مؤشر الحرارة

مؤشر الحرارة ( HI ) هو مقياس لدرجة الحرارة كما يشعر بها الإنسان، ويجمع بين درجة حرارة الهواء الفعلية والرطوبة النسبية في المناطق المظللة . ويأخذ في الاعتبار أن ارتفاع الرطوبة يجعل درجة الحرارة المحيطة تبدو أعلى من نفس درجة الحرارة مع انخفاض الرطوبة، لأن التبريد التبخيري للعرق يكون أقل فعالية. على سبيل المثال، عندما تكون درجة الحرارة 32 درجة مئوية (90 درجة فهرنهايت) والرطوبة النسبية مرتفعة عند 70%، فإن الشعور بالحرارة يعادل 41 درجة مئوية (106 درجة فهرنهايت) (مؤشر الحرارة) عند انخفاض الرطوبة (انظر جدول القيم ). يرتبط مؤشر الحرارة بدرجات الحرارة المحسوسة في الظل دون الأخذ في الاعتبار التسخين الناتج عن أشعة الشمس المباشرة والنشاط البدني، أو التبريد الناتج عن الرياح.     

يبرد جسم الإنسان نفسه عادةً بشكل رئيسي عن طريق تبخر العرق . وتقلل الرطوبة النسبية العالية من التبخر والتبريد، مما يزيد من الشعور بعدم الراحة واحتمالية الإجهاد الحراري . ويختلف إحساس الأفراد بالحرارة بناءً على شكل الجسم، والتمثيل الغذائي، ومستوى الترطيب، والحمل ، والحالات البدنية الأخرى، والتأقلم ، وحتى العوامل النفسية. ^{[ 1 ]} وقد استند قياس درجة الحرارة المُحسوسة إلى تقارير عن مدى شعور الأفراد بالحرارة في ظل ظروف مُتحكم بها من حيث درجة الحرارة والرطوبة. إلى جانب مؤشر الحرارة، تشمل المقاييس الأخرى لدرجة الحرارة الظاهرية مؤشر الرطوبة الكندي ، ودرجة حرارة الكرة الأرضية الرطبة ، و"درجة الحرارة الخارجية النسبية"، و"الشعور الحقيقي" (RealFeel ). ويُترجم مصطلح "مؤشر الحرارة" أحيانًا إلى "مؤشر حرارة" ولكنه لا يأخذ الرطوبة في الاعتبار، وهو المؤشر الحراري الوطني الفرنسي (ITN)، وهو متوسط ​​قراءات درجات الحرارة في 30 محطة أرصاد جوية في البر الرئيسي تُستخدم لتتبع اتجاهات درجات الحرارة وتحديد موجات الحر. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

طُوِّر الهيكل النظري لمؤشر الحرارة والمعادلات الداعمة له عام ١٩٧٩ على يد روبرت ج. ستيدمان . ^{[ ٤ ] [ ٥ ]} وكما هو الحال مع مؤشر برودة الرياح ، يتضمن مؤشر الحرارة افتراضات حول كتلة الجسم البشري وطوله، ونوع الملابس، ومستوى النشاط البدني، وتحمل الفرد للحرارة، والتعرض لأشعة الشمس والأشعة فوق البنفسجية، وسرعة الرياح. وستؤدي الانحرافات الكبيرة عن هذه الافتراضات إلى قيم لمؤشر الحرارة لا تعكس بدقة درجة الحرارة المحسوسة. ^{[ ٦ ]}

في كندا، يُستخدم مؤشر الرطوبة والحرارة (وهو ابتكار كندي طُرح عام ١٩٦٥) ^{[ ٧ ]} بدلاً من مؤشر الحرارة. وبينما يُحسب كل من مؤشر الرطوبة والحرارة باستخدام نقطة الندى، فإن مؤشر الرطوبة والحرارة يعتمد على نقطة ندى تبلغ ٧ درجات مئوية (٤٥ درجة فهرنهايت) كأساس، في حين يعتمد مؤشر الحرارة على نقطة ندى تبلغ ١٤ درجة مئوية (٥٧ درجة فهرنهايت) . علاوة على ذلك، يستخدم مؤشر الحرارة معادلات توازن حراري تأخذ في الحسبان العديد من المتغيرات الأخرى غير ضغط البخار، الذي يُستخدم حصرياً في حساب مؤشر الرطوبة والحرارة. وقد تم حل اللجنة المشتركة التي شكلتها الولايات المتحدة وكندا لحل الخلافات.    

