درجة حرارة البصيلة الرطبة

درجة حرارة البصيلة الرطبة هي أدنى درجة حرارة يمكن أن يصل إليها تبخر الماء في ظل الظروف المحيطة الحالية. وهي تجمع بين الرطوبة ودرجة الحرارة لتعكس بشكل أفضل الإجهاد الحراري على الإنسان، حيث تقل قدرة الجسم على تبريد نفسه عن طريق التعرق مع ارتفاع الرطوبة.

عند رطوبة نسبية تبلغ 100% ، تتساوى درجة حرارة البصيلة الرطبة مع درجة حرارة الهواء، أو درجة حرارة البصيلة الجافة . أما عند انخفاض الرطوبة، فتكون درجة حرارة البصيلة الرطبة أقل من درجة حرارة البصيلة الجافة نتيجة التبريد التبخيري .

تُعرَّف درجة حرارة البصيلة الرطبة رسميًا بأنها درجة حرارة كتلة من الهواء تم تبريدها تبريدًا أديباتيًا إلى درجة التشبع ( رطوبة نسبية 100% ) عن طريق تبخر الماء فيها، مع توفير كل الحرارة الكامنة من هذه الكتلة. ^{[ 1 ] [ 2 ]} يمكن قياس درجة حرارة البصيلة الرطبة باستخدام مقياس حرارة البصيلة الرطبة ، مثل مقياس الرطوبة النفسي .

إذا لُفّ مقياس الحرارة بقطعة قماش مبللة بالماء، فسيتصرف بشكل مختلف. فكلما كان الهواء أكثر جفافاً وأقل رطوبة، تبخر الماء أسرع. وكلما تبخر الماء أسرع، انخفضت درجة حرارة مقياس الحرارة مقارنةً بدرجة حرارة الهواء.

لا يتبخر الماء إلا إذا كان الهواء المحيط به قادرًا على امتصاص المزيد منه. ويُقاس ذلك بمقارنة كمية الماء الموجودة في الهواء بأقصى كمية ممكنة منه، أي الرطوبة النسبية . 0% تعني أن الهواء خالٍ تمامًا من الماء، و100% تعني أن الهواء يحتوي على كل الماء الذي يمكنه استيعابه في الظروف الحالية، ولا يمكنه امتصاص المزيد من الماء (من أي مصدر).

يُعدّ هذا جزءًا من أسباب درجة الحرارة الظاهرية أو "درجة الحرارة المحسوسة" لدى الإنسان. ^{[ 3 ]} فكلما كان الهواء أكثر جفافًا، زادت قدرته على امتصاص الرطوبة الزائدة، ما يُسهّل تبخّر الماء الزائد. ونتيجةً لذلك، يتبخّر العرق بسرعة أكبر في الهواء الجاف، مُبرّدًا الجلد بشكل أسرع. أما إذا كانت الرطوبة النسبية 100%، فلا يتبخّر الماء، وبالتالي لا يُمكن التبريد عن طريق التعرّق أو التبخّر. ^{[ 4 ]}

عندما تكون الرطوبة النسبية 100%، لا يمكن تبريد مقياس الحرارة ذي البصيلة الرطبة عن طريق التبخر، لذا ستكون قراءته مماثلة لقراءة مقياس الحرارة غير المغلف. ^{[ 4 ]}

درجة حرارة البصيلة الرطبة هي أدنى درجة حرارة يمكن تحقيقها عن طريق التبريد التبخيري لسطح مبلل بالماء ومهوى.

وعلى النقيض من ذلك، فإن نقطة الندى هي درجة الحرارة التي يجب تبريد الهواء المحيط إليها للوصول إلى رطوبة نسبية بنسبة 100٪ بافتراض عدم وجود تبخر إضافي في الهواء؛ وهي درجة الحرارة التي يتشكل عندها التكثيف (الندى) والغيوم.

