分享本文至 E-mail 信箱
學術引用格式
MLA
APA
EndNote(.enw)

黑球溫度計-白天也懂夜的黑

作者 溫嘉玉

那英曾唱過「白天不懂夜的黑」,但在氣象觀測的項目中,「黑球溫度計」卻是白天裡,相當了解「黑」的儀器!

今(101)年7月10日,台北市出現高溫38.3℃,且截至7月15日止,創下台北市連續7天高溫均超過37℃的紀錄。當時大家都在問:「37℃有多熱?」「我們真正感受到的熱,與量測得到的氣溫相關性又是如何?」是否能有什麼觀測值可以表達我們對熱的感受呢?

溫度與熱

大氣的熱量收支會因時、因地而異,使得大氣中的溫度分布不均勻,因而產生大氣流動。由此可知,溫度高低是決定兩個物體間淨熱流方向的條件,當某一物體失去的熱能傳到另一物體,則稱前者溫度較高,因此,溫度也是表示物體冷熱程度的物理量。

一般氣象上量測的氣溫,是指室外自然環境中的大氣溫度,因此,觀測場所的選定,必須考慮對當地地區氣溫是否具有代表性;此外,架設儀器的週遭環境必須通風良好,並應不直接受到日射(短波輻射)、或來自地表(長波輻射)、建築物周圍等的反射及輻射影響。而關於使用的儀器,不論是酒精或水銀溫度計,外殼都是玻璃管製,其穿透率高的特性可避免輻射熱的影響。但人對溫度的感覺,無法避免受到輻射熱的影響,也就是對溫度的感受與一般溫度計不一樣,因為我們所感知的是——熱!

人體正常體溫為36~37℃,通常比週遭環境的溫度高,因此,我們會向四周以輻射方式釋放熱,但我們身體也會同時吸收環境輻射所產生的熱,也就自然無法避免輻射熱的影響,熱輻射便成為主要影響人體熱量變化的因素之一。若我們要避免因「熱」造成對身心的傷害,就必須適當地釋放熱,但熱量的釋放多受環境因素影響,如溫度、溼度及風。舉例來說,當周遭溫度越高,我們就愈難透過輻射方式驅散熱能;當大氣的水分子含量越高(即相對溼度高),就會抑制汗水的蒸發,如果汗水不易排出,自然而然熱就儲存於體內,人就會覺得悶熱而不舒適,甚至會發生中暑的狀況;另外,風會將皮膚表面的熱空氣帶走,且有助汗水蒸發,所以,風速的大小也會影響人體對於熱的感受。

黑球溫度計

既然一般溫度計無法全然反映人對熱的感覺,為了模擬人體對於當時環境「熱」的感受,可以利用「黑球溫度計」(圖一)的觀測以了解:當下的溫度,若全然吸收其所產生的輻射熱,則對應的溫度有多高?

甚麼是「黑球溫度計」?為什麼它可以模擬「熱」的感覺?其實主要是利用「黑體輻射」概念。所謂黑體,指當熱輻射吸收體,在任何溫度下都能完全吸收外來的輻射能而不反射。而「黑球溫度計」係指一定規格之中空黑色不反光銅球(模擬黑體),中央插入溫度計,其所量得之溫度稱為「黑球溫度」,代表輻射熱之效應。透過「黑球溫度計」所測量的溫度,與一般大氣溫度相較,即可獲得當時大氣輻射的熱所造成的溫度有多高!而與黑色相對的「白色」則幾乎反射所有的輻射熱,本身也不對外產生熱輻射,所以,百葉箱會塗上白色,以避免輻射熱對於溫度的影響,若此理論應用於生活上,就是夏天服飾的色彩選擇都較為淡色,反之,冬天的色彩就明顯偏深色。

圖一:位於中央氣象局的黑球溫度計,是由一定規格的中空黑色不反光銅球(模擬黑體),中央插入溫度計。所量之溫度稱為「黑球溫度」,代表輻射熱之效應。

「溼黑球溫度」與「酷熱指數」

然如前所述,「熱」的釋放難易與當時自然的大氣環境有關,以台灣為例,相對溼度平均為74~89%間,就易造成人對熱的承受壓力。因此,當人的身體受熱而不能及時散發時,體溫亦會隨之上升,