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Sensación térmica por viento

Valores del índice de sensación térmica para un rango de temperaturas y velocidades del viento, según la fórmula estándar de Environment Canada. La sensación térmica es la sensa...

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Valores del índice de sensación térmica para un rango de temperaturas y velocidades del viento, según la fórmula estándar de Environment Canada.

La sensación térmica es la sensación de frío que produce el viento sobre la piel expuesta a una temperatura ambiente determinada, ya que el movimiento del aire acelera la transferencia de calor del cuerpo a la atmósfera circundante. La medición de la sensación térmica se denomina índice de sensación térmica o factor de sensación térmica . La medición más común es la temperatura de sensación térmica , cuyos valores siempre son inferiores a la temperatura del aire en el rango donde la fórmula es válida. Cuando la temperatura aparente es superior a la temperatura del aire, se utiliza el índice de calor .

Explicación

Una superficie pierde calor por conducción , evaporación , convección y radiación . [ 1 ] La tasa de convección depende tanto de la diferencia de temperatura entre la superficie y el fluido que la rodea como de la velocidad de dicho fluido con respecto a la superficie. A medida que el calor se transfiere inicialmente desde una superficie caliente por conducción, el aire caliente asciende para crear convección natural. Estos procesos forman una capa límite aislante de aire caliente contra la superficie. El aire en movimiento interrumpe esta capa límite, o epiclima, arrastrando el aire caliente lejos, permitiendo así que el aire más frío reemplace al aire caliente contra la superficie y aumentando la diferencia de temperatura en la capa límite. Cuanto mayor sea la velocidad del viento, más fácilmente se enfría la superficie. [ 2 ] Contrariamente a la creencia popular , la sensación térmica no se refiere a cuán frías se ponen las cosas, sino que solo se enfriarán hasta la temperatura del aire. Esto significa que los radiadores y las tuberías no pueden congelarse cuando la sensación térmica está por debajo del punto de congelación y la temperatura del aire está por encima del punto de congelación. [ 3 ]

Enfoques alternativos

Existen numerosas fórmulas para calcular la sensación térmica, ya que, a diferencia de la temperatura, no existe una definición ni una medida estándar universalmente aceptadas. Todas las fórmulas intentan predecir cualitativamente el efecto del viento en la temperatura que perciben los seres humanos . Los servicios meteorológicos de diferentes países utilizan estándares propios de su país o región; por ejemplo, los servicios meteorológicos de Estados Unidos y Canadá utilizan un modelo aceptado por el Servicio Meteorológico Nacional . Dicho modelo ha evolucionado con el tiempo.

Las primeras fórmulas y tablas de sensación térmica fueron desarrolladas por Paul Allman Siple y Charles F. Passel, quienes trabajaban en la Antártida antes de la Segunda Guerra Mundial, [ 4 ] y fueron puestas a disposición por el Servicio Meteorológico Nacional en la década de 1970. [ 4 ] Se basaban en la tasa de enfriamiento de una pequeña botella de plástico a medida que su contenido se congelaba mientras estaba suspendida en el viento sobre el techo de la cabaña de la expedición, al mismo nivel que el anemómetro . [ 4 ] El llamado Índice de Sensación Térmica proporcionaba una indicación bastante precisa de la severidad del clima. [ 4 ]

En la década de 1960, la sensación térmica comenzó a reportarse como temperatura equivalente a la sensación térmica (WCET), que teóricamente es menos útil. Se desconoce el autor de este cambio, pero no fue Siple ni Passel, como se cree generalmente. Al principio, se definió como la temperatura a la cual el índice de sensación térmica sería el mismo en ausencia total de viento. Esto dio lugar a temperaturas equivalentes que exageraban la severidad del clima. Charles Eagan [ 5 ] se dio cuenta de que las personas rara vez están quietas y que incluso en calma, hay cierto movimiento de aire. Redefinió la ausencia de viento como una velocidad del aire de 1,8 metros por segundo (6,5 km/h; 4,0 mph) , que era aproximadamente la velocidad del viento más baja que podía medir un anemómetro de cazoletas. Esto dio lugar a valores de temperatura equivalente más realistas (que suenan más cálidos).  

Modelo original

La temperatura equivalente no se utilizó universalmente en Norteamérica hasta el siglo XXI. Hasta la década de 1970, las zonas más frías de Canadá utilizaban el Índice de Sensación Térmica original, un número de tres o cuatro dígitos con unidades de kilocalorías /hora por metro cuadrado. Cada persona calibraba la escala de números personalmente, basándose en su experiencia. La tabla también proporcionaba una guía general sobre el confort y el riesgo mediante valores umbral del índice, como 1400, que era el umbral para la congelación .