بالنسبة لكتلة هواء أقل من التشبع (أي هواء ذو ​​رطوبة نسبية أقل من 100%)، تكون درجة حرارة البصيلة الرطبة أقل من درجة حرارة البصيلة الجافة ، ولكنها أعلى من درجة حرارة نقطة الندى. وكلما انخفضت الرطوبة النسبية (أي أصبح الهواء أكثر جفافًا)، زادت الفروقات بين كل زوج من هذه الدرجات الثلاث. وعلى العكس، عندما ترتفع الرطوبة النسبية إلى 100%، تتطابق الدرجات الثلاث.

بالنسبة للهواء عند ضغط ودرجة حرارة جافة معلومين، تتوافق درجة حرارة البصيلة الرطبة الديناميكية الحرارية مع قيم محددة للرطوبة النسبية ودرجة حرارة نقطة الندى. لذا، يمكن استخدامها لتحديد هذه القيم عمليًا. وتُوضَّح العلاقات بين هذه القيم في مخطط سيكرومتري .

انخفاض درجات حرارة البصيلة الرطبة الذي يتوافق مع جفاف الهواء في الصيف يمكن أن يؤدي إلى توفير الطاقة في المباني المكيفة بسبب:

1. انخفاض حمل إزالة الرطوبة لهواء التهوية
2. زيادة كفاءة أبراج التبريد
3. زيادة كفاءة المبردات التبخيرية

درجة حرارة البصيلة الرطبة الديناميكية الحرارية هي درجة الحرارة التي ستكون عليها كتلة من الهواء إذا تم تبريدها بشكل أديباتي إلى التشبع عن طريق تبخر الماء فيها، مع توفير كل الحرارة الكامنة من خلال حجم الهواء.

درجة حرارة عينة الهواء التي مرت فوق سطح كبير من الماء السائل في قناة معزولة هي درجة حرارة البصيلة الرطبة الديناميكية الحرارية - لقد أصبح الهواء مشبعًا من خلال المرور عبر غرفة تشبع مثالية ثابتة الضغط وثابتة الحرارة.

قد يستخدم خبراء الأرصاد الجوية وغيرهم مصطلح "درجة حرارة البصيلة الرطبة متساوية الضغط" للإشارة إلى "درجة حرارة البصيلة الرطبة الديناميكية الحرارية". ويُطلق عليها أيضًا اسم "درجة حرارة التشبع الأديباتية"، مع أن خبراء الأرصاد الجوية يستخدمون مصطلح "درجة حرارة التشبع الأديباتية" أيضًا بمعنى "درجة الحرارة عند مستوى التشبع"، أي درجة الحرارة التي ستصل إليها كتلة الهواء إذا تمددت أديباتيًا حتى التشبع. ^{[ 5 ]}

درجة حرارة البصيلة الرطبة هي خاصية ديناميكية حرارية لمزيج من الهواء وبخار الماء. وغالبًا ما توفر القيمة التي يشير إليها مقياس حرارة البصيلة الرطبة البسيط تقريبًا كافيًا لدرجة حرارة البصيلة الرطبة الديناميكية الحرارية.

بالنسبة لمقياس حرارة البصيلة الرطبة الدقيق، "تكون درجة حرارة البصيلة الرطبة ودرجة حرارة التشبع الأديباتية متساويتين تقريبًا لخليط الهواء وبخار الماء عند درجة الحرارة والضغط الجويين. وهذا لا ينطبق بالضرورة عند درجات الحرارة والضغوط التي تنحرف بشكل كبير عن الظروف الجوية العادية، أو بالنسبة لخلائط الغاز والبخار الأخرى." ^{[ 6 ]}

تُقاس درجة حرارة البصيلة الرطبة باستخدام ترمومتر يُلفّ بصيلته بقطعة قماش تُسمى " الجورب" ، تُحفظ رطبةً بالماء المقطر عن طريق الخاصية الشعرية . يُطلق على هذا الجهاز اسم ترمومتر البصيلة الرطبة. ومن الأجهزة الشائعة لقياس درجة حرارة البصيلة الرطبة والجافة ، مقياس الرطوبة ذو البصيلة المعلقة ، والذي يتكون من ترمومترين زئبقيين، أحدهما بـ"جورب" رطب لقياس درجة حرارة البصيلة الرطبة، والآخر ببصيلة جافة مكشوفة لقياس درجة حرارة البصيلة الجافة. يُثبّت الترمومتران على مقبض دوّار، مما يسمح بتدويرهما لتبخّر الماء من الجورب وتبريد البصيلة الرطبة حتى تصل إلى حالة التوازن الحراري .

