湿球温度
スリング乾湿計。ソックス（写真にある上部のチューブの先端を覆う白い布の小片）を蒸留水で濡らし、1分以上振り回してから測定値を取得します。

湿球温度とは、現在の周囲条件下で水の蒸発のみによって到達できる最低温度です。これは、空気塊が水蒸気の蒸発によって飽和状態（相対湿度100%）まで冷却され、その空気塊から供給される潜熱によってその空気塊の温度が変化することを指します。[ 1 ]湿球温度計は、真の（熱力学的）湿球温度に近い温度を示します。

より正式には、湿球温度とは、一定圧力下で空気塊の水の蒸発によって飽和状態まで断熱冷却された場合に、その空気塊が持つ温度であり、潜熱はすべて空気塊によって供給される。 [ 2 ]相対湿度100%では、湿球温度は気温（乾球温度）と等しくなるが、湿度が低い場合は、蒸発冷却のため湿球温度は乾球温度よりも低くなる。

直感

温度計を水で湿らせた布で包むと、温度計の挙動が変わります。空気が乾燥して湿度が低いほど、水分の蒸発速度は速くなります。水分の蒸発速度が速いほど、温度計の温度は空気温度に対して低くなります。

水は、周囲の空気がより多くの水を吸収できる場合にのみ蒸発します。これは、空気中の水分量と、空気中に存在し得る最大の水分量、つまり相対湿度を比較することで測定されます。0%は空気中に水分が全く含まれていないことを意味し、100%は空気が現状で保持できる水分をすべて含み、それ以上（いかなる発生源からも）水分を吸収できないことを意味します。

これは人間の体感温度の要因の一つです。空気が乾燥しているほど、既に含まれていた水分以上に多くの水分を吸収することができ、余分な水分が蒸発しやすくなります。その結果、乾燥した空気では汗がより早く蒸発し、皮膚の温度が早く下がります。相対湿度が100%の場合、水分は蒸発できず、発汗や蒸発による冷却は不可能になります。

相対湿度が 100% の場合、湿球温度計も蒸発によって冷却できなくなるため、包装されていない温度計と同じ値になります。

一般的な

湿球温度は、水で湿った換気された表面の 蒸発冷却によって達成される最低温度です。

対照的に、露点とは、空気中へのそれ以上の蒸発がないと仮定して、周囲の空気を 100%の相対湿度に達するまで冷却しなければならない温度です。露点は、結露（露）と雲が形成される温度です。

飽和状態未満の空気塊（相対湿度が100%未満の空気塊）では、湿球温度は乾球温度よりも低くなりますが、露点温度よりも高くなります。相対湿度が低いほど（空気が乾燥しているほど）、これら3つの温度の差は大きくなります。逆に、相対湿度が100%に上昇すると、3つの数値は一致します。

圧力と乾球温度が既知の空気の場合、熱力学的湿球温度は相対湿度と露点温度の一意の値に対応する。したがって、これらの値の実用的決定に用いることができる。これらの値の関係は、乾湿線図に示される。

夏の空気の乾燥に伴って湿球温度が低くなると、次のような理由から空調設備のある建物ではエネルギーの節約につながります。

  1. 換気空気の除湿負荷の低減
  2. 冷却塔の効率向上
  3. 蒸発冷却器の効率向上

熱力学的湿球温度

熱力学的湿球温度とは、空気の体積が、水の蒸発によって飽和状態まで断熱冷却された場合の温度であり、潜熱はすべて空気の体積によって供給されます。

断熱されたチャネル内の液体の水の大きな表面を通過した空気サンプルの温度は、熱力学的湿球温度です。空気は、一定圧力の理想的な断熱飽和チャンバーを通過することで飽和状態になります。

気象学者などは、「熱力学的湿球温度」を指すのに「等圧湿球温度」という用語を使用する場合があります。これは「断熱飽和温度」とも呼ばれますが、気象学者は「断熱飽和温度」を「飽和レベルの温度」、つまり物体が飽和するまで断熱膨張した場合に到達する温度という意味でも使用します。[ 3 ]