في صيف عام 1979، وأثناء عمله لدى الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA) وبين فصلين دراسيين في جامعة سانت لويس، شارك دانيال جيه موسلي في تطوير برنامج FORTRAN لحساب مؤشر الحرارة والرطوبة، والذي أُطلق عليه في البداية اسم "Humidex". وقد أدرج سبعة مؤشرات في البرنامج استنادًا إلى عمل ستيدمان. وقد أنجز ذلك بالتزامن مع سعيه للحصول على درجة الدكتوراه في علم الأحياء.

يُعرَّف مؤشر الحرارة لمجموعة معينة من درجة الحرارة ( الجافة ) والرطوبة بأنه درجة الحرارة الجافة التي تُشعَر بها بنفس القدر إذا كان ضغط بخار الماء 1.6 كيلو باسكال . وبحسب ستيدمان، "على سبيل المثال، تشير درجة الحرارة المحسوسة البالغة 24 درجة مئوية (75 درجة فهرنهايت) إلى نفس مستوى الحرارة الشديدة، ونفس متطلبات الملابس، كما هو الحال عند درجة حرارة جافة تبلغ 24 درجة مئوية (75 درجة فهرنهايت) مع ضغط بخار يبلغ 1.6 كيلو باسكال." ^{[ 4 ]}     

يتوافق ضغط البخار هذا، على سبيل المثال، مع درجة حرارة هواء تبلغ 29 درجة مئوية (84 درجة فهرنهايت) ورطوبة نسبية تبلغ 40% في مخطط قياس الرطوبة عند مستوى سطح البحر ، وفي جدول ستيدمان عند رطوبة نسبية 40%، تكون درجة الحرارة الظاهرية مساوية لدرجة الحرارة الحقيقية التي تتراوح بين 26 و31 درجة مئوية (79-88 درجة فهرنهايت) . عند الضغط الجوي القياسي (101.325 كيلو باسكال)، يتوافق هذا الأساس أيضًا مع نقطة ندى تبلغ 14 درجة مئوية (57 درجة فهرنهايت) ونسبة خلط تبلغ 0.01 (10 غرامات من بخار الماء لكل كيلوغرام من الهواء الجاف). ^{[ 4 ]}      

تؤدي قيمة معينة للرطوبة النسبية إلى زيادات أكبر في مؤشر الحرارة عند درجات الحرارة المرتفعة. على سبيل المثال، عند حوالي 27 درجة مئوية (81 درجة فهرنهايت) ، سيتوافق مؤشر الحرارة مع درجة الحرارة الفعلية إذا كانت الرطوبة النسبية 45%، ولكن عند 43 درجة مئوية (109 درجة فهرنهايت) ، فإن أي قراءة للرطوبة النسبية أعلى من 18% ستجعل مؤشر الحرارة أعلى من 43 درجة مئوية . ^{[ 8 ]}    

يُقترح أن المعادلة المذكورة لا تكون صالحة إلا إذا كانت درجة الحرارة 27 درجة مئوية (81 درجة فهرنهايت) أو أعلى. ^{[ 9 ]} يختلف حد الرطوبة النسبية، الذي إذا انخفض عنه مؤشر الحرارة، تكون النتيجة مساوية أو أقل من درجة حرارة الهواء (ويُعتبر مؤشر الحرارة المنخفض غير صالح عمومًا)، باختلاف درجة الحرارة، وهو ليس خطيًا. ويُحدد هذا الحد عادةً بنسبة 40% بشكل اعتباطي. ^{[ 8 ]}  

