Greinar
Vetrarstillur á miðhálendinu
Þórisjökull í mars 2005.

Vindkæling

Um vindkælistig

Trausti Jónsson 6.2.2008

Tölur sem lesnar eru af mæli segja varla hálfa sögu um það hversu mikið varmatap er hjá þeim sem eru á ferðinni úti við. Kuldi, sem er hættulítill í hægum vindi, getur orðið lífshættulegur sé jafnframt hvasst. Hér á landi er vindkælingarhætta þó tiltölulega minni heldur en ofkælingarhætta af öðrum ástæðum (úrkoma, skafrenningur, þolleysi) og er það tekið fram í vindkælitöflu sem byggist á kanadískum tilraunum.

Á meginlöndunum verður mun kaldara á vetrum heldur en hér á landi. Þar er hætta á skyndikali almennt mun meiri heldur en hér á landi. Töflur sem vísa á kælihættu með því að nota hitatölur og vindhraða eingöngu eru þar mun gagnlegri heldur en hér á landi.

Ýmsar tilraunir hafa verið gerðar til að setja fram handhægar upplýsingar um hættu á skyndikali þannig að hægt sé að koma boðum um hættu og nauðsyn ráðstafana gegn henni til skila þannig að öruggt sé og ekki misvísandi.

Sú leið sem notendum hefur líkað best er að notast við svonefndan kælingarhita og bera saman við hita á mæli. Gjarnan er þá sagt að vindkælingin valdi því að áhrif kælingar jafngildi þeirri sem er í logni við lægri hita, t.d. að -10°C í vindhraðanum 10 m/s jafngildi -20°C í logni. Þetta virðist í fljótu bragði vera auðvelt, auðskilið og hagkvæmt, en ekki er alveg allt sem sýnist.

Siple-Passel jafnan

Menn fóru ekki að velta því fyrir sér opinberlega fyrr en skömmu fyrir 1940 hvort hægt væri að finna samband milli vindkælingar og hita. Enska heitið á fyrirbrigðinu (windchill) var fyrst notað 1939. Það voru heimskautakönnuðirnir Paul A. Siple og Charles F. Passel sem bjuggu heitið til í grein um aðstæður á Suðurskautslandinu. Í ferðum sínum þangað gerðu þeir félagar tilraun sem var þannig að athugað var hversu lengi 250 grömm af vatni væru að frjósa í ákveðinni vatnsdollu sem komið var fyrir utan dyra og í mismunandi vindhraða og hita. Þessi tími reyndist háður upphafshita vatnsins og hversu hratt það tapaði varma til umhverfisins. Varmatapið var mælt í Wöttum á fermetra eða jafngildri einingu.

Endanlegar niðurstöður þeirra voru birtar 1945 og má segja að flestallar töflur og formúlur sem notaðar voru eftir þetta og þar til nýlega hafi byggst á niðurstöðunum.

Siple-Passel-jafnan leit svona út um 1970, ef miðað er við að vindhraði sé mældur í metrum á sekúndu, hiti í selsíusstigum:


Vindkælijöfnur
vindkælijöfnur
Mynd 2. Gamla Siple-Passel-jafnan og nýrri jafna sem aðallega var þróuð að frumkvæði kanadísku umhverfisstofnunarinnar og tók gildi í Kanada 2001. Skýringar í megintexta.


Í jöfnunum táknar Tloft hita loftsins í °C, lesinn af hitamæli (við köllum hann stundum mælishita), f er vindhraði (sjá neðar) í km/klst, talan 33, sem kemur fyrir tvisvar, er ímyndaður yfirborðshiti mannshúðarinnar, en tölurnar 10 og 22,04 eru reynslustuðlar Siple-Passel-jöfnunnar og margfeldistölur og veldisvísar Kanadajöfnunnar eru einnig reynslustuðlar. Þeir breytast séu aðrar mælieiningar notaðar og sömuleiðis sé svonefndur viðmiðunarvindhraði annar (sjá hér á eftir).

Aftur upp

Helstu ókostir jöfnunnar

Nánari athugun á Siple-Passel-jöfnunni sýnir að hún hegðar sér einkennilega til „endanna“ auk þess sem ekki kemur fram í hvaða hæð vindurinn í jöfnunni er mældur.

Sé logn (vindhraði = 0) sett inn í formúluna verður kælihitinn hærri en mælist á hitamælinn. Aldrei var ætlast til þess að taflan væri notuð í logni á hreyfingarlausan mann. Þess í stað er miðað við (röskan) gönguhraða, 4 amerískar mílur á klukkustund (= 1,79 m/s). Margar töflur, sem byggðar eru á jöfnunni, sleppa þessu og setja kælihita = lofthita í logni.