熱力学的湿球温度は、空気と水蒸気の混合物の熱力学的特性です。単純な湿球温度計の示す値は、多くの場合、熱力学的湿球温度の適切な近似値となります。

正確な湿球温度計の場合、「大気温度・気圧における空気・水蒸気混合物では、湿球温度と断熱飽和温度はほぼ等しくなります。ただし、通常の大気条件から大きく逸脱した温度・気圧の場合、あるいは他の気体・蒸気混合物の場合は、必ずしもこの限りではありません。」[ 4 ]

湿球温度計の温度表示

湿球温度計を備えた乾湿両用湿度計

湿球温度は、球部が布（ソックス）で包まれ、ウィッキング作用によって蒸留水で湿らせた温度計を用いて測定されます。このような機器は湿球温度計と呼ばれます。 湿球温度と乾球温度の測定に広く用いられている機器は、スリング乾湿計です。これは一対の水銀球温度計で構成され、片方は湿球温度を測定するための湿った「ソックス」を、もう片方は球部が露出した乾燥した状態で乾球温度を測定します。これらの温度計は回転ハンドルに取り付けられており、ハンドルを回転させることにより、ソックスから水が蒸発し、湿球が熱平衡に達するまで冷却されます。

実際の湿球温度計は、熱力学的湿球温度とはわずかに異なる温度を示しますが、両者の値は非常に近いです。これは偶然によるものです。水と空気のシステムでは、乾湿比（下記参照）がたまたま1に近くなりますが、空気と水以外のシステムでは、必ずしも近くならない可能性があります。

なぜそうなのかを理解するために、まず熱力学的湿球温度の計算を考えてみましょう。

実験1

この場合、不飽和空気の流れが冷却されます。冷却によって生じた熱は、一部の水分を蒸発させるために使用され、空気の湿度が上昇します。ある時点で、空気は水蒸気で飽和状態になります（そして、熱力学的湿球温度まで冷却されます）。この場合、乾燥空気の質量あたりのエネルギー収支は次のように表すことができます。

(Hsat−H0)⋅λ=(T0−Tsat)⋅cs{\displaystyle (H_{\mathrm {sat} }-H_{0})\cdot \lambda =(T_{0}-T_{\mathrm {sat} })\cdot c_{\mathrm {s} }}

  • Hsat{\displaystyle H_{\mathrm {sat} }}空気中の飽和水分量（kg H 2 O /kg乾燥空気）
  • H0{\displaystyle H_{0}}空気中の初期の水分含有量（上記と同じ単位）
  • λ{\displaystyle \lambda }水の潜熱（J/kg H 2 O）
  • T0{\displaystyle T_{0}}初期気温（K）
  • Tsat{\displaystyle T_{\mathrm {sat} }}飽和気温（K）
  • cs{\displaystyle c_{s}}空気の比熱（J/kg·K）

実験2

湿球温度計の例で言えば、水滴の上に不飽和空気が吹き付けられているところを想像してください。水滴内の水の蒸気圧（水滴の温度の関数）が、空気流中の水蒸気分圧よりも大きい限り、蒸発が起こります。蒸発に必要な熱は、まず水滴自体から供給されます。

代わりに、液滴が冷却し始めると、空気よりも低温になるため、空気から液滴への対流熱伝達が始まります。さらに、蒸発速度は、液滴と流れの界面と遠方の水蒸気濃度（つまり、液滴の影響を受けない「元の」水蒸気濃度）の差、および混合物の成分（つまり、水と空気）の関数である対流物質移動係数に依存します。

一定時間経過後、平衡状態に達します。液滴は、蒸発によって奪われる熱量と対流によって得られる熱量が等しくなるまで冷却されます。この時点で、界面面積あたりのエネルギー収支は次のようになります。

(Hsat−H0)⋅λ⋅k′=(T0−Teq)⋅hc{\displaystyle (H_{\mathrm {sat} }-H_{0})\cdot \lambda \cdot k'=(T_{0}-T_{\mathrm {eq} })\cdot h_{\mathrm {c} }}

