen, etwa windstarke Bergkuppen mit niedriger Lufttemperatur, geeignet. Luftfeuchtigkeit, Körpergröße und -gewicht, Kleidung, Sonneneinstrahlung und Hautfeuchtigkeit wurden nicht berücksichtigt.

Weiterentwicklung und heutige Grundlage

In den 1970er Jahren wurden die Messdaten dem National Weather Service zur Verfügung gestellt. Robert G. Steadman passte die Formel 1971 und 1984 an einen bekleideten „Durchschnittsmenschen“ an. Das National Bureau of Standards übernahm sie als offizielle Formel; der National Weather Service setzte sie in den USA ab 1973 ein.

Steadman berücksichtigte auch die unterschiedliche Windgeschwindigkeit in Gesichtshöhe. Über einer offenen Fläche beträgt sie ungefähr zwei Drittel der in 10 m Höhe gemessenen Geschwindigkeit. In Wäldern und Städten können die Werte noch stärker abweichen, was weiterhin schwer zu berechnen ist. Randall Osczevski entwickelte 1995 ein Modell des menschlichen Kopfes und führte Windkanalmessungen durch. Maurice Bluestein und Zecher untersuchten 1999 eine ähnliche Fragestellung theoretisch. Spätere Modelle konzentrierten sich besonders auf das Gesicht, weil es dem Wind am stärksten ausgesetzt ist.

Eine grundlegende Reform wurde durch eine kanadische Internetkonferenz im Jahr 2000 angestoßen. Die Joint Action Group for Temperature Indices (JAG/TI) sollte eine Empfehlung erarbeiten; auch die International Society of Biometeorology (ISB) setzte eine Expertengruppe ein. 2001 fanden zwei internationale Konferenzen statt. Im Mittelpunkt standen die internationale Anwendbarkeit, die Nutzung in verschiedenen Klimaten und Jahreszeiten sowie die Frage, ob ein Index unabhängig von Kleidung und anderen individuellen Merkmalen sein könne.

Im Juni 2001 wurden in Toronto zwölf Personen in einem Windkanal unterschiedlichen Temperaturen und Windgeschwindigkeiten ausgesetzt. Osczevski und Bluestein kombinierten diese Messungen mit einem halben Zylinder als Modell für die windzugewandte Gesichtshälfte. Der thermische Widerstand des Gesichts wurde dadurch besser berücksichtigt. Die Referenz für Windstille wurde auf 1,34 m/s festgelegt. Durch iterative Schätzungen der Hauttemperatur wurde der Wärmeverlust bestimmt und auf die WCT umgerechnet. Die Korrektur für die Messhöhe der Windgeschwindigkeit ist bereits in den Regressionsformeln enthalten.

Weitere Entwicklungen sollen vor allem Sonneneinstrahlung und Erfrierungsgefahr genauer berücksichtigen. Außerdem wird ein Windchill-Modell untersucht, das Nässe einbezieht, was besonders für marine Umgebungen wichtig ist.

Grenzen und Kritik

Die ursprünglichen Messungen von Siple und Passel haben mehrere Schwächen. Im Zylinder wurde nur ein Thermometer für die Wassertemperatur verwendet, obwohl das Wasser ungleichmäßig gefror. Die Annahme einer Zylindertemperatur von 0 °C ignorierte den thermischen Widerstand des Kunststoffs. Zudem wurde ein kleiner Zylinder auf den menschlichen Körper übertragen, obwohl dessen Hautoberfläche einen deutlich anderen thermischen Widerstand besitzt. Besonders problematisch war die angenommene Hauttemperatur von 33 °C, die in kühler Umgebung schnell unterschritten werden kann. Die standardisierte Windmessung in 10 m Höhe überschätzt außerdem häufig die Windgeschwindigkeit in einer Höhe von 0 bis etwa 2 m. Insgesamt führt dies tendenziell zu einer Überbewertung des Windchills.

Keine Berechnung kann das subjektive Temperaturempfinden eines einzelnen Menschen allgemein vorhersagen. Eine Rolle spielen unter anderem Bewegungsgeschwindigkeit, Umgebung, Kleidung, Brille, Bartwuchs, isolierende Cremes, körpereigene Thermoregulation, Körpergewicht, Akklimatisierung und genetische Anpassung. Auch im Hochgebirge ist die Aussage eingeschränkt: In großen Höhen, etwa auf dem Gipfel des Kibo, beträgt die Luftdichte weniger als die Hälfte derjenigen auf Meereshöhe. Dadurch sind Wärmekapazität und konvektive Wärmeleitung der Luft geringer, sodass der Windchill schwächer ausfällt.

Windchill wird außerdem oft fälschlich mit „gefühlter Temperatur“ gleichgesetzt. Wind kann auch bei sommerlichen Temperaturen als kühlend empfunden werden; bei niedrigen Temperaturen beeinflusst dagegen auch die Luftfeuchtigkeit das Empfinden. Wegen der unterschiedlichen Methoden, der eingeschränkten Gültigkeit und der häufig fehlenden Kenntnis über die Berechnungsgrundlagen wird der Nutzen des Windchills für allgemeine Wetterberichte vielfach als gering eingeschätzt. Außerhalb Nordamerikas wird er deshalb selten verwendet.