Viðmiðunarhraðinn (hér 1,79 m/s) var ekki sá sami alls staðar þar sem jafnan var notuð og kælistigatöflur urðu því misjafnar, viðmiðunarvindur réð þá kælihitanum fremur en lífeðlisfræðilegir kælingarþættir. Hækki viðmiðunarvindhraðinn lækkar kælihiti, en sé hann lægri hækkar hann.

Önnur skringilegheit sjást ekki alveg jafnauðveldlega en við skoðun kemur í ljós að kælingin (= mismunur mælis- og kælihita) nær hámarki við vindhraða sem er nærri 25 metrum á sekúndu (90 km/klst), en minnkar síðan sé vindhraðinn meiri. Þannig jafngilda 0°C og 25 m/s -20°C, en fárviðri (32,7 m/s - 118 km/klst) -19°C. Þetta er auðvitað á móti allri skynsemi, þó munurinn sé lítill, og veldur því að kælitöflur, sem byggðar eru á jöfnunni, ná yfirleitt ekki hærra en upp í um 20 m/s (70 km/klst).

Jafnan hefur verið vinsæl vegna þess hversu einföld hún er og svarar stundum spurningum um það hvernig ber að klæðast. Þó sjá megi í gegnum fingur sér varðandi þessa óheppilegu hegðun jöfnunnar við lítinn og mikinn vindhraða eru fleiri atriði sem hafa ber í huga þegar hún er notuð.

Vindviðmiðun

Vindhraði er notaður í jöfnunni áðurnefndu, auk gönguhraðaviðmiðs, en hvaða vindhraði er það sem hafður er til viðmiðunar? Siple og Passel notuðu vind í um 2 metra hæð, en vindmælar eru að jafnaði í 10 m hæð yfir jörðu, meðalhæð fullorðins manns er hins vegar um 170 cm. Vindhraði í þeirri hæð er oftast mun minni en í 10 m hæð en það er háð ýmsu hversu miklu minni. Oftast er hann aðeins um helmingur til tveir þriðjuhlutar af 10 m vindhraðanum.

Ganga og hlaup hafa áhrif á vindhraða við andlit, t.d. er venjuleg ganga talin 1,3 m/s og hlaup meira. Ef aðeins væri tekið tillit til þessara atriða mundu þau ein rugla kælingartöflurnar nokkuð. Spár um vindhraða eiga að jafnaði við mælihæð, þ.e. 10 m. Eigum við að miða við þá hæð þegar við flettum upp í töflunni eða eigum við að deila í vindhraðann með tveimur? Það munar miklu í töflulestrinum hvort er gert. Venjan mun oftast hafa verið sú að menn flettu upp vindhraða í 10 m hæð, leiðréttu hann ekki og lásu töfluna. Þetta olli mikilli skekkju eins og nánar kemur fram hér að neðan.

Húðhitinn, sem miðað var við, 33°C, var ætíð sá sami, jafnvel þó jafnframt væri talað um að húðin gæti frosið. Frjósi húð hlýtur hiti hennar að vera undir frostmarki og kælingin minnkar eftir því sem húðhitinn lækkar.

Fyrir utan þetta er ekki tekið tillit til ýmissa þátta sem hafa áhrif á varmabúskap líkamans. Þar má nefna hversu vel föt einangra, hvort verið er á hlaupum eða setið um kyrrt, hvort sólskin sé (dökk föt drekka í sig sólarorku) og hversu ör andardrátturinn er. Allt þetta er erfitt að meta þótt það hafi verið reynt.

Aftur upp

Ný reikniregla

En víkjum nú að nýjum reiknireglum. Um og rétt fyrir aldamót gekkst kanadíska veðurstofan fyrir alþjóðlegum fundi um vindkælistig. Þar voru kynntar rannsóknir á þessu sviði og m.a. niðurstöður lífeðlisfræðilegra athugana sem kanadíski herinn hafði gert á sjálfboðaliðum. Ekki löngu síðar (2001) var gefin út reikniregla sem hefur nú hlotið náð fyrir augum flestra þeirra sem þurfa á upplýsingum um vindkælingu að halda.

Við nánari skoðun hafa komið í ljós gallar í þessari reiknireglu en verða ekki raktir hér. Áhugasamir lesendur geta kannað heimildir á vef kanadísku umhverfisstofnunarinnar (Environment Canada).

