Die Wahrnehmung von strahlender Kälte erklärt durch die Physik

Eine echte Empfindung für einen unsichtbaren Mechanismus

Haben Sie sich schon einmal gefragt, warum man an einem kalten Wintertag eine deutliche Kälteempfindung spürt, wenn man sich einer großen Fensterfront nähert, selbst wenn der Raum gut beheizt ist?

Die sogenannte strahlende Kälteempfindung wird oft als zurückkehrende Kälte von einer Oberfläche interpretiert. Diese Wahrnehmung ist eine Sinnestäuschung, denn Kälte breitet sich nicht aus. Tatsächlich basiert das Phänomen auf einem messbaren Energieaustausch, der die thermische Strahlung (energieaustausch durch Emission und Absorption elektromagnetischer Wellen) involviert. Wenn sich der menschliche Körper vor einer kälteren Oberfläche befindet, verliert er Energie in Form von Infrarotstrahlung.

N.B.:
In der Physik breitet sich Kälte nicht aus. Es gibt keinen Kältestrom. Nur Wärme, also thermische Energie, wird von einem Körper mit höherer Temperatur zu einem Körper mit niedrigerer Temperatur durch Leitung, Konvektion oder Strahlung übertragen. Das Kältegefühl entspricht einem Energieverlust des Körpers, nicht dem Eintreffen eines Kälteagents.

Infrarotstrahlung des menschlichen Körpers

Thermische Emission der Haut

Jeder Körper, dessen Temperatur über dem absoluten Nullpunkt (theoretische Mindesttemperatur, die dem niedrigsten möglichen thermischen Energiezustand entspricht, gleich 0 Kelvin) liegt, sendet elektromagnetische Strahlung aus. Für die menschliche Haut liegt diese Strahlung hauptsächlich im fernen Infrarotbereich. Wenn die Umgebungstemperatur niedriger ist als die des Körpers, ist der netto Strahlungsfluss nach außen gerichtet, was zu einem kontinuierlichen Energieverlust führt.

Das Stefan-Boltzmann-Gesetz

Die von einem Körper abgestrahlte Leistung wird durch das Stefan-Boltzmann-Gesetz gegeben: \( P = \varepsilon \sigma S T^4 \). Der Parameter T ist die absolute Temperatur der Haut (in Kelvin). Da er zur vierten Potenz erhoben wird, führen bereits kleine Temperaturunterschiede zwischen Körper und kalter Oberfläche zu einem viel größeren Energieverlust, als man denken könnte. Die anderen Parameter sind:
- P: abgestrahlte Leistung (in Watt, W)
- \(\varepsilon\): Emissionsgrad der Haut (~0,97)
- \(\sigma\): Stefan-Boltzmann-Konstante, \(5,67 \times 10^{-8} \, \text{W·m}^{-2}\text{·K}^{-4}\)
- S: exponierte Hautfläche (in m²)

Auswirkung auf das Kältegefühl

Der netto Strahlungsfluss hängt von der Differenz zwischen der Hauttemperatur und der Umgebungstemperatur ab. Beispielsweise kann der Körper vor einer sehr kalten Wand auf den exponierten Bereichen sofort mehrere hundert Watt verlieren, was das intensive Kältegefühl erklärt, obwohl die gesamte Körpertemperatur durch den Stoffwechsel nur sehr langsam sinkt.

Warum kalte Oberflächen auch ohne Zugluft kalt wirken

Temperaturunterschiede und Kältewahrnehmung

Das Kältegefühl ist stärker, wenn der Körper unterschiedlichen Oberflächentemperaturen ausgesetzt ist. Eine Wand oder ein Fenster können materialtechnisch homogen sein, sind aber oft kälter als die Umgebungsluft. Dies erklärt sich durch ihren Kontakt mit der Außenwelt und ihre Fähigkeit, Wärme langsamer zu speichern oder abzugeben als die Luft.

Absorption der Strahlung und Wärmestrom

Diese kalten Oberflächen absorbieren einen Teil der vom Körper ausgehenden Infrarotstrahlung. Sie verändern die Art und Weise, wie die Körperwärme um die Person herum entweicht. Anstatt dass die Energie gleichmäßig in alle Richtungen verteilt wird, wird ein großer Teil der Wärme von diesen kalten Wänden aufgenommen. Der Körper nimmt dieses Ungleichgewicht als intensivere Kälte wahr, die von diesen Oberflächen ausgeht.

Eine Metapher zur Veranschaulichung des Phänomens

Stellen Sie sich Ihren Körper als Heizlampe vor, die in der Mitte eines Raumes platziert ist. Die abgegebene Wärme breitet sich in alle Richtungen aus, aber die kalten Wände absorbieren mehr dieser Energie. Der Wärmestrom wird natürlich diesen Oberflächen "folgen", da die Temperaturgradienten dort stärker sind, wo es kälter ist. Es ist ein bisschen so, als wäre die Körperwärme Wasser auf einem Gefälle. Kalte Oberflächen sind wie tiefere Löcher. Umgekehrt verliert der Körper in Richtung wärmerer Oberflächen oder solcher, die näher an der eigenen Temperatur liegen, weniger Wärme (der Wärmestrom ist "langsamer").

Selbst ohne Zugluft gibt dieses Ungleichgewicht im Wärmestrom das Gefühl, dass die Kälte hauptsächlich von den kalten Oberflächen vor einem kommt, wie der Wand oder dem Fenster.

Physikalische und historische Grundlagen

Wärmeleitung

Die Wärmeleitung wurde Anfang des 19. Jahrhunderts von Joseph Fourier (1768-1830) formalisiert. Er legte die mathematischen Grundlagen für den Wärmetransport durch direkten Kontakt zwischen Materialien.

Schwarzkörperstrahlung

Die Schwarzkörperstrahlung wurde von Max Planck (1858-1947) im Jahr 1900 beschrieben, und ebnete den Weg für ein quantitatives Verständnis der Strahlungsaustausche. Die Arbeiten von Albert Einstein (1879-1955) stärkten die statistische Interpretation der Energieübertragungen zwischen Materie und Strahlung.

Hinweis zum Strahlungsfeld

N.B.:
Die Lufttemperatur ist nicht der einzige Faktor, der das thermische Komfortgefühl beeinflusst. Selbst wenn zwei Umgebungen die gleiche Temperatur haben, kann man je nach Verteilung der Wärme um den Körper herum sehr unterschiedliche Kälte- oder Komfortempfindungen haben. Dies wird als Strahlungsfeld bezeichnet: die Gesamtheit der Oberflächen und Objekte, die Wärme absorbieren oder zurückstrahlen. Ein Ungleichgewicht in diesem Feld, z.B. durch kalte Wände oder Fenster, kann das Kältegefühl verstärken, selbst ohne Zugluft.

Hauptphysikalische Mechanismen

Quellen und Referenzen

• Quellen: NIST, Thermophysikalische Eigenschaften (neues Fenster), ISO 7730, Ergonomie der thermischen Umgebung (neues Fenster).

FAQ: Alles über die Wahrnehmung von Strahlungskälte