Kalt, kälter, Eiseskälte

Wenn Deutschland zittert

Fast ganz Deutschland leidet aktuell unter heftigen Schneestürmen, Eisregen und klirrender Kälte. Ursache für diesen ungewöhnlich starken Wintereinbruch in großen Teilen Deutschlands ist unter anderem der hohe Luftdruck, der vom Nordmeer bis ins östliche Mitteleuropa herrscht. Dadurch fließt extrem kalte Luft aus der Polarregion direkt in den Norden Deutschlands.

Bild: Frank Magdans

Der Deutsche Wetterdienst (DWD) verweist auf den sogenannten Polarwirbel-Split. Normalerweise bewegt sich dieser Luftwirbel kreisförmig direkt über der Region des Nordpols – daher auch der Name. Der Wirbel verstärkt sich regelmäßig im Winter, wenn kein Sonnenlicht die Atmosphäre dort erwärmen kann und diese sich zunehmend abkühlt, was zu einem Druckabfall in der Höhe führt.

Kommt es zu einem „Ausbruch“, teilt sich der Wirbel und kann sich verlagern. „So einen Ausbruch gibt es immer wieder mal – aber diesmal erwischt es uns voll“, gemäß DWD. So ist es den kalten arktischen Luftmassen gelungen, weit in den Süden vorzustoßen, so dass ganz Deutschland nun von der eisigen Kälte betroffen ist.

Warum man friert: Reaktion des Körpers auf die Kälte

Bei Kälte ist es wichtig, den Körper und seine Organe zu schützen. Ist es zu kalt, zieht der Körper die Gefäße in Armen und Beinen zusammen und drosselt die Durchblutung, damit weniger kaltes Blut in die Körpermitte strömt und auch keine Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Die Folgen sind für alle spürbar: Finger, Zehen und Ohren kühlen zuerst aus; dort ist auch das Risiko am größten, dass sich Erfrierungen bilden. In vielen Fällen beginnen die Muskeln, zu zittern, um Wärme zu produzieren. Ohne Schutz und Maßnahmen (Bekleidung oder beheizte Innenräume) kann es sehr schnell nicht nur unangenehm, sondern auch gefährlich werden und zur Unterkühlung kommen.

Normalerweise schwankt die Körpertemperatur des Menschen und wird durch das Gehirn (im Hypothalamus) gesteuert, liegt aber bei circa 37 Grad Celsius. Bei einer Körpertemperatur unter 35 Grad Celsius kommt es zur Unterkühlung, und bei einer Körpertemperatur von 30 Grad Celsius liegt bereits ein Notfall vor. Bei einer noch niedrigeren Körpertemperatur von 26 Grad Celsius versagen, infolge der Kälte, Herz und Kreislauf. So schwindet die Chance, zu überleben.

Kälteeinfluss bestimmen: Maße zur Beschreibung der Kälte auf den Menschen

Um den Einfluss der Kälte oder auch der Hitze zu beschreiben, benötigt man Maße, die diesen Einfluss darstellen können. Im Prinzip soll damit die Wärmeabgabe beziehungsweise der Wärmegewinn abgebildet werden. Hierfür sind verschiedenen meteorologische Größen nötig: die Lufttemperatur, die Luftfeuchte, der Wind und die Sonnenstrahlung. Um alle notwendigen Effekte des Einflusses von Wärme und Kälte abbilden zu können, sind zusätzlich noch thermo-physiologische Faktoren, wie Wärmeproduktion respektive Aktivität des Menschen sowie die Bekleidung, die die Wärmeabgabe vermindert, notwendig.

Die Beschreibung des Einflusses ist komplex und deswegen versucht man, mit einfachen Ansätzen und Möglichkeiten zu quantifizieren. Für die Kälte genügt es zumeist, ein Maß zu nehmen, welches den Einfluss der Temperatur und des Winds abbildet, weil bei Kälte meistens diese beiden Faktoren schon genügen (Wind-Chill). Möchte man Reaktionen des Menschen berücksichtigen und bei kalten und warmen Bedingungen abdecken, benötigt man Maße die nicht nur die meteorologischen Größen beinhalten, sondern auch thermo-physiologische Faktoren berücksichtigen (Gefühlte Temperatur, kurz: GT).

Wind-Chill-Effekt

Durch eine erhöhte Windgeschwindigkeit tritt eine Abkühlung im Hautbereich auf, in denen die Hauttemperatur über der Lufttemperatur liegt, der sogenannte Wind-Chill-Effekt. Dieser Abkühlungseffekt verstärkt sich mit zunehmender Windgeschwindigkeit. Unter warmen Bedingungen ist die Bedeutung der Luftfeuchte beim Abkühlungseffekt erheblich, da sie eine Auswirkung auf die Schweißverdunstung und damit auf die Temperaturabnahme der Haut durch Verdunstung besitzt. Unter kalten Bedingungen hat die Luftfeuchte keinen Einfluss mehr auf den Abkühlungseffekt, soweit die Haut nicht durch Wasser oder Schnee benetzt ist. Deshalb wird der Wind-Chill-Effekt zur Bewertung der thermischen Belastung auch überwiegend nur bei kalten Bedingungen angewendet.