يُشير مقياس الحرارة الرطب الفعلي إلى درجة حرارة تختلف قليلاً عن درجة الحرارة الرطبة الديناميكية الحرارية، لكنهما متقاربتان جدًا. ويعود ذلك إلى مصادفة: ففي نظام الماء والهواء، تكون النسبة السيكرومترية (انظر أدناه) قريبة من 1، بينما قد لا تكون كذلك في الأنظمة الأخرى غير الهواء والماء.

لفهم سبب ذلك، يجب أولاً النظر في حساب درجة حرارة البصيلة الرطبة الديناميكية الحرارية.

التجربة 1

في هذه الحالة، يتم تبريد تيار من الهواء غير المشبع. تُستخدم الحرارة الناتجة عن تبريد هذا الهواء لتبخير بعض الماء، مما يزيد من رطوبة الهواء. عند نقطة معينة، يصبح الهواء مشبعًا ببخار الماء (ويبرد إلى درجة حرارة البصيلة الرطبة الديناميكية الحرارية). في هذه الحالة، يمكننا كتابة معادلة توازن الطاقة لكل وحدة كتلة من الهواء الجاف كما يلي:

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

• ${\displaystyle H_{\mathrm {sat} }}$_محتوى الماء المشبع في الهواء (كجم _H2O / كجم _{هواء جاف} )
• ${\displaystyle H_{0}}$نسبة الماء الأولية في الهواء (بنفس الوحدة المذكورة أعلاه)
• ${\displaystyle \lambda }$الحرارة الكامنة للماء (جول _/ كجم _{ماء )}
• ${\displaystyle T_{0}}$درجة حرارة الهواء الأولية (كلفن)
• ${\displaystyle T_{\mathrm {sat} }}$درجة حرارة الهواء المشبع (كلفن)
• ${\displaystyle c_{s}}$الحرارة النوعية للهواء (جول/كجم·كلفن)

التجربة الثانية

في حالة مقياس الحرارة ذي البصيلة الرطبة، تخيل قطرة ماء يمر فوقها هواء غير مشبع. طالما أن ضغط بخار الماء في القطرة (وهو دالة لدرجة حرارتها) أكبر من الضغط الجزئي لبخار الماء في تيار الهواء، سيحدث التبخر. في البداية، ستأتي الحرارة اللازمة للتبخر من القطرة نفسها.

بدلاً من ذلك، عندما تبدأ القطرة بالتبريد، تصبح أبرد من الهواء، فيبدأ انتقال الحرارة بالحمل من الهواء إلى القطرة. علاوة على ذلك، يعتمد معدل التبخر على فرق تركيز بخار الماء بين سطح القطرة والتيار المحيط بها والتيار البعيد (أي التيار "الأصلي" غير المتأثر بالقطرة)، وعلى معامل انتقال الكتلة بالحمل، وهو دالة لمكونات الخليط (أي الماء والهواء).

بعد فترة معينة، يتحقق التوازن: تبرد القطرة إلى درجة يصبح فيها معدل الحرارة المفقودة بالتبخر مساوياً لمعدل الحرارة المكتسبة بالحمل الحراري. عند هذه النقطة، يتحقق توازن الطاقة التالي لكل وحدة مساحة سطحية:

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

• ${\displaystyle H_{\mathrm {sat} }}$محتوى الماء عند السطح البيني في حالة التوازن (كجم _H2O / كجم _{هواء جاف )} (لاحظ أن الهواء في هذه المنطقة مشبع وكان دائمًا كذلك ₎
• ${\displaystyle H_{0}}$محتوى الماء في الهواء البعيد (بنفس الوحدة المذكورة أعلاه)
• ${\displaystyle k'}$معامل انتقال الكتلة (كجم/م² ^· ث)
• ${\displaystyle T_{0}}$درجة حرارة الهواء عند مسافة معينة (كلفن)
• ${\displaystyle T_{\mathrm {eq} }}$درجة حرارة قطرة الماء عند الاتزان (كلفن)
• ${\displaystyle h_{\mathrm {c} }}$معامل انتقال الحرارة بالحمل (واط/م² ^· كلفن)