Eftir ítarlega könnun á óskum notenda ákvað kanadíska veðurstofan (og síðan fleiri) að nota hitaeiningu á vindkælistigin. Sterklega hafði komið til greina að halda í Wött á fermetra; sú eining var formlega í notkun í Kanada fyrir 2001 en óvíða annars. Haldið var í þá skilgreiningu að einhver samsvörun væri á milli tilfinningar á lofthita í hægviðri og sýndarhita vindkælistiganna.

Nýi vindkælimælikvarðinn er aðallega byggður á varmatapi frá andliti. Tólf sjálfboðaliðar (6 karlar og 6 konur) fóru í kæld vindgöng klæddir vetrarfatnaði þannig að loft snerti ekki annað en andlit. Þeir gengu þar í vindhraða frá 1,3 m/s upp í 8 m/s og hita á bilinu +10°C niður í -10°C. Þeir voru einnig látnir erfiða á vélknúnum göngubrettum þannig að hægt væri að meta kælingu á sveittum andlitum. Vatni var einnig slett nokkrum sinnum á andlit tilraunadýranna við +10°C tilraun (súld), auk vinds. Hiti var mældur á nokkrum stöðum á andlitshúð, innan á kinn og innan í líkamanum.

Álagsmælingarnar voru gerðar í vindi við andlit (í um 1,7 m hæð frá jörð) en gengið er þannig frá reiknijöfnunni að vindhraðinn sem þar er notaður sé miðaður við 10 m hæð venjulegra vindhraðamælinga og að vindhraði í andlitshæð sé 2/3-hlutar 10 m vindhraðans.

Stuðlar jöfnunnar eru fengnir með reiknilíkani sem sýnir varmaskipti í mannsandliti, bæði milli lofts og andlits, sem og flutning varma til húðarinnar frá dýpri lögum hennar.

Viðmiðunarvindhraði er 1,33 m/s (4,8 km/klst) og er fenginn með beinum mælingum á gönguhraða við gatnamót.

Vindkælistig við -10°C og -15°C
vindkælistig 10 og 15 stiga frost
Mynd 4. Vindkælistig við -10°C (rauður ferill) og -15°C lofthita (blár ferill). Sjá má að ferlarnir fjarlægjast hægt hvor annan eftir því sem vindhraði vex. Sé lofthiti -10°C og vindhraði 20 m/s er vindkæling talin samsvara því sem mönnum fyndist vera ef hiti í hægviðri er -23,5°C. Nákvæmni upp á aukastaf er reyndar tilgangslaus og misvísandi.
Aftur upp

Sólgeislun

Áhrif sólgeislunar á varmabúskap líkamans eru nokkuð óviss en þó virðist samkomulag vera um að reikna með að í glaðasólskini dragi úr vindkæliáhrifum, eins og þau eru samkvæmt nýju jöfnunni, sem nemur 6 til 10 stigum hjá uppistandandi manni, meira þó í logni en í hvassviðri.

Ný og gömul vindkælistig
vindkaeling_linurit
Mynd 5. Samanburður á gömlum (blátt) og nýjum (rautt) vindkælistigum við mismunandi vindhraða, en fastan hita, -10°C. Hér má greinilega sjá hvers vegna eldri aðferð týndi tengslum við „raunveruleikann“ í vindhraða meiri en 20 m/s. Mismunur á nýjum og gömlum kælistigum er mjög mikill - ótrúlega mikill. Svarta línan sýnir hentuga minnisreglu til að slá á kælistig = hiti + vindhraði (dæmi: Sé hiti -10°C (eins og á myndinni) og vindhraði 15 m/s er kælingin áætluð -10 -15 = -25).

Samanburður nýrri og eldri kælistiga

Þegar nýja jafnan og sú gamla eru bornar saman kemur í ljós að miklu munar á nýjum og gömlum tölum, mest í þá átt að kælingin (munur á mældum hita og kælihita) virðist minni í nýju jöfnunni heldur en þeirri gömlu nema í hægum vindi (næst ofan við viðmiðunarvindhraðann) og þegar vindur er kominn í um 50 m/s. Í nýju jöfnunni vex kælingin jafnt og þétt, laus við hið fáránlega hámark gömlu jöfnunnar í 25 m/s. Í fljótu bragði sýnist sem mest af leiðréttingunni stafi af tilfærslu viðmiðunarhæðar úr 10 metrum í mannshæð.

