湿球温度

湿球温度（WBT）は、常温の水に浸した布（湿球温度計）で覆われた温度計の上を空気を通過させることで測定できる温度です。 [ 1 ]相対湿度100 ^%では、湿球温度は気温（乾球温度）と等しくなります。湿度が低いと、蒸発冷却のため湿球温度は乾球温度よりも低くなります。

湿球温度は、空気塊が水蒸気によって飽和状態（相対湿度 100%）まで冷却され、空気塊から供給される潜熱によって冷却されたときの温度として定義されます。 ^[2]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。湿球温度は、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。

暑さに適応した人でも、湿球温度が32℃（90℉）、つまり暑さ指数55℃（131℉）を超えると、通常の屋外活動を行うことができません。35℃（95℉）（暑さ指数71℃（160℉）に相当）は、6時間までの暴露に対する人間の理論上の生存限界と考えられています。^{[3] [4]}

温度計を水で湿らせた布で包むと、温度計の挙動は変わります。空気が乾燥して湿度が低いほど、水分は早く蒸発します。水分の蒸発が速いほど、気温に対する温度計の温度は低くなります。

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、空気中の水分量を空気中に存在し得る最大量 (相対湿度)と比較することで測定されます。0% は空気が完全に乾燥していることを意味し、100% は空気が現在の状況で保持できるすべての水分を含み、それ以上 (どのソースからも) 水を吸収できないことを意味します。

これは、人間の体感温度の原因の一部です。空気が乾燥しているほど、すでに含まれている水分よりも多くの水分を吸収でき、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速く蒸発し、皮膚がより速く冷却されます。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です。

相対湿度が 100% になると、湿球温度計も蒸発によって冷却されなくなるため、包装されていない温度計と同じ値を示します。

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あり、結露と雲が形成される温度です。

飽和していない空気塊（相対湿度が 100 パーセント未満の空気）の場合、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 パーセントまで上昇すると、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します。したがって、これらの値を実際に決定するために使用できます。これらの値の関係は、湿度チャートに示されています。

夏の乾燥した空気に対応する湿球温度の低下は、以下の理由により、空調設備のある建物でのエネルギー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に、その体積の空気が持つ温度であり、潜熱はすべてその体積の空気によって供給されます。

断熱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。^[5]

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。単純な湿球温度計が示す値は、多くの場合、熱力学的湿球温度の適切な近似値を提供します。

正確な湿球温度計の場合、「大気の温度と圧力における空気と水蒸気の混合物では、湿球温度と断熱飽和温度はほぼ等しくなります。これは、通常の大気条件から大幅に逸脱した温度と圧力、またはその他のガスと蒸気の混合物では必ずしも当てはまりません。」^[6]

湿球温度は、球部が布（ソックスと呼ばれる）に包まれた温度計を使用して測定されます。この布はウィッキング作用によって蒸留水で湿った状態に保たれます。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使用されている機器は、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、1つは湿球温度を測定するための湿った「ソックス」が付いており、もう1つ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。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て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るようにすることができます。

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、そ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、湿度比(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近く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、飽和していない空気の流れが冷却されます。その空気を冷却することで生じる熱は、空気の湿度を高める水分の蒸発に使用されます。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。

$${\displaystyle (H_{\mathrm {sat} }-H_{0})\cdot \lambda =(T_{0}-T_{\mathrm {sat} })\cdot c_{\mathrm {s} }}$$

• ${\displaystyle H_{\mathrm {sat} }}$空気中の飽和水分量（kg _{H 2 O} /kg_乾燥空気）
• ${\displaystyle H_{0}}$空気の初期水分含有量（上記と同じ単位）
• ${\displaystyle \lambda }$水の潜熱 (J/kg _{H 2 O} )
• ${\displaystyle T_{0}}$初期気温（K）
• ${\displaystyle T_{\mathrm {sat} }}$飽和空気温度 (K)
• ${\displaystyle c_{s}}$空気の比熱 (J/kg·K)

実験2

湿球温度計の場合、飽和していない空気が吹き付けている水滴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）が空気流内の水蒸気分圧よりも大きい限り、蒸発が起こります。最初は、蒸発に必要な熱は水滴自体から発生します。

その代わりに、滴が冷え始めると、空気よりも冷たくなり、空気から滴への対流熱伝達が始まります。さらに、蒸発率は、滴の流れの境界面と遠くの流れ (つまり、滴の影響を受けない「元の」流れ) の間の水蒸気の濃度の差、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。

一定期間が経過すると、平衡状態に達します。つまり、蒸発で奪われる熱の速度が対流による熱の獲得速度と等しくなる点まで液滴が冷却されます。この時点で、界面面積あたりのエネルギー バランスは次のようになります。

$${\displaystyle (H_{\mathrm {sat} }-H_{0})\cdot \lambda \cdot k'=(T_{0}-T_{\mathrm {eq} })\cdot h_{\mathrm {c} }}$$

• ${\displaystyle H_{\mathrm {sat} }}$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）
• ${\displaystyle H_{0}}$遠方の空気の水分含有量（上記と同じ単位）
• ${\displaystyle k'}$ 物質移動係数（kg/m ² ⋅s）
• ${\displaystyle T_{0}}$距離による気温（K）
• ${\displaystyle T_{\mathrm {eq} }}$平衡時の水滴温度（K）
• ${\displaystyle h_{\mathrm {c} }}$対流熱伝達係数（W/m ² ·K）