لاحظ أن:

• ${\displaystyle (H-H_{0})}$هي القوة الدافعة لانتقال الكتلة (تساوي باستمرار${\displaystyle H_{\mathrm {sat} }-H_{0}}$(طوال التجربة بأكملها)
• ${\displaystyle (T_{0}-T)}$هي القوة الدافعة لانتقال الحرارة (عندما${\displaystyle T}$يصل${\displaystyle T_{\mathrm {eq} }}$(يتم الوصول إلى حالة التوازن)

لنعد ترتيب تلك المعادلة إلى:

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

والآن لنعد إلى تجربتنا الأصلية "للبصيلة الرطبة الديناميكية الحرارية"، التجربة رقم 1. إذا كان تيار الهواء هو نفسه في كلتا التجربتين (أي${\displaystyle H_{0}}$و${\displaystyle T_{0}}$إذا كانت متطابقة)، فيمكننا مساواة الجانب الأيمن من المعادلتين:

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

إعادة الترتيب:

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

لو${\displaystyle {\dfrac {h_{\mathrm {c} }}{k'c_{\mathrm {s} }}}=1}$عندئذٍ تكون درجة حرارة القطرة في التجربة 2 هي نفسها درجة حرارة البصيلة الرطبة في التجربة 1. وبسبب الصدفة، فإن هذا هو الحال بالنسبة لمزيج الهواء وبخار الماء، حيث تكون النسبة (التي تسمى النسبة السيكرومترية ) قريبة من 1. ^{[ 7 ]}

التجربة 2 هي ما يحدث في مقياس حرارة البصيلة الرطبة الشائع، مما يعني أن قراءته قريبة إلى حد ما من درجة حرارة البصيلة الرطبة الديناميكية الحرارية ("الحقيقية").

تجريبياً، تكون قراءة مقياس الحرارة ذي البصيلة الرطبة أقرب ما يكون إلى درجة حرارة البصيلة الرطبة الديناميكية الحرارية إذا:

• الجورب محمي من التبادل الحراري الإشعاعي مع محيطه
• يتدفق الهواء حول الجورب بسرعة كافية لمنع الرطوبة المتبخرة من التأثير على عملية التبخر من الجورب
• تكون درجة حرارة الماء المُزوَّد للجورب مساوية لدرجة حرارة البصيلة الرطبة الديناميكية الحرارية للهواء.

عملياً، تختلف القيمة التي يسجلها مقياس الحرارة ذو البصيلة الرطبة قليلاً عن درجة حرارة البصيلة الرطبة الديناميكية الحرارية للأسباب التالية:

• الجورب ليس محميًا تمامًا من التبادل الحراري الإشعاعي
• قد يكون معدل تدفق الهواء عبر الجورب أقل من المستوى الأمثل.
• لا يتم التحكم في درجة حرارة الماء الذي يتم تزويده للجورب

عندما تقل الرطوبة النسبية عن 100%، يتبخر الماء من البصيلة، مما يؤدي إلى تبريدها إلى ما دون درجة حرارة الجو المحيط. ولتحديد الرطوبة النسبية، تُقاس درجة حرارة الجو المحيط باستخدام ترمومتر عادي، يُعرف في هذا السياق باسم ترمومتر البصيلة الجافة . عند أي درجة حرارة محيطة معينة، تؤدي الرطوبة النسبية المنخفضة إلى فرق أكبر بين درجتي حرارة البصيلة الجافة والرطبة؛ أي أن درجة حرارة البصيلة الرطبة تكون أبرد. تُحدد الرطوبة النسبية بدقة من خلال قراءة مخطط سيكرومتري لدرجات حرارة البصيلة الرطبة مقابل درجات حرارة البصيلة الجافة، أو عن طريق الحساب.