يأخذ كل من مؤشر الحرارة ومؤشر الرطوبة في الحسبان متغيرين فقط، وهما درجة حرارة الظل والرطوبة الجوية، مما يوفر تقديرًا محدودًا للراحة الحرارية . وتؤثر عوامل إضافية، مثل الرياح وأشعة الشمس ونوع الملابس، على درجة الحرارة المحسوسة؛ وتُحدد هذه العوامل كثوابت في معادلة مؤشر الحرارة. فعلى سبيل المثال، يُفترض أن سرعة الرياح 5 عقد (9.3 كم/ساعة) . ^{[ 8 ]} وتتسبب الرياح التي تمر فوق الجلد الرطب أو المتعرق في التبخر وتأثير برودة الرياح الذي لا يقيسه مؤشر الحرارة. أما العامل الرئيسي الآخر فهو أشعة الشمس؛ إذ يمكن أن يؤدي الوقوف تحت أشعة الشمس المباشرة إلى زيادة الحرارة المحسوسة بما يصل إلى 15 درجة فهرنهايت (8.3 درجة مئوية) مقارنةً بالظل. ^{[ 10 ]} وقد بُذلت محاولات لإنشاء مقياس عالمي لدرجة الحرارة المحسوسة ، مثل درجة حرارة الكرة الأرضية الرطبة ، أو "درجة الحرارة الخارجية النسبية"، أو "الشعور بالحرارة"، أو مقياس " الشعور الحقيقي " الخاص.   

في الهواء الطلق، ومع ازدياد الرطوبة النسبية، تتشكل أولاً طبقة ضبابية، ثم غطاء سحابي أكثر كثافة، مما يقلل من كمية ضوء الشمس المباشر الواصل إلى سطح الأرض. وبالتالي، توجد علاقة عكسية بين أقصى درجة حرارة محتملة وأقصى رطوبة نسبية محتملة. وبسبب هذا العامل، كان يُعتقد سابقًا أن أعلى قراءة لمؤشر الحرارة يمكن الوصول إليها فعليًا على سطح الأرض تبلغ حوالي 71 درجة مئوية (160 درجة فهرنهايت) . ومع ذلك، في مدينة الظهران بالمملكة العربية السعودية في 8 يوليو 2003، بلغت نقطة الندى 35 درجة مئوية (95 درجة فهرنهايت) بينما كانت درجة الحرارة 42 درجة مئوية (108 درجة فهرنهايت) ، مما أدى إلى مؤشر حرارة بلغ 81 درجة مئوية (178 درجة فهرنهايت) . ^{[ 11 ]} وفي 28 أغسطس 2024، سجلت محطة أرصاد جوية في جنوب إيران مؤشر حرارة بلغ 82.2 درجة مئوية (180.0 درجة فهرنهايت) ، والذي سيُسجل رقمًا قياسيًا جديدًا إذا تم تأكيده. ^{[ 12 ]}          

يحتاج جسم الإنسان إلى التبريد التبخيري لمنع ارتفاع درجة حرارته. تُستخدم درجة حرارة البصيلة الرطبة ودرجة حرارة الكرة الأرضية الرطبة لتحديد قدرة الجسم على التخلص من الحرارة الزائدة. قد تكون درجة حرارة البصيلة الرطبة المستمرة التي تبلغ حوالي 35 درجة مئوية (95 درجة فهرنهايت) قاتلة للأشخاص الأصحاء؛ عند هذه الدرجة، يتحول الجسم من فقدان الحرارة إلى البيئة المحيطة، إلى اكتسابها منها. ^{[ 13 ]} وبالتالي، فإن درجة حرارة البصيلة الرطبة البالغة 35 درجة مئوية (95 درجة فهرنهايت) هي الحد الذي يعجز الجسم بعده عن تبريد نفسه بشكل كافٍ. ^{[ 14 ]}    

الجدول أدناه مأخوذ من الإدارة الوطنية الأمريكية للمحيطات والغلاف الجوي . تبدأ الأعمدة عند 80 درجة فهرنهايت (27 درجة مئوية) ، ولكن هناك أيضًا تأثير مؤشر الحرارة عند 79 درجة فهرنهايت (26 درجة مئوية) ودرجات حرارة مماثلة عند ارتفاع الرطوبة.    