ご了承ください：

• ${\displaystyle (H-H_{0})}$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）${\displaystyle H_{\mathrm {sat} }-H_{0}}$
• ${\displaystyle (T_{0}-T)}$は熱伝達の原動力である（に達すると平衡に達する）${\displaystyle T}$${\displaystyle T_{\mathrm {eq} }}$

この式を次のように変形してみましょう。

$${\displaystyle (H_{\mathrm {sat} }-H_{0})\cdot \lambda =(T_{0}-T_{\mathrm {eq} })\cdot {\frac {h_{\mathrm {c} }}{k'}}}$$

さて、元の「熱力学的湿球」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であれば (つまり、と が同じであれば)、両方の式の右辺を等しくすることができます。 ${\displaystyle H_{0}}$${\displaystyle T_{0}}$

$${\displaystyle (T_{0}-T_{\mathrm {sat} })\cdot c_{\mathrm {s} }=(T_{0}-T_{\mathrm {eq} })\cdot {\frac {h_{\mathrm {c} }}{k'}}}$$

並べ替え:

$${\displaystyle T_{0}-T_{\mathrm {sat} }=(T_{0}-T_{\mathrm {eq} })\cdot {\frac {h_{\mathrm {c} }}{k'\cdot c_{\mathrm {s} }}}}$$

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の場合、この比率（湿度比と呼ばれる）は1に近くなります。^[7]${\displaystyle {\dfrac {h_{\mathrm {c} }}{k'c_{\mathrm {s} }}}=1}$

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ます
• 空気は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、次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 パーセント未満の場合、水が球から蒸発し、周囲温度よりも低くなります。相対湿度を決定するには、この文脈では乾球温度計としてよく知られている通常の温度計を使用して周囲温度を測定します。任意の周囲温度で、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 湿度図から読み取るか、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）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。

断熱湿球温度とは、空気が断熱的に飽和状態まで冷却され、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された場合の温度である^{[説明が必要]}。^{[8]このような冷却は、}上昇凝縮レベルに関する記事に記載されているように、高度とともに気圧が低下するにつれて発生する可能性がある^{[説明が必要]}。

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^{[漠然とした]用語}である可能性があります。

「熱力学的湿球温度」と呼ばれる値も断熱過程を経て達成されるため、一部の技術者などは「熱力学的湿球温度」を指すのに「断熱湿球温度」という用語を [ あいまい ] に使用することがあります^{。前述のように、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 ^{[あいまい]に使用することがあります。}

「等圧過程と断熱過程の関係は非常に不明瞭である。しかし、比較すると、2つの温度が摂氏数十分の1度以上異なることはめったになく、不飽和空気の場合は断熱バージョンの方が常に2つのうち小さい値になる。その差は非常に小さいため、実際には通常無視される。」^[9]

湿球温度低下は、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なので、そのような条件では湿球温度低下はゼロになります。^[10]

生物は一定の温度範囲内でのみ生存できます。外気温が高すぎる場合、多くの動物は蒸発冷却（人間や馬では汗、犬やその他の哺乳類では唾液と水）によって外気温以下に体を冷やします。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、また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、いくつかの機関によって熱ストレス防止ガイドラインの基礎として使用されています。

体幹温度を約37℃に維持することは体にとって極めて重要な要件であるため、湿球温度が35℃（95℉）を超える状態が続くと、半裸で日陰にいて扇風機のそばにいる健康な人でも致命的となる可能性が高い。この温度では、人体は環境に熱を放出するのではなく、環境から熱を得るように切り替わる。^{[11] [12]} 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て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するが、理論上の限界より5～10℃低いことが判明した。^{[13] [14]}

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可能になる可能性があると結論付けています。^[15] 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、湿球温度がすでに35℃（95℉）に達した事例が報告されています。 ^[16]生理学的および行動学的条件が最適でないために、湿球温度がはるかに低くても、死亡率や罹患率に深刻な影響が生じる可能性があります。2003年のヨーロッパ と2010年のロシアの熱波の値は28℃（82℉）を超えませんでした。^[16]

2018年、サウスカロライナ州は、屋外活動中の熱中症から高校生を守るための新しい規制を施行した。湿球黒球温度が82.0°F（27.8°C）から92.0°F（33.3°C）の間であれば、具体的なガイドラインと制限が適用され、湿球黒球温度が92.1°F（33.4°C）以上の場合は、すべての屋外活動を中止する必要がある。^{[17] [18]}

• 2003年7月8日、サウジアラビアのダーランでは気温42℃（108℉）、露点35℃（95℉）を記録し、史上最高の暑さ指数81℃（178℉）を記録した。 ^{[19] [20]}
• 2015年のインドの熱波では、アーンドラ・プラデーシュ州の湿球温度が30℃（86℉）に達した。同様の湿球温度は1995年のシカゴの熱波でも記録されている。^[21]
• 2015年8月の熱波では、イラクのサマーワで気温48.6℃（119.5℉）、露点29.5℃（85.1℉）、イランのバンダレ・マフシャーで気温46℃（115℉）、露点32℃（90℉）を記録した。^[22]これは湿球温度がそれぞれ約33.5℃（92.3℉）、34.7℃（94.5℉）であったことを意味する。^[23]政府は住民に対し、日光を避け、水分を多く摂るように促した。

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。）

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]}

• 大気熱力学
• 露点
• 熱指数
• 湿球温位

• エンジニアが湿球温度を測定する3つの方法
• 人工雪製造用湿球温度表（華氏）
• 間接蒸発冷却器は湿球温度以下まで冷却する
• NOAA の湿球温度と露点温度の計算機
• 湿球温度の計算のショートカット
• 熱ストレス指数の計算