体感温度,也称为风寒指数,综合考虑了实际温度、风速、日照强度和相对湿度。人体通过新陈代谢过程(如肌肉活动、食物消化、血液循环等)产生热量。体感温度估算了皮肤所感知的寒冷主观感受。它是根据不同因素如何影响身体热量散失来计算的。这种热量散失源于汗液蒸发、皮肤传导以及空气流动带来的对流。风越大,热量散失越多,从而给人温度更低的印象。因此,风通过对流加速了身体热量的散失。它移除了皮肤附近被加热的空气层,从而加快了冷却过程。即使环境温度并非极低,这也可能让人感觉更冷。直射阳光对人体有增温效应。阳光越强,体感温度越高。阳光的增温效应源于辐射。实际上,太阳光线穿透大气层并渗入皮肤,从而使其升温。在较高温度下,高湿度可能使炎热感更加不适。天气炎热时,高湿度会限制身体通过出汗散热的能力。汗液在湿度饱和的空气中难以蒸发。这可能导致人感到闷热不适。
常用的数学公式是美国国家气象局(NWS)的风寒指数。空气流动会加速人体热量向周围大气传递的速率,尤其在气温低于约7°C(45°F)时更为显著。
国际单位制中的数学公式:
Tfelt = 13.12 + 0.6215 × T − 11.37 × V^0.16 + 0.3965 × T × V^0.16
T是空气温度(摄氏度),在距地面1.5米处的遮蔽物内测量。V是风速(公里/小时)。13.12为常数项,考虑了某些生理参数,尤其是人体新陈代谢产生的热量。0.6215是用于将风速转换为与摄氏度温度兼容单位的系数。11.37是与风速(V)相关的系数,通过考虑风速变化导致的人体热量散失差异,来修正风对寒冷感的影响。0.16是公式中与风速配合使用的指数,该指数(0.16)表示热量散失对风速的依赖性,表明寒冷感随风速呈非线性增强。39.65是考虑相对湿度的项,意味着湿度会影响风对体感寒冷程度的作用。
所有这些值都是常数系数,用于根据实际温度调整体感温度的计算。这些系数来源于经验研究、气象学研究和观测,旨在通过更真实地反映风对温度感知的影响,提高风寒指数的准确性。通过调整这些系数,我们力求使风寒指数更能代表有风时寒冷感觉的主观现实。
盎格鲁-撒克逊计量单位中的数学公式:
Tfelt = 35.74 + 0.6215 × T − 35.75 × V^0.16 + 0.4275 × T × V^0.16
Tfelt是华氏度下的风寒指数,T是华氏度下的空气温度,V是每小时英里数下的风速。
国际单位制计算:T=5°C(实际摄氏温度),V=40 km/h(风速)。Excel公式:= (13.12 + 0.6215 * 5) - (11.37 * 40^0.16) + (0.3965 * 5 * 40^0.16)体感温度 = 0.71°C。
使用英制单位计算:T=41°F(华氏度实际温度),V=24.8 mph(英里/小时风速)。Excel公式:= (35.74 + 0.6215 *41) - (35.75 * 24.8^0.16) + (0.4275 * 41 * 24.8^0.16)体感温度 = 41.9°F。
这个看似复杂的公式说明了风如何增加身体的热量流失,使体感温度比实际温度更冷。 因此,风寒指数能更准确地衡量你感受到的寒冷程度。 但这种感觉是否适用于所有人呢?
所选参数为平均参数,因此风寒指数公式仅提供寒冷感受的总体近似值。
确实,个体对温度的感知会因多种生理、心理和环境因素而异。诸如体重、活动水平、血液循环、新陈代谢率、个人抗寒能力,甚至心理层面的耐寒程度等,都会影响一个人对温度的体验。
此外,该公式未考虑某些局部因素,如日照、可能降低风速的障碍物等。需注意的是,体感温度是一个主观概念,取决于个人对温度的敏感度、装备及健康状况。
裸露人体在星际空间中所感受到的温度,取决于人体释放的热功率、环境温度以及热交换方式。通常,人体通过对流、传导和辐射三种方式散失热量。
在太空中,不存在对流或传导,因为没有物质。因此,唯一的热交换方式是辐射。
人体发出的红外辐射波长约为10微米,对应温度为37°C。星际介质也发出辐射,其平均温度为-270.45°C。因此,人体感受到的温度是人体温度与环境温度之差乘以辐射热交换系数。
实际上,人体若暴露于太空真空中且无防护,将在数分钟内死亡,死因并非寒冷,而是减压、脱水、窒息和辐射。因此,我们无法谈及体感温度。