Windchill

Der Windchill (v. engl. wind chill „Windkühle“; chill = Frösteln) beschreibt den Unterschied zwischen der gemessenen Lufttemperatur und der gefühlten Temperatur in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit. Der Windchill ist ein Maß für die windbedingte Abkühlung eines Objektes, speziell eines Menschen und dessen Gesicht.

Der Windchill (v. engl. wind chill „Windkühle“; chill = Frösteln) beschreibt den Unterschied zwischen der gemessenen Lufttemperatur und der gefühlten Temperatur in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit. Der Windchill ist ein Maß für die windbedingte Abkühlung eines Objektes, speziell eines Menschen und dessen Gesicht.

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

Zwar gilt dieser Effekt für alle Objekte, die dem Wind ausgesetzt sind (also auch Pflanzen, Tiere, Gegenstände), jedoch gelten für diese im Regelfall andere Bedingungen als für den Menschen. Deshalb existieren die zur Berechnung des Effekts notwendigen gesonderten Formeln aufgrund des Erstellungsaufwandes nicht. Der Windchill bezieht sich deswegen fast immer auf den Menschen.

Bei hohen Temperaturen zeigt sich kein Windchill-Effekt, er wird daher nur für Temperaturen nahe oder unterhalb von 0 °C berechnet und bei höheren Temperaturen meist durch den Hitzeindex ersetzt.

Quantifizierung – Größen des Windchill

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

Die WCT ist über die Lufttemperatur bei schwachem Wind definiert, die die gleiche Wärmeverlustrate pro dem Wind ausgesetzter Hautfläche hat, wie es bei der gemessenen Temperatur mit Wind der Fall wäre. 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 (Hitzeindex). Der hier verwandte „schwache Wind“ wird meist als „Windstille“ bezeichnet, dies 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 5 °C annähert, als dies ohne Wind der Fall wäre. Dies erklärt auch, warum sich der Windchill nicht bei hohen Temperaturen zeigt, denn ein schnellerer Temperaturangleich spielt bei geringen Temperaturdifferenzen kaum eine Rolle.

Beispiel: Es herrscht eine Lufttemperatur von -25 °C und eine Windgeschwindigkeit von 15 km/h. Die hieraus errechnete Windchill-Temperatur beträgt -35 °C. Dieser Wert ist nicht messbar, denn er steht – zumindest theoretisch – für das Temperaturempfinden bei einer Lufttemperatur von -35 °C und einem Wind von 1,34 m/s (Gehgeschwindigkeit). Die Temperatur von -25 °C kann dabei nicht unterschritten werden. Der Effekt des real auftretenden Windes und der Temperatur ist in diesem Wert vereint, weshalb auch in manchen Wetterberichten in Nordamerika nur dieser Wert anstatt der eigentlichen Lufttemperatur und Windgeschwindigkeit vermeldet wird.

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:

  • WCT – Windchill-Temperatur in Grad Celsius
  • Ta – Lufttemperatur in Grad Celsius
  • v – Windgeschwindigkeit in Kilometern pro Stunde

Zu beachten ist dabei, dass sich die Formeln nicht für eine komplette Windstille beziehen und man bei Windgeschwindigkeiten unter 1,34 m/s einen Wert erhält, der sich über dem der Lufttemperatur befinden kann. Dies 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
10 °C 5 °C 0 °C -5 °C -10 °C -15 °C -20 °C -25 °C -30 °C -35 °C -40 °C -45 °C -50 °C
10 km/h 8,6 2,7 -3,3 -9,3 -15,3 -21,2 -27,2 -33,2 -39,2 -45,1 -51,1 -57,1 -63,0
15 km/h 7,9 1,7 -4,4 -10,6 -16,7 -22,9 -29,1 -35,2 -41,4 -47,6 -53.7 -59,9 -66,1
20 km/h 7,4 1,1 -5,2 -11,6 -17,9 -24,2 -30,5 -36,8 -43,1 -49,4 -55,7 -62,0 -68,3
25 km/h 6,9 0,5 -5,9 -12,3 -18,8 -25,2 -31,6 -38,0 -44,5 -50,9 -57,3 -63,7 -70,2
30 km/h 6,6 0,1 -6,5 -13,0 -19,5 -26,0 -32,6 -39,1 -45,6 -52,1 -58,7 -65,2 -71,7
35 km/h 6,3 -0,4 -7,0 -13,6 -20,2 -26,8 -33,4 -40,0 -46,6 -53,2 -59,8 -66,4 -73,1
40 km/h 6,0 -0,7 -7,4 -14,1 -20,8 -27,4 -34,1 -40,8 -47,5 -54,2 -60,9 -67,6 -74,2
45 km/h 5,7 -1,0 -7,8 -14,5 -21,3 -28,0 -34,8 -41,5 -48,3 -55,1 -61,8 -68,6 -75,3
50 km/h 5,5 -1,3 -8,1 -15,0 -21,8 -28,6 -35,4 -42,2 -49,0 -55,8 -62,7 -69,5 -76,3
55 km/h 5,3 -1,6 -8,5 -15,3 -22,2 -29,1 -36,0 -42,8 -49,7 -56,6 -63,4 -70,3 -77,2
60 km/h 5,1 -1,8 -8,8 -15,7 -22,6 -29,5 -36,5 -43,4 -50,3 -57,2 -64,2 -71,1 -78,0
Bei blauen Feldern besteht die Möglichkeit, dass es innerhalb von 30 Minuten oder weniger zu Erfrierungen kommt. Der Bezug zur Erfrierungsgefahr bezieht sich auf das Erreichen einer Hauttemperatur von -4,8 °C, ab welcher für etwa 5 % der Menschen Erfrierungen auftreten.