Die windbedingte Abkühlungswirkung auf der Haut lässt sich anschaulich durch eine Temperaturangabe beschreiben. Diese spezielle Temperatur wird als „Wind-Chill-Äquivalent-Temperatur“ bezeichnet. Dabei handelt es sich um diejenige Lufttemperatur, bei welcher sich in einer Standardumgebung der gleiche Abkühlungseffekt einstellen würde, wie unter den aktuellen meteorologischen Bedingungen. Die Standardbedingungen sind Schatten und eine leichte Luftbewegung. Die Wind-Chill-Äquvalent-Temperatur berücksichtigt die Luftfeuchtigkeit und die Sonnenstrahlung nicht, im Gegensatz zur Gefühlten Temperatur.

Gefühlte Temperatur

In Wettervorhersagen wird üblicherweise die tatsächliche Temperatur angegeben. Das Temperaturempfinden des Menschen entspricht der herrschenden Lufttemperatur aber nur, wenn man sich für die Temperatur angemessener Kleidung, bei mittlerer Luftfeuchtigkeit und Windstille langsam im Schatten bewegt. In der Sonne und bei hohem Wasserdampfgehalt der Luft empfindet man die Temperatur als höher, bei Wind – besonders im Winter – als geringer.

Zur Berechnung dieser „Gefühlten Temperatur“ setzt der DWD das Klima-Michel-Modell ein, das den Wärmehaushalt eines Modellmenschen („Klima-Michel“) bewertet. Die „Gefühlte Temperatur“ steigt unter sommerlichen Bedingungen viel schneller als die Lufttemperatur an. Ist es jedoch kühl bei schwachem bis mäßigem Wind, kann sie auch unter die Lufttemperatur absinken.

Bei Hitze wird sich mit zunehmender Abweichung vom Behaglichkeitsbereich eine Belastung für das Herz-Kreislauf-System einstellen. Insbesondere für ältere oder kranke Personen kann die Überschreitung bestimmter Schwellenwerte der „Gefühlten Temperatur“ deshalb eine frühzeitige Warnung sein.

Was kann man dagegen tun

Bei der aktuell klirrenden Kälte ist es vor allem wichtig, den Wärmeverlust durch richtige Kleidung zu vermeiden. Am besten, mehrere Lagen nicht zu enger Kleidung tragen, damit sich zwischen den Schichten warme, isolierende Luftschichten sammeln können (Zwiebelprinzip). Insgesamt gilt es jedoch, die Exposition in der Kälte zu minimieren bzw. zu vermeiden.

Relevante VDI-Richtlinien

Wie sich zeigt, sind Gesundheit, Wohlbefinden und Leistungsfähigkeit des Menschen eng über den menschlichen Wärmehaushalt mit den thermischen Umweltbedingungen verknüpft und daher beispielsweise ganz bedeutend für die Vorsorgeplanung. Betroffen sind hierbei vor allem die Stadt- und Regionalplanung sowie das Gebäudedesign, das öffentliches Gesundheitswesen, der Tourismus als auch die Erholung.

Die Richtlinie VDI 3787 Blatt 2 „Umweltmeteorologie; Methoden zur human-biometeorologischen Bewertung der thermischen Komponente des Klimas“, die im Frühsommer 2021 als Gründruck veröffentlicht wird, beschreibt Verfahren, welche die komplexen thermischen Umweltbedingungen thermophysiologisch relevant aufzeigen und auf Basis der Wärmebilanz des Menschen beurteilen können.

Auch die Richtlinie VDI 3787 Blatt 10 „Umweltmeteorologie; Human-biometeorologische Anforderungen im Bereich Erholung, Prävention, Heilung und Rehabilitation“ stellt quantifizierende Methoden und Verfahren im Bereich des thermischen, aktinischen (UV) und lufthygienischen Wirkungskomplexes sowie zu Lärm und Gerüchen als auch zu weiteren beeinflussenden Faktoren, zum Beispiel Windkomfort und auch Kaltlufteinflüsse, in komplexen topographischen und städtischen Umgebungen dar.

Autoren:

Prof. Dr. Andreas Matzarakis, Mitglied des Fachausschusses „Klima“ des Fachbereichs II „Umweltmeteorologie“, VDI/DIN-Kommission Reinhaltung der Luft (KRdL) – Normenausschuss

Dipl.-Geogr. Catharina Fröhling, Wissenschaftliche Mitarbeiterin des Fachbereichs II „Umweltmeteorologie“, VDI/DIN-Kommission Reinhaltung der Luft (KRdL) – Normenausschuss

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