  • Hsat{\displaystyle H_{\mathrm {sat} }}平衡時の界面の水分含有量（kg H 2 O /kg乾燥空気）（この領域の空気は常に飽和していることに注意）
  • H0{\displaystyle H_{0}}遠方の空気中の水分量（上記と同じ単位）
  • k′{\displaystyle k'}物質移動係数（kg/m 2 ⋅s）
  • T0{\displaystyle T_{0}}距離における気温（K）
  • Teq{\displaystyle T_{\mathrm {eq} }}平衡時の水滴温度（K）
  • hc{\displaystyle h_{\mathrm {c} }}対流熱伝達係数（W/m 2 ·K）

ご了承ください：

  • (H−H0){\displaystyle (H-H_{0})}は質量移動の原動力である（実験全体を通して常に等しい）Hsat−H0{\displaystyle H_{\mathrm {sat} }-H_{0}}
  • (T0−T){\displaystyle (T_{0}-T)}は熱伝達の原動力である（に達すると平衡に達する）T{\displaystyle T}Teq{\displaystyle T_{\mathrm {eq} }}

この式を次のように変形してみましょう。

(Hsat−H0)⋅λ=(T0−Teq)⋅hck′{\displaystyle (H_{\mathrm {sat} }-H_{0})\cdot \lambda =(T_{0}-T_{\mathrm {eq} })\cdot {\frac {h_{\mathrm {c} }}{k'}}}

さて、最初の「熱力学湿球」実験、実験 1 に戻りましょう。両方の実験で空気の流れが同じ場合 (つまり、とが同じ場合)、両方の式の右辺を等しくすることができます。 H0{\displaystyle H_{0}}T0{\displaystyle T_{0}}

(T0−Tsat)⋅cs=(T0−Teq)⋅hck′{\displaystyle (T_{0}-T_{\mathrm {sat} })\cdot c_{\mathrm {s} }=(T_{0}-T_{\mathrm {eq} })\cdot {\frac {h_{\mathrm {c} }}{k'}}}

並べ替え:

T0−Tsat=(T0−Teq)⋅hck′⋅cs{\displaystyle T_{0}-T_{\mathrm {sat} }=(T_{0}-T_{\mathrm {eq} })\cdot {\frac {h_{\mathrm {c} }}{k'\cdot c_{\mathrm {s} }}}}

すると、実験2の液滴の温度は実験1の湿球温度と同じになります。偶然にも、空気と水蒸気の混合物ではこのようになり、その比率（乾湿比と呼ばれる）は1に近くなります。[ 5 ]hck′cs=1{\displaystyle {\dfrac {h_{\mathrm {c} }}{k'c_{\mathrm {s} }}}=1}

実験 2 は、一般的な湿球温度計で起こることであり、その測定値は熱力学的 (「実際の」) 湿球温度にかなり近いことを意味します。

実験的には、湿球温度計の読み取り値が熱力学的湿球温度に最も近づくのは次の場合です。

  • ソックスは周囲との放射熱交換から保護されている
  • 空気が靴下を素早く通過し、蒸発した水分が靴下からの蒸発に影響を与えないようにする
  • 靴下に供給される水は、空気の熱力学的湿球温度と同じ温度である。

実際には、湿球温度計によって報告される値は、以下の理由により熱力学的湿球温度とはわずかに異なります。

  • ソックスは放射熱交換から完全に遮断されているわけではない
  • ソックスを通過する空気の流量が最適値より低い可能性があります
  • 靴下に供給される水の温度は制御されていない

相対湿度が100%を下回ると、球から水が蒸発し、周囲温度よりも低くなります。相対湿度を測定するには、一般的な温度計（この文脈では乾球温度計としてよく知られています）を用いて周囲温度を測定します。どの周囲温度においても、相対湿度が低いほど乾球温度と湿球温度の差が大きくなり、湿球温度は低くなります。正確な相対湿度は、 湿球温度と乾球温度の 乾湿線図から読み取るか、計算によって決定されます。