Aftur upp

Fleira sem hafa ber í huga

Þó reikna megi með því að nýja jafnan gefi betri hugmynd um kælingu en hin eldri eru samt mörg atriði sem hafa verður í huga við notkun hennar.

Ef kalt og þurrt er í veðri tapast um það bil fimmti hluti þess varma sem líkaminn glatar í gegnum lungun. Lítið sem ekkert er hægt að gera til að draga úr þessu hitatapi með auknum klæðnaði. Það hjálpar þó eitthvað til skamms tíma að anda í gegnum klúta þannig að loftið hitni lítillega og taki í sig raka áður en það fer niður í lungu.

Öndunarvamatapinu má skipta í tvennt: Í fyrsta lagi þarf að hita upp loft að utan og í öðru lagi gufar mikið upp af vatni úr lungunum þegar þurrt loft, sem fer inn, hitnar og „dregur í sig raka“ sem síðan fer að nokkru leyti út með loftinu aftur. Uppgufunin krefst mikillar orku og hún tapast að mestu út úr líkamanum.

Ef líkaminn er undir álagi, þannig að viðkomandi mæðist, magnast hitatapið upp og getur orðið mjög alvarlegt. Þannig getur skipt verulegu máli hvort þeir sem leita á fjöll eru í góðri þjálfun eða ekki. Þrekmikill maður verður miklu síður fyrir mæði en hinn. Sama fjall getur verið þreklitlum manni mun erfiðara viðfangs í kulda að vetrarlagi en í sumarblíðu þó vindur sé sá sami.

Vætukæling - vosbúð

Einnig þarf að huga að vætu og kælingu sem hún getur valdið. Áhrif hennar eru einkum þrenns konar: (i) Einangrunargildi fatnaðar minnkar. Rök og blaut föt auka mjög áhrif vindkælingar. (ii) Nokkur líkamsvarmi glatast við það að breyta vatni í blautum fötum í vatnsgufu (eim). Kælandi áhrif til uppgufunar verða þó sjaldnast mjög alvarleg nema við verstu aðstæður. (iii) Líkamsvarmi tapast við að bræða snjó eða skafrenning.

Snjór á og í fötum eða líkama eykur önnur kæliáhrif. Skafrenningur er varasamur þar sem hann festist auðveldlega við föt. Lágarenningur er sérlega viðsjáll þar sem oft virðist veður vera gott við slíkar aðstæður. Kæling fóta getur þá orðið hættulega mikil þar sem snjórinn getur farið að bráðna vegna varma frá fótunum. Mikla orku þarf í snjóbræðsluna og kemur hún öll frá líkamanum.

Aldrei ætti að leggja í fjallaferðir eða ferðir milli landshluta að vetrarlagi nema að hafa viðeigandi hlífðarfatnað með í för. Ef farið er út að moka snjó í skafrenningi ætti ætíð að vera í hlífðarbuxum. Þótt ótrúlegt megi virðast gengur mokstur þá miklu betur. Einnig er óráðlegt að slökkva þorsta með snjó.

Lúmsk hætta liggur einnig í leyni þegar menn koma kaldir og hraktir inn í upphitaða bíla. Snjór í fötum bráðnar þá hratt og bleyta gufar upp. Reikna má með að jafnmikið af þeim varma sem í þetta fer komi frá líkamanum eins og frá miðstöð bílsins.

Minnt skal á að úrkoma af öllu tagi er algeng hérlendis en sem betur fer er til góður klæðnaður til að verjast henni.

Aftur upp

Veðurlag versnar með hæð

Veðurlag versnar mjög með hæð. Hér á landi er óhætt að reikna með að hiti falli um u.þ.b. 2°C á hverja 300 metra hækkun. Standi vindur beint upp eftir hlíð lækkar hitinn um 1° á hverja 100 m hækkun, en minna í úrkomu eða þoku. Í hægviðri getur þó brugðið verulega frá þessum þumalfingursreglum.

Tíðni hættulegrar vindkælingar hefur ekki verið skipulega rannsökuð hérlendis en víst er að skafrenningur og bleyta eru hér hlutfallslega hættulegri en víða annars staðar. Bein vindkæling er hins vegar ekki eins varasöm og í þurrara og kaldara heimskautaloftslagi því mun auðveldara er að verjast vindi en bleytu við þau skilyrði sem hér ríkja.