أجهزة قياس الرطوبة هي أدوات تحتوي على مقياس حرارة ذي بصلة رطبة ومقياس حرارة ذي بصلة جافة.

يمكن أيضًا استخدام مقياس حرارة البصيلة الرطبة في الهواء الطلق تحت أشعة الشمس مع مقياس حرارة الكرة الأرضية (الذي يقيس درجة حرارة الإشعاع الساقط ) لحساب درجة حرارة الكرة الأرضية للبصيلة الرطبة (WBGT). ^{[ 8 ]}

درجة حرارة البصيلة الرطبة الأديباتية هي درجة الحرارة التي ستكون عليها كتلة من الهواء إذا تم تبريدها أديباتياً إلى حالة التشبع ثم ضغطها أديباتياً إلى الضغط الأصلي في عملية أديباتية رطبة. ^{[ 2 ]} قد يحدث هذا التبريد مع انخفاض ضغط الهواء مع الارتفاع، كما هو مذكور في المقالة المتعلقة بمستوى التكثيف المرتفع .

قد يكون هذا المصطلح، كما هو مُعرّف في هذه المقالة، هو الأكثر شيوعًا في علم الأرصاد الجوية.

بما أن القيمة المشار إليها باسم "درجة حرارة البصيلة الرطبة الديناميكية الحرارية" تُحقق أيضًا من خلال عملية كظيمة، فقد يستخدم بعض المهندسين وغيرهم مصطلح "درجة حرارة البصيلة الرطبة الكظيمة" للإشارة إلى "درجة حرارة البصيلة الرطبة الديناميكية الحرارية". وكما ذُكر سابقًا، قد يستخدم خبراء الأرصاد الجوية وغيرهم مصطلح "درجة حرارة البصيلة الرطبة متساوية الضغط" للإشارة إلى "درجة حرارة البصيلة الرطبة الديناميكية الحرارية".

إن العلاقة بين العمليات متساوية الضغط والعمليات الكظيمة غير واضحة تمامًا. ومع ذلك، تشير المقارنات إلى أن درجتي الحرارة نادرًا ما تختلفان بأكثر من بضعة أعشار من درجة مئوية، وأن درجة الحرارة الكظيمة تكون دائمًا أقل في حالة الهواء غير المشبع. ونظرًا لصغر هذا الفرق، فإنه يُهمل عادةً في التطبيقات العملية. ^{[ 9 ]}

انخفاض درجة حرارة البصيلة الرطبة هو الفرق بين درجة حرارة البصيلة الجافة ودرجة حرارة البصيلة الرطبة. في حالة الرطوبة النسبية البالغة 100%، تتساوى درجتا حرارة البصيلة الجافة والرطبة، مما يجعل انخفاض درجة حرارة البصيلة الرطبة مساوياً للصفر في هذه الظروف. ^{[ 10 ]}

لا تستطيع الكائنات الحية البقاء إلا ضمن نطاق حراري محدد. عندما ترتفع درجة الحرارة المحيطة بشكل مفرط، تلجأ العديد من الحيوانات إلى التبريد التبخيري (عن طريق العرق لدى البشر والخيول، واللعاب والماء لدى الكلاب والثدييات الأخرى)؛ مما يساعد على الوقاية من فرط الحرارة الذي قد يكون مميتًا نتيجة الإجهاد الحراري. وتعتمد فعالية التبريد التبخيري على الرطوبة؛ إذ تُعطي درجة حرارة البصيلة الرطبة، أو كميات محسوبة أكثر تعقيدًا مثل درجة حرارة الكرة الأرضية للبصيلة الرطبة (WBGT) التي تأخذ في الحسبان الإشعاع الشمسي ، مؤشرًا مفيدًا على درجة الإجهاد الحراري، وتستخدمها العديد من الهيئات كأساس لإرشادات الوقاية من الإجهاد الحراري.

