Wenn Sie sich den Hitzeindex während der klebrigen Hitzewellen dieses Sommers angesehen und gedacht haben: „Es fühlt sich sicher heißer an“, haben Sie vielleicht Recht.
Eine Analyse von Klimawissenschaftlern der University of California, Berkeley, stellt fest, dass die scheinbare Temperatur oder der Hitzeindex, der von Meteorologen und dem National Weather Service (NWS) berechnet wird, um anzugeben, wie heiß es sich anfühlt – unter Berücksichtigung der Luftfeuchtigkeit – die wahrgenommene unterschätzt Temperatur für die heißesten Tage, die wir jetzt erleben, manchmal um mehr als 20 Grad Fahrenheit.
Der Befund hat Auswirkungen auf diejenigen, die unter diesen Hitzewellen leiden, da der Hitzeindex ein Maß dafür ist, wie der Körper mit Hitze umgeht, wenn die Luftfeuchtigkeit hoch ist, und Schwitzen uns weniger effektiv kühlt. Schwitzen und Erröten – wo Blut zu hautnahen Kapillaren umgeleitet wird, um Wärme abzuleiten – und das Ablegen von Kleidung sind die wichtigsten Wege, mit denen sich Menschen an heiße Temperaturen anpassen.
Ein höherer Hitzeindex bedeutet, dass der menschliche Körper während dieser Hitzewellen stärker gestresst ist, als Gesundheitsbehörden vielleicht glauben, sagen die Forscher. Die NWS hält derzeit einen Hitzeindex über 103 für gefährlich und über 125 für extrem gefährlich.
„Meistens ist der Hitzeindex, den der National Weather Service Ihnen gibt, genau der richtige Wert. Nur in diesen Extremfällen erhalten sie die falsche Zahl“, sagte David Romps, Professor für Erde und Planeten an der UC Berkeley Wissenschaft. „Wichtig ist, wenn man anfängt, den Hitzeindex wieder auf physiologische Zustände abzubilden, und man merkt, oh, diese Menschen werden durch einen Zustand mit stark erhöhter Hautdurchblutung gestresst, bei dem dem Körper fast die Tricks zur Kompensation ausgehen für diese Art von Hitze und Feuchtigkeit. Also sind wir näher an diesem Rand, als wir vorher dachten.“
Romps und der Doktorand Yi-Chuan Lu haben ihre Analyse in einem von der Zeitschrift akzeptierten Artikel detailliert beschrieben Umweltforschungsbriefe und am 12. August online gestellt.
Der Hitzeindex wurde 1979 von einem Textilphysiker, Robert Steadman, entwickelt, der einfache Gleichungen aufstellte, um das zu berechnen, was er die relative „Schwüle“ warmer und feuchter sowie heißer und trockener Bedingungen während des Sommers nannte. Er sah es als Ergänzung zum Windchill-Faktor, der üblicherweise im Winter verwendet wird, um abzuschätzen, wie kalt es sich anfühlt.
Sein Modell berücksichtigte, wie Menschen ihre Innentemperatur regulieren, um unter verschiedenen äußeren Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen thermischen Komfort zu erreichen – durch bewusste Veränderung der Kleidungsdicke oder unbewusste Anpassung von Atmung, Schweiß und Blutfluss vom Körperinneren zur Haut.
In seinem Modell ist die scheinbare Temperatur unter idealen Bedingungen – eine durchschnittlich große Person im Schatten mit unbegrenzt Wasser – so heiß, wie sich jemand fühlen würde, wenn die relative Luftfeuchtigkeit auf einem angenehmen Niveau wäre, was Steadman mit einem Dampfdruck von 1.600 Pascal annahm .
Zum Beispiel würde sich eine Person bei 70 % relativer Luftfeuchtigkeit und 68 F – was oft als durchschnittliche Luftfeuchtigkeit und Temperatur angenommen wird – wie 68 F anfühlen. Aber bei der gleichen Luftfeuchtigkeit und 86 F würde es sich wie 94 F anfühlen.
Der Hitzeindex ist seitdem in den Vereinigten Staaten weit verbreitet, auch von der NWS, als nützlicher Indikator für das Wohlbefinden der Menschen. Aber Steadman ließ den Index für viele Erkrankungen, die jetzt immer häufiger auftreten, undefiniert. Beispielsweise ist für eine relative Luftfeuchtigkeit von 80 % der Hitzeindex nicht für Temperaturen über 88 F oder unter 59 F definiert. Heutzutage steigen die Temperaturen in einigen Gebieten, einschließlich des Mittleren Westens und Südostens, wochenlang routinemäßig über 90 F.
Um diese Lücken in Steadmans Diagramm zu erklären, extrapolierten Meteorologen in diese Bereiche, um Zahlen zu erhalten, sagte Romps, die die meiste Zeit korrekt sind, aber nicht auf einem Verständnis der menschlichen Physiologie beruhen.
„Es gibt keine wissenschaftliche Grundlage für diese Zahlen“, sagte Romps.
Er und Lu machten sich daran, Steadmans Arbeit so zu erweitern, dass der Hitzeindex bei allen Temperaturen und allen Feuchtigkeiten zwischen null und 100 % genau ist.