على سبيل المثال، إذا كانت درجة حرارة الهواء 96 درجة فهرنهايت (36 درجة مئوية) والرطوبة النسبية 65٪، فإن مؤشر الحرارة هو 121 درجة فهرنهايت (49 درجة مئوية).    

قد يؤدي التعرض لأشعة الشمس المباشرة إلى زيادة مؤشر الحرارة بما يصل إلى 8  درجات مئوية (14  درجة فهرنهايت). ^{[ 15 ]}

توجد العديد من الصيغ المصممة لتقريب الجداول الأصلية لستيدمان. تتميز صيغ أندرسون وآخرون (2013)، ^{[ 16 ]} وNWS (2011)، وجونسون ولونغ (2004)، وشون (2005) بانخفاض الانحرافات، وذلك بهذا الترتيب. الصيغتان الأوليان عبارة عن مجموعة من كثيرات الحدود، بينما الصيغة الثالثة عبارة عن صيغة واحدة باستخدام الدوال الأسية.

الصيغة أدناه تُقارب مؤشر الحرارة بالدرجات الفهرنهايتية، بدقة ± 1.3 درجة فهرنهايت (0.7 درجة مئوية) . وهي نتاج مُطابقة مُتعددة المتغيرات (درجة حرارة تساوي أو تزيد عن 80 درجة فهرنهايت (27 درجة مئوية) ورطوبة نسبية تساوي أو تزيد عن 40%) مع نموذج لجسم الإنسان. ^{[ 4 ] [ 17 ]} تُعيد هذه المعادلة إنتاج جدول خدمة الأرصاد الجوية الوطنية NOAA المذكور أعلاه (باستثناء القيم عند 90 درجة فهرنهايت (32 درجة مئوية) ورطوبة نسبية 45%/70%، والتي تختلف دون تقريب بأقل من ±1، على التوالي).      

$${\displaystyle \mathrm {HI} =c_{1}+c_{2}T+c_{3}R+c_{4}TR+c_{5}T^{2}+c_{6}R^{2}+c_{7}T^{2}R+c_{8}TR^{2}+c_{9}T^{2}R^{2}}$$ أين

• مؤشر الحرارة = HI (بالدرجات الفهرنهايتية)
• T = درجة حرارة الهواء الجاف المحيطة (بالدرجات الفهرنهايتية)
• R = الرطوبة النسبية (قيمة النسبة المئوية بين 0 و 100)

${\textstyle {\begin{aligned}c_{1}&=-42.379,&c_{2}&=2.049\,015\,23,&c_{3}&=10.143\,331\,27,\\c_{4}&=-0.224\,755\,41,&c_{5}&=-6.837\,83\times 10^{-3},&c_{6}&=-5.481\,717\times 10^{-2},\\c_{7}&=1.228\,74\times 10^{-3},&c_{8}&=8.5282\times 10^{-4},&c_{9}&=-1.99\times 10^{-6}.\end{aligned}}}$

يمكن استخدام المعاملات التالية لتحديد مؤشر الحرارة عندما تُعطى درجة الحرارة بالدرجات المئوية، حيث

• مؤشر الحرارة = HI (بالدرجات المئوية)
• T = درجة حرارة الهواء الجاف المحيط (بالدرجات المئوية)
• R = الرطوبة النسبية (قيمة النسبة المئوية بين 0 و 100)

${\textstyle {\begin{aligned}c_{1}&=-8.784\,694\,755\,56,&c_{2}&=1.611\,394\,11,&c_{3}&=2.338\,548\,838\,89,\\c_{4}&=-0.146\,116\,05,&c_{5}&=-0.012\,308\,094,&c_{6}&=-0.016\,424\,827\,7778,\\c_{7}&=2.211\,732\times 10^{-3},&c_{8}&=7.2546\times 10^{-4},&c_{9}&=-3.582\times 10^{-6}.\end{aligned}}}$