نظراً لحاجة الجسم الحيوية للحفاظ على درجة حرارة داخلية تبلغ حوالي 37 درجة مئوية (99 درجة فهرنهايت) ، فإن ارتفاع درجة حرارة البصيلة الرطبة بشكل مستمر فوق 35 درجة مئوية (95 درجة فهرنهايت) - أي ما يعادل مؤشر حرارة 71 درجة مئوية (160 درجة فهرنهايت) - من المرجح أن يكون قاتلاً حتى للأشخاص الأصحاء ذوي اللياقة البدنية العالية، حتى لو كانوا شبه عراة في الظل بجوار مروحة؛ فعند هذه الدرجة، يتحول الجسم من فقدان الحرارة إلى اكتسابها من البيئة المحيطة. ^{[ 11 ] [ 12 ]} وقد وجدت دراسة أجريت عام 2022 أن درجة حرارة البصيلة الرطبة الحرجة التي لا يمكن عندها تعويض الإجهاد الحراري لدى البالغين الشباب الأصحاء الذين يمارسون أنشطة الحياة اليومية الأساسية تعتمد بشكل كبير على درجة الحرارة المحيطة وظروف الرطوبة، ولكنها كانت أقل بمقدار 5-10 درجات مئوية (9-18 درجة فهرنهايت) من الحد النظري. ^{[ 13 ] [ 14 ]}        

خلصت دراسة أجريت عام 2015 إلى أنه اعتمادًا على مدى الاحتباس الحراري العالمي في المستقبل ، قد تصبح أجزاء من العالم غير صالحة للسكن بسبب درجات حرارة البصيلة الرطبة القاتلة بحلول عام 2045. ^{[ 15 ]} وأفادت دراسة أجريت عام 2020 بوجود حالات سُجلت فيها درجة حرارة البصيلة الرطبة 35 درجة مئوية (95 درجة فهرنهايت) ، وإن كان ذلك لفترة وجيزة جدًا وفي منطقة صغيرة جدًا بحيث لم تتسبب في وفيات. ^{[ 16 ]} ويمكن أن تحدث آثار وخيمة على الوفيات والأمراض عند درجات حرارة بصيلات رطبة أقل بكثير بسبب الظروف الفسيولوجية والسلوكية غير المثلى؛ إذ لم تتجاوز درجات الحرارة في موجات الحر الأوروبية عام 2003 والروسية عام 2010 28 درجة مئوية (82 درجة فهرنهايت) . ^{[ 16 ]}    

في عام ٢٠١٨، طبّقت ولاية كارولاينا الجنوبية لوائح جديدة لحماية طلاب المدارس الثانوية من حالات الطوارئ المرتبطة بالحرارة أثناء الأنشطة الخارجية. وتوجد إرشادات وقيود محددة لدرجات حرارة الكرة الرطبة بين ٢٧.٨ درجة مئوية (٨٢.٠ درجة فهرنهايت) و ٣٣.٣ درجة مئوية (٩٢.٠ درجة فهرنهايت) ؛ أما درجات حرارة الكرة الرطبة التي تبلغ ٣٣.٤ درجة مئوية (٩٢.١ درجة فهرنهايت) أو أعلى، فتتطلب إلغاء جميع الأنشطة الخارجية. ^{[ ١٧ ] [ ١٨ ]}      

نادراً ما تتجاوز درجات الحرارة القصوى في البصيلة الرطبة (WTEs)، كما هو معروف، 2000 كيلومتر مربع. ^{[ 19 ]}

تشير نتائج الدراسة إلى أن الحد من الاحتباس الحراري العالمي إلى 1.5  درجة مئوية من شأنه أن يمنع معظم المناطق الاستوائية من الوصول إلى درجة حرارة البصيلة الرطبة التي تمثل الحد الفسيولوجي البشري البالغ 35  درجة مئوية. ^{[ 26 ] [ 27 ]}

• الديناميكا الحرارية للغلاف الجوي
• درجة حرارة البصيلة الرطبة

• ثلاث طرق لقياس درجة حرارة البصيلة الرطبة للمهندسين
• مخطط درجة حرارة البصيلة الرطبة لصنع الثلج (فهرنهايت)
• حاسبة درجة حرارة البصيلة الرطبة ونقطة الندى من الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA)
• اختصار لحساب درجة حرارة البصيلة الرطبة
• حساب مؤشر الإجهاد الحراري