La fórmula original para el índice era: [ 6 ] [ 7 ]

WdoI=(10v−v+10.5)⋅(33−Ta),{\displaystyle WCI=\left(10{\sqrt {v}}-v+10.5\right)\cdot \left(33-T_{\mathrm {a} }\right),} dónde:

  • WCI = índice de sensación térmica, kg⋅cal/m² / h
  • v = velocidad del viento, m/s
  • Ta = temperatura del aire, °C

Índice de sensación térmica por viento en Norteamérica y Reino Unido

En noviembre de 2001, Canadá, Estados Unidos y el Reino Unido implementaron un nuevo índice de sensación térmica desarrollado por científicos y expertos médicos del Grupo de Acción Conjunta para Índices de Temperatura (JAG/TI). [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] Se determina iterando un modelo de temperatura de la piel bajo varias velocidades del viento y temperaturas utilizando correlaciones de ingeniería estándar de velocidad del viento y tasa de transferencia de calor. La transferencia de calor se calculó para un rostro descubierto en el viento, de cara al viento, mientras caminaba contra él a 1,4 m/s (5,0 km/h; 3,1 mph) . El modelo corrige la velocidad del viento medida oficialmente a la velocidad del viento a la altura del rostro, suponiendo que la persona está en un campo abierto. [ 11 ] Los resultados de este modelo pueden aproximarse, dentro de un grado, a partir de las siguientes fórmulas.   

La fórmula estándar de sensación térmica para Environment Canada es: [ 4 ]

Twdo=13.12+0,6215Ta−11.37v+0,16+0,3965Tav+0,16,{\displaystyle T_{\mathrm {wc} }=13,12+0,6215T_{\mathrm {a} }-11,37v^{+0,16}+0,3965T_{\mathrm {a} }v^{+0,16},}

donde T wc es el índice de sensación térmica, basado en la escala de temperatura Celsius; T a es la temperatura del aire en grados Celsius; y v es la velocidad del viento a una altura estándar de anemómetro de 10 m (33 pies) , en kilómetros por hora. [ 12 ]  

Cuando la temperatura es de −20 °C (−4 °F) y la velocidad del viento es de 5 km/h (3 mph) , el índice de sensación térmica es de −24. Si la temperatura se mantiene en −20 °C y la velocidad del viento aumenta a 30 km/h (19 mph) , el índice de sensación térmica baja a −33.       

La fórmula equivalente en unidades del sistema consuetudinario estadounidense es: [ 13 ] [ 4 ]

Twdo=35,74+0,6215Ta−35,75v+0,16+0,4275Tav+0,16,{\displaystyle T_{\mathrm {wc} }=35,74+0,6215T_{\mathrm {a} }-35,75v^{+0,16}+0,4275T_{\mathrm {a} }v^{+0,16},}

donde T wc es el índice de sensación térmica, basado en la escala Fahrenheit; T a es la temperatura del aire en grados Fahrenheit; y v es la velocidad del viento en millas por hora. [ 14 ]

La sensación térmica se define únicamente para temperaturas iguales o inferiores a 10 °C (50 °F) y velocidades del viento superiores a 4,8 km/h (3,0 mph) . [ 13 ]    

A medida que baja la temperatura del aire, aumenta el efecto de enfriamiento de cualquier viento presente. Por ejemplo, un viento de 16 km/h (10 mph) reducirá la temperatura aparente en mayor medida a una temperatura del aire de −20 °C (−4 °F) que un viento de la misma velocidad si la temperatura del aire fuera de −10 °C (14 °F) .      

El WCET de 2001 es un cálculo en estado estacionario (excepto para las estimaciones del tiempo hasta la congelación). [ 15 ] Hay aspectos importantes que dependen del tiempo en la sensación térmica del viento porque el enfriamiento es más rápido al comienzo de cualquier exposición, cuando la piel todavía está caliente.

Temperatura aparente australiana

La temperatura aparente australiana (TA), inventada a finales de la década de 1970, se diseñó para medir la sensación térmica en interiores. A principios de la década de 1980 se amplió para incluir el efecto del sol y el viento. El índice TA utilizado aquí se basa en un modelo matemático de un adulto caminando al aire libre, a la sombra (Steadman 1984). La TA se define como la temperatura, al nivel de humedad de referencia, que produce la misma sensación de incomodidad que la experimentada bajo la temperatura y humedad ambiente actuales. [ 16 ]

La fórmula [ 17 ] es:

AT=Ta+0,33mi−0,7v−4.00,{\displaystyle \mathrm {AT} =T_{\mathrm {a} }+0.33e-0.7v-4.00,}

dónde:

La presión de vapor se puede calcular a partir de la temperatura y la humedad relativa utilizando la siguiente ecuación: mi=RH100⋅6.105⋅exp⁡(17.27⋅Ta237,7+Ta),{\displaystyle e={\frac {\mathrm {RH} }{100}}\cdot 6.105\cdot \exp {\left({\frac {17.27\cdot T_{\mathrm {a} }}{237.7+T_{\mathrm {a} }}}\right)},}

dónde:

  • T a es la temperatura de bulbo seco (°C)
  • RH es la humedad relativa (%).
  • exp representa la función exponencial

La fórmula australiana incluye el importante factor de la humedad y es algo más compleja que el modelo norteamericano de sensación térmica, más sencillo. La fórmula norteamericana se diseñó para aplicarse a bajas temperaturas (hasta -46  °C o -50  °F) cuando los niveles de humedad también son bajos. El Servicio Meteorológico Nacional de Estados Unidos utiliza la versión para clima cálido del AT (1984). En Estados Unidos, esta versión simplificada del AT se conoce como índice de calor .

Referencias

  1. ↑ Vincent J. Schaefer; John A. Day; Jay Pasachoff (1998). Guía de campo de la atmósfera . Houghton Mifflin Harcourt. ISBN 0-395-97631-6.
  2. ↑ Incropera, Frank P.; DeWitt, David P.; Bergman, Theodore L.; Lavine, Adrienne S. (2007). Fundamentos de transferencia de calor y masa (6.ª ed.). John Wiley & Sons. ISBN  978-0470055540.
  3. ↑ "Términos y definiciones de sensación térmica" . Administración Nacional Oceánica y Atmosférica . Archivado del original el 17 de septiembre de 2008. Consultado el 3 de julio de 2024 .
  4. 1 2 3 4 5 6 Kozlowski, Rosann (30 de marzo de 2020). "Cómo calcular el factor de sensación térmica" . sciencing.com . Recuperado el 5 de octubre de 2021 .
  5. ↑ Eagan, C. (1964). Revisión de la investigación sobre problemas militares en regiones frías. C. Kolb y F. Holstrom eds. TDR-64-28. Laboratorio Aeromédico Ártico. pág. 147–156.
  6. ↑
    • Woodson, Wesley E. (1981). Manual de diseño de factores humanos , página 815. McGraw-Hill. ISBN 0-07-071765-6
  7. ↑ Aquación 55, páginas 6-113
  8. ↑ "Environment Canada – Weather and Meteorology – Canada's Wind Feeling Index" . Ec.gc.ca. Consultado el 9 de agosto de 2013 .
  9. ↑ "Tablas meteorológicas, sensación térmica. Comunicado de prensa de agosto de 2001" . Servicio Meteorológico Nacional . Consultado el 14 de enero de 2013 .
  10. ↑ "Sensación térmica por el viento" . BBC Weather, Entendiendo el clima . BBC. Archivado del original el 11 de octubre de 2010.
  11. ↑ Osczevski, Randall; Bluestein, Maurice (2005). "La nueva tabla de temperatura equivalente de sensación térmica" . Boletín de la Sociedad Meteorológica Americana . 86 (10): 1453– 1458. Bibcode : 2005BAMS...86.1453O . doi : 10.1175/BAMS-86-10-1453 .
  12. ↑ "Cálculo de las normas climáticas de Canadá para el período 1971-2000" . Climate.weatheroffice.gc.ca. 10 de julio de 2013. Archivado del original el 27 de junio de 2013. Consultado el 9 de agosto de 2013 .
  13. 1 2 "Índice de sensación térmica del NWS" . Weather.gov. 17 de diciembre de 2009. Archivado del original el 18 de septiembre de 2011. Consultado el 9 de agosto de 2013 .
  14. ↑ "Gráfico de sensación térmica basado en esta fórmula" . Weather.gov. 17 de diciembre de 2009. Consultado el 13 de abril de 2017 .
  15. ↑ Tikuisis, Peter; Osczevski, Randall J. (2003). "Enfriamiento facial durante la exposición al aire frío". Boletín de la Sociedad Meteorológica Americana . 84 (7): 927– 933. Bibcode : 2003BAMS...84..927T . doi : 10.1175/BAMS-84-7-927 .
  16. ↑ "La temperatura aparente (TA) – Índice de calor" . Oficina de Meteorología de Australia. 5 de febrero de 2010. Consultado el 1 de agosto de 2018 .
  17. ↑ "La fórmula para la temperatura aparente" . Oficina de Meteorología de Australia . 5 de febrero de 2010. Consultado el 9 de agosto de 2013 .
  • Centro Nacional de Investigación Atmosférica Archivado el 7 de mayo de 2013 en Wayback Machine Tabla de temperaturas de sensación térmica en grados Celsius y Fahrenheit
  • Mapa actual de los valores de sensación térmica global.
  • Calculadora de sensación térmica del Servicio Meteorológico Nacional de EE. UU.
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