مجموعة بديلة من الثوابت لهذه المعادلة، والتي تقع ضمن نطاق ± 3 درجة فهرنهايت (1.7 درجة مئوية) من الجدول الرئيسي لهيئة الأرصاد الجوية الوطنية لجميع مستويات الرطوبة من 0 إلى 80% وجميع درجات الحرارة بين 70 و115 درجة فهرنهايت (21-46 درجة مئوية) وجميع مؤشرات الحرارة الأقل من 150 درجة فهرنهايت (66 درجة مئوية)، هي:      

$${\displaystyle {\begin{aligned}c_{1}&=0.363\,445\,176,&c_{2}&=0.988\,622\,465,&c_{3}&=4.777\,114\,035,\\c_{4}&=-0.114\,037\,667,&c_{5}&=-8.502\,08\times 10^{-4},&c_{6}&=-2.071\,6198\times 10^{-2},\\c_{7}&=6.876\,78\times 10^{-4},&c_{8}&=2.749\,54\times 10^{-4},&c_{9}&=0.\end{aligned}}}$$

وثمة بديل آخر هو هذا: ^{[ 18 ]}

$${\displaystyle {\begin{aligned}\mathrm {HI} &=c_{1}+c_{2}T+c_{3}R+c_{4}TR+c_{5}T^{2}+c_{6}R^{2}+c_{7}T^{2}R+c_{8}TR^{2}+c_{9}T^{2}R^{2}+\\&\quad {}+c_{10}T^{3}+c_{11}R^{3}+c_{12}T^{3}R+c_{13}TR^{3}+c_{14}T^{3}R^{2}+c_{15}T^{2}R^{3}+c_{16}T^{3}R^{3}\end{aligned}}}$$ أين $${\displaystyle {\begin{aligned}c_{1}&=16.923,&c_{2}&=0.185\,212,&c_{3}&=5.379\,41,&c_{4}&=-0.100\,254,\\c_{5}&=9.416\,95\times 10^{-3},&c_{6}&=7.288\,98\times 10^{-3},&c_{7}&=3.453\,72\times 10^{-4},&c_{8}&=-8.149\,71\times 10^{-4},\\c_{9}&=1.021\,02\times 10^{-5},&c_{10}&=-3.8646\times 10^{-5},&c_{11}&=2.915\,83\times 10^{-5},&c_{12}&=1.427\,21\times 10^{-6},\\c_{13}&=1.974\,83\times 10^{-7},&c_{14}&=-2.184\,29\times 10^{-8},&c_{15}&=8.432\,96\times 10^{-10},&c_{16}&=-4.819\,75\times 10^{-11}.\end{aligned}}}$$

على سبيل المثال، باستخدام هذه الصيغة الأخيرة، مع درجة حرارة 90 درجة فهرنهايت (32 درجة مئوية) ورطوبة نسبية (RH) تبلغ 85٪، ستكون النتيجة: 114.9 درجة فهرنهايت (46.1 درجة مئوية) .    

لا يُجدي مؤشر الحرارة نفعاً في الظروف المناخية القاسية، مثل التشبع الفائق للهواء، عندما يكون الهواء مشبعاً بالماء بنسبة تزيد عن 100%. وقد وجد ديفيد رومبس، الفيزيائي وعالم المناخ في جامعة كاليفورنيا، بيركلي، وطالبه يي-تشوان لو، أن مؤشر الحرارة يُقلل من تقدير شدة موجات الحر الشديدة، مثل موجة الحر التي ضربت شيكاغو عام 1995. ^{[ 19 ]}

وتشمل المشكلات الأخرى المتعلقة بمؤشر الحرارة عدم توفر بيانات دقيقة عن الرطوبة في العديد من المناطق الجغرافية، والافتراض بأن الشخص يتمتع بصحة جيدة، والافتراض بأن الشخص لديه سهولة الوصول إلى الماء والظل . ^{[ 20 ]}

• درجة الحرارة الظاهرية
• نقطة الندى
• الراحة الحرارية §  التفاعل بين درجة الحرارة والرطوبة
• هيوميدكس
• درجة حرارة البصيلة الرطبة
• برودة الرياح

• وصف تأثير برودة الرياح ودرجة الحرارة المحسوسة، الصيغ بالوحدات المترية
• حاسبة مؤشر الحرارة تحسب كلاً من درجة فهرنهايت ودرجة مئوية
• خريطة حالية لقيم مؤشر الحرارة العالمي