Bedeutung und Anwendung

Eine besondere Bedeutung besitzt der Windchill in sehr 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 auch politische Brisanz kommt dem Windchill daher vor allem in Wetterberichten der Wintersportgebiete zu, insofern er dort verwendet wird (was in Europa meist nicht der Fall ist). Der Effekt kann dabei auch die Einsatzfähigkeit von Maschinen beeinträchtigen, insbesondere von Fahrzeugen. Er hat eine hohe Bedeutung für alles Leben in entsprechenden Extremklimaten und beeinflusst somit auch die Verbreitung von biologischen Arten im montanen und windoffenen Gelände.

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

Kritik

Es gibt verschiedene Wege den Effekt des Windchill quantitativ zu bestimmen. Meist werden hierzu einfache Näherungsformeln mit stark eingeschränkter Gültigkeit, vorgefertigte Tabellen oder auch Nomogramme verwendet. Allen Methoden ist jedoch gemein, dass der durch sie bestimmte Wert idealerweise nur unter Berücksichtigung seines Zustandekommens verwandt werden sollte, denn weder ergeben die verschiedenen Berechnungsmethoden einheitliche Ergebnisse, noch muss der berechnete Wert besonders viel mit der Realität des konkreten Einzelfalles zu tun haben.

Allen Anstrengungen zum Trotz kann der Windchill nicht allgemein gültige Aussagen über etwas treffen, das sich quasi schon per Definition der Allgemeingültigkeit entzieht: dem subjektiven Temperaturempfinden eines Individuums. Was der Windchill letztendlich an Aussagen über dieses Temperaturempfinden treffen kann, hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab. Die Annahmen, die in die Rechnungen einfließen, stellen zwar gute Mittelwerte dar, sind jedoch auch unzutreffend, wenn man in einer konkreten Situation von diesen Mittelwerten abweicht. Die Geschwindigkeit mit der man geht oder gar fährt und die den Wind beeinflussende Umgebung, in der man sich bewegt, sind im Regelfall andere als jene, die für den Windchill veranschlagt wurden. Das Tragen einer großen Brille, ein umfangreicher Bartwuchs oder die Nutzung einer isolierenden Creme beeinflussen die Reaktion der Haut auf den Wind sehr stark, ebenso die Eigenheiten der körpereigenen Thermoregulation, die sich von Mensch zu Mensch stark unterscheiden. Ein Mensch mit großem Körpergewicht im Vergleich zur Körperoberfläche weist dabei geringere Hauttemperaturen auf, als eine schmächtige Person, die dafür aber auch leichter auskühlt (Hypothermie). Hinzu kommt die unterschiedliche Akklimatisierung und auch genetische Adaption, was ein Vergleich zwischen dem Temperaturempfinden eines Mitteleuropäers und eines Inuit bei -20 °C Außentemperatur illustriert.

Ein weiteres Problem ist, das stillschweigend Meereshöhe vorausgesetzt wird, obwohl im Hochgebirge in großen Höhen, z. B. auf dem Gipfel des Kibo, die Luft nicht einmal die Hälfte der Dichte auf Meereshöhe hat. Dadurch ist die Wärmekapazität der Luft pro Volumen und die Wärmeleitung durch Konvektion entsprechend reduziert und der Windchill viel schwächer.

Diese Faktoren beschränken die Aussagekraft des Windchill zwar stark, jedoch kann bei ihrer Kenntnis auch deren Zuverlässigkeit eingeschätzt und an den Einzelfall angepasst werden. Dies ist jedoch auch nur dann möglich, wenn genaue Kenntnisse über die WCT und deren Zustandekommen vorliegen, was jedoch meist gerade nicht der Fall ist. Der Nutzen des Windchill im Rahmen eines Wetterberichts ist für die breite Bevölkerung daher eher gering und in Unkenntnis der Größe können die oft sehr niedrigen „Temperaturen“ abschreckend wirken. Aufgrund dieser Faktoren wird der Windchill oft als nutzlose Größe erachtet, die gerade für Laien keinen Mehrwert zur Angabe von realer Lufttemperatur und Windgeschwindigkeit besitzt. Dies ist auch einer der Gründe, weshalb der Windchill außerhalb Nordamerikas kaum Verwendung findet.

Quelle : Wikipedia