Séu aðferðir Kanadamanna notaðar til að meta tíðni alvarlegrar vindkælingar út frá mánaðarmeðalhita á Íslandi kemur í ljós að einhver hlífðarfatnaður er hér nauðsynlegur nánast allt árið eigi að forðast ofkælingu. Hætta á skyndikali er hins vegar mjög lítil á láglendi í venjulegu tíðarfari en tíðni hættuástands magnast upp í mjög köldum vetrarmánuðum. Í janúar 1918 var t.d. skyndikalshætta fyrir hendi í nálægt 20-30% mánaðarins um landið norðanvert. Kalhætta er mun meiri á hálendinu þar sem hiti er lægri en á láglendi og vindur meiri.

Vetrarríki
Á Geitlandsjökli
Mynd 6. Aðgát skal höfð í vetrarferðum. Landmælingavarða á Oki í vetrarbúningi í ljósaskiptunum 12. mars 2005. Sér yfir á Geitlandsjökul. Ljósmynd: Jósef Hólmjárn.
Aftur upp

Hvers vegna hefur Veðurstofan ekki gefið út opinbera vindkælitöflu?

Fyrir 25 til 30 árum var nokkuð rætt um hvort Veðurstofan ætti að huga að notkun vindkælistiga í ábendingum og viðvörunum. Helstu ástæður þess að það var ekki gert voru einkum tvær. Önnur ástæðan var sú að gamla jafnan var ekki sannfærandi við íslenskar aðstæður vegna þess hversu mikið dró hlutfallslega úr kælingu við aukinn vindhraða.

Eftir að nýja reikniaðferðin var tekin upp má segja að þessi ástæða eigi ekki við lengur, en hin ástæðan stendur sem fyrr, að vindkæling ein vanmetur stórlega álag á hitatemprandi kerfi líkamans við það úthafsloftslag sem hér ríkir. Bein vindkæling er langoftast lítill hluti heildarkælingar hér á landi. Álag sem flett er upp í kælingartöflun er mjög vanmetið. Því kann að vera hættulegt að lesa álag beint úr vindkælingartöflum og treysta því sem viðmiði.

Það er hollt í þessu sambandi að lesa athugasemd þá sem fylgir leiðbeiningatöflu kanadísku veðurstofunnar um fatnað og viðbúnað: „Sé vindhraði meiri en 50 km/klst (14 m/s) er hættara við kali en taflan gefur til kynna.“ Spurningin er því sú hvort Kanadamönnum hafi í raun þótt nýja leiðréttingin ganga of langt (minni munur var á kælistigum og lofthita í nýju jöfnunni en þeirri gömlu) eða hvort þeir eru hér að vísa til dulinna áhrifa skafrennings og bleytu.

Skyndikal

Í Kanada og í Bandaríkjunum norðanverðum er skyndikal á óvörðu andliti og höndum mun líklegra en hér á landi. Mikil áhersla er lögð á að vara grunlausan almenning við þessari hættu. Enginn munur þarf að vera á gluggaveðri í 20 stiga frosti og í 40 stigum en í 40 stiga frosti kelur andlit til skaða á 2 til 5 mínútum sé vindhraði meiri en 2 m/s, í 20 stiga frosti þarf vindhraði að vera meiri en 15 m/s til að sú hætta sé fyrir hendi. Skyndikalhætta er ekki mikil hérlendis en hætta á ofkælingu þeim mun meiri.

Ítarefni

Finna má ítarlegar upplýsingar um vindkælingu og vandamál tengd henni á vefsetri kanadísku umhverfisstofnunarinnar.

Kælingartöflur (bæði Siple-Passel og þá nýju) má finna á ótal mörgum vefsíðum víða um lönd. Á mörgum þeirra kemur ekki fram hvor jafnan er notuð auk þess sem ekkert er fjallað um aðra alvarlega kælingarþætti sem oftast skipta meira máli varðandi ofkælingu. Jöfnurnar eru gagnlegastar þegar mat er gert á skyndikalshættu.

Burns, B.M., (1973). The climate of the MacKenzie Valley-Beaufort Sea, vol. 1. Environment Canada, Atmospheric environment climatological studies. Toronto.
Ráðið er í tíðni vindkælingar út frá mánaðarmeðaltölum hita og vindhraða.

Parsons, K. (2003). Human thermal environments, 2. útg., 527 s. Taylor and Frances, London og New York.
Fjallað er um vindkælistig og mismunandi útfærslur þeirra á bls. 300 til 325, auk þess sem fjöldi tilvitnana í rannsóknir er í ritinu.

Aftur upp




Aðrir tengdir vefir



Ekkert skjal tengt
Þetta vefsvæði byggir á Eplica