„Der ursprüngliche Tisch hatte einen sehr kurzen Temperatur- und Feuchtigkeitsbereich und dann einen leeren Bereich, in dem Steadman sagte, dass das menschliche Modell versagt hat“, sagte Lu. „Steadman hatte die richtige Physik. Unser Ziel war es, sie auf alle Temperaturen auszudehnen, damit wir eine genauere Formel haben.“
Eine Bedingung, unter der Steadmans Modell versagt, ist, wenn Menschen so stark schwitzen, dass sich Schweiß auf der Haut sammelt. Zu diesem Zeitpunkt hatte sein Modell fälschlicherweise eine relative Feuchtigkeit an der Hautoberfläche von über 100 %, was physikalisch unmöglich ist.
„An diesem Punkt scheint dieses Modell zu brechen, aber es ist nur das Modell, das ihm sagt, hey, lass den Schweiß von der Haut tropfen. Das war alles“, sagte Romps. „Lass den Schweiß einfach von der Haut abperlen.“
Das und ein paar andere Änderungen an Steadmans Gleichungen ergaben einen erweiterten Hitzeindex, der in 99,99 % der Fälle mit dem alten Hitzeindex übereinstimmt, sagte Romps, aber auch die scheinbare Temperatur für Regime außerhalb der ursprünglich von Steadman berechneten genau darstellt. Als er ursprünglich seine scheinbare Temperaturskala veröffentlichte, hielt er diese Regime für zu selten, um sich darüber Sorgen zu machen, aber hohe Temperaturen und Feuchtigkeit werden aufgrund des Klimawandels immer häufiger.
Rump und Lu hatte die überarbeitete Wärmeindexgleichung veröffentlicht früher in diesem Jahr. In der neuesten Veröffentlichung wenden sie den erweiterten Hitzeindex auf die Top-100-Hitzewellen an, die zwischen 1984 und 2020 auftraten. Die Forscher finden hauptsächlich geringfügige Abweichungen von dem, was die NWS damals berichtete, aber auch einige extreme Situationen, in denen der NWS-Hitzeindex war weit weg.
Eine Überraschung war, dass sieben der zehn physiologisch belastendsten Hitzewellen in diesem Zeitraum im Mittleren Westen stattfanden – hauptsächlich in Illinois, Iowa und Missouri – und nicht im Südosten, wie Meteorologen annahmen. Die größten Diskrepanzen zwischen dem NWS-Hitzeindex und dem erweiterten Hitzeindex wurden in einem breiten Streifen gesehen, von den Großen Seen im Süden bis nach Louisiana.
Während der Hitzewelle im Juli 1995 in Chicago zum Beispiel, bei der mindestens 465 Menschen ums Leben kamen, betrug der von der NWS gemeldete maximale Hitzeindex 135 F, obwohl er sich tatsächlich wie 154 F anfühlte. Der revidierte Hitzeindex am Flughafen Midway, 141 F, impliziert, dass Menschen im Schatten einen um 170 % über dem Normalwert liegenden Blutfluss zur Haut erfahren hätten. Der damals gemeldete Hitzeindex von 124 F implizierte nur eine 90%ige Erhöhung der Hautdurchblutung. An einigen Stellen während der Hitzewelle impliziert der erweiterte Hitzeindex, dass die Menschen einen Anstieg von 820 % über die normale Hautdurchblutung erfahren hätten.
„Ich bin kein Physiologe, aber mit dem Körper passieren viele Dinge, wenn es richtig heiß wird“, sagt Romps. „Das Umleiten von Blut zur Haut belastet das System, weil Sie Blut entnehmen, das sonst zu inneren Organen geleitet würde, und es an die Haut senden, um zu versuchen, die Hauttemperatur zu erhöhen. Die von der NWS verwendete und weithin angenommene ungefähre Berechnung lautet: unbeabsichtigt die Gesundheitsrisiken schwerer Hitzewellen herunterspielt.“
Physiologisch beginnt der Körper verrückt zu spielen, wenn die Hauttemperatur auf die Körperkerntemperatur ansteigt, die typischerweise mit 98,6 F angenommen wird. Danach beginnt die Kerntemperatur zu steigen. Es wird angenommen, dass die maximal nachhaltige Kerntemperatur 107 F beträgt – die Schwelle für den Hitzetod. Für die gesündesten Personen wird diese Schwelle bei einem Hitzeindex von 200 F erreicht.
Glücklicherweise nimmt die Luftfeuchtigkeit mit steigender Temperatur tendenziell ab, sodass die Erde diese Bedingungen in den nächsten Jahrzehnten wahrscheinlich nicht erreichen wird. Weniger extreme – wenn auch immer noch tödliche – Bedingungen werden dennoch überall auf der Welt üblich.
„Ein Hitzeindex von 200 F ist eine obere Grenze dessen, was überlebensfähig ist“, sagte Romps. „Aber jetzt, wo wir dieses Modell der menschlichen Thermoregulation haben, das unter diesen Bedingungen funktioniert, was bedeutet es eigentlich für die zukünftige Bewohnbarkeit der Vereinigten Staaten und des Planeten als Ganzes? Es gibt einige beängstigende Dinge, die wir betrachten. “
David M. Romps et al., Chronisch unterschätzt: Eine Neubewertung von US-Hitzewellen unter Verwendung des erweiterten Hitzeindex, Umweltforschungsbriefe (2022). DOI: 10.1088/1748-9326/ac8945