乾湿計は湿球温度計と乾球温度計の両方を備えた計測器です。

湿球温度計は、黒球温度計（入射放射温度を測定する）と組み合わせて屋外の日光の下で使用し、湿球黒球温度（WBGT）を計算することもできます。[ 6 ]

断熱湿球温度

断熱湿球温度とは、空気を断熱的に飽和状態まで冷却し、その後、湿潤断熱過程において元の圧力まで断熱的に圧縮したときの温度である。[ 7 ]このような冷却は、上昇凝縮レベルの記事で述べたように、高度とともに気圧が低下するために起こる可能性がある。

この記事で定義されているこの用語は、気象学で最もよく使われていると考えられます。

「熱力学的湿球温度」と呼ばれる値も断熱過程を経て得られるため、一部の技術者などは「熱力学的湿球温度」を「断熱湿球温度」と呼ぶことがあります。また、前述のように、気象学者などは「熱力学的湿球温度」を「等圧湿球温度」と呼ぶことがあります。

等圧過程と断熱過程の関係は非常に曖昧である。しかし、比較してみると、両者の温度差が数十分の1度以上になることは稀であり、不飽和空気の場合、断熱過程の温度差は常に小さい方となる。この差は非常に小さいため、実際には通常無視される。[ 8 ]

湿球低下

湿球降下は、乾球温度と湿球温度の差です。湿度が100%の場合、乾球温度と湿球温度は同じになり、湿球降下はゼロになります。[ 9 ]

湿球温度と健康

生物は一定の温度範囲内でのみ生存できます。周囲温度が過度に高くなると、多くの動物は蒸発冷却（ヒトや馬は汗、イヌなどの哺乳類は唾液や水分）によって周囲温度よりも低い温度まで体を冷却します。これは、熱ストレスによる致命的な高体温を防ぐのに役立ちます。蒸発冷却の効果は湿度に依存します。湿球温度、あるいは太陽放射も考慮に入れた湿球黒点温度（WBGT）などのより複雑な計算値は、熱ストレスの程度を示す有用な指標であり、多くの機関によって熱ストレス予防ガイドラインの根拠として使用されています。

体の中心体温を約 37 °C (99 °F) に維持することは不可欠であるため、湿球温度が 35 °C (95 °F) （熱指数71 °C (160 °F) に相当）を超える状態が続くと、日陰で半裸になり扇風機の横にいる健康な人でも致命的となる可能性があります。この温度になると、人体は環境に熱を放出するのではなく、環境から熱を得る状態に切り替わります。[ 10 ] [ 11 ] 2022 年の研究では、日常生活の基本的な活動を模倣した若く健康な成人で熱ストレスを補償できなくなる臨界湿球温度は、周囲の温度と湿度の条件に大きく依存しますが、理論上の限界より 5～10 °C 低いことがわかりました。[ 12 ] [ 13 ]

2015年の研究では、将来の地球温暖化の程度によっては、世界の一部が致命的な湿球温度のために居住不能になる可能性があると結論付けています。[ 14 ] 2020年の研究では、死者を出すには短すぎて場所が狭すぎたとはいえ、湿球温度が35℃（95℉）に達した事例がすでに報告されています。[ 15 ]生理的および行動的条件が最適でないと、湿球温度がはるかに低くても、深刻な死亡率や罹患率への影響が発生する可能性があります。2003年のヨーロッパ と2010年のロシアの熱波では、28℃（82℉）を超えることはありませんでした。[ 15 ]

2018年、サウスカロライナ州は、高校生を屋外活動中の熱中症から守るための新たな規制を施行しました。湿球黒球温度が82.0°F（27.8℃）から92.0°F（33.3℃）の範囲については、具体的なガイドラインと制限が適用されます。湿球黒球温度が92.1°F（33.4℃）以上の場合は、すべての屋外活動を中止する必要があります。[ 16 ] [ 17 ]

湿球極端温度（WTE）は、2,000平方キロメートルを超えることはめったにありません。[ 18 ]

湿度の高い熱波

記録された最高湿球温度

以下の場所では湿球温度が34℃（93℉）以上を記録しました。[ 24 ]（気象観測所は通常空港にあるため、市内の他の場所ではより高い値を記録している可能性があります。）

重量（℃）市と州国
36.3ラス アル ハイマ シティ(ラス アル ハイマ)アラブ首長国連邦
36.2ジャコババード、シンド州パキスタン
36メッカサウジアラビア
35.8ヒサール、ハリヤナ州インド
35.6西オーストラリア州ヤナリーオーストラリア
35.4ビジャエルモサ、タバスコメキシコ
35.1[名前のない場所]、ハイバル・パフトゥンクワ州パキスタン
35マラカイボベネズエラ
35マトラパ、サン・ルイス・ポトシメキシコ
35シナロア州チョイメキシコ
34.8ラパス、バハ・カリフォルニア・スル州メキシコ
34.8ソト・ラ・マリーナ、タマウリパス州メキシコ
34.7メディナサウジアラビア
34.7バンダレ・アッバースイラン
34.6マチリパトナム マンダル、アーンドラ プラデーシュ州インド
34.5オリッサ州バラソールインド
34.4バマコマリ
34.4チクシュルーブ、ユカタン州メキシコ
34.1ラングーンミャンマー
34アジュナラ、パンジャブインド
34ポートヘッドランド、西オーストラリア州オーストラリア
34エンパルメ、ソノラ州メキシコ
34トゥスパン、ベラクルスメキシコ
34パイサンドゥ県ウルグアイ

気候変動

研究結果によると、地球温暖化を1.5℃に抑えることで、熱帯地方のほとんどが人間の生理的限界である湿球温度35℃に達するのを防ぐことができると示唆されている。[ 25 ] [ 26 ]

参照

参考文献

  1. ^ 『天気辞典』オックスフォード・リファレンス、2008年、ISBN 978-0-19-954144-7。
  2. ^ 「湿球温度 - 気象学用語集」glossary.ametsoc.org . 2023年11月16日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2025年2月13日閲覧。
  3. ^「断熱飽和温度 - 気象学用語集」glossary.ametsoc.org .
  4. ^ヴァンワイレン、ゴードン・J;ソンタグ、リチャード E. (1973)。古典熱力学の基礎(第 2 版)。ワイリー。 p. 448.ISBN​ 978-0-471-90227-0。
  5. ^ "2008年4月8日アクセス" . 2016年1月14日時点のオリジナルよりアーカイブ。2010年6月24日閲覧。
  6. ^ Ekici, Can (2017). 「熱ストレスモニターの校正と測定不確かさ」. International Journal of Thermophysics . 38. Springer: 85. doi : 10.1007/s10765-017-2224-8 .
  7. ^「湿球温度 - 気象学用語集」glossary.ametsoc.org。
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  10. ^ Sherwood, SC; Huber, M. (2010年5月25日). 「熱ストレスによる気候変動への適応限界」 . Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 107 (21): 9552–5 . Bibcode : 2010PNAS..107.9552S . doi : 10.1073/ pnas.0913352107 . PMC 2906879. PMID 20439769 .  
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  14. ^ Pal, Jeremy S.; Eltahir, Elfatih AB (2015). 「南西アジアの将来の気温は人間の適応能力の閾値を超えると予測される」Nature 6 (2): 197– 200. Bibcode : 2016NatCC...6..197P . doi : 10.1038/nclimate2833 .
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  24. ^ 「インタラクティブマップ：日別最高湿球温度（℃）」 2020年5月8日。
  25. ^ 「地球温暖化により熱帯地域は人間の居住限界に近づいている」ガーディアン紙、2021年3月8日。 2021年4月19日閲覧。
  26. ^ Zhang, Yi; Held, Isaac; Fueglistaler, Stephan (2021年3月). 「大気力学によって制約された熱帯熱ストレスの予測」 . Nature Geoscience . 14 (3): 133– 137. Bibcode : 2021NatGe..14..133Z . doi : 10.1038/s41561-021-00695-3 . ISSN 1752-0908 . S2CID 232146008. 2021年4月19日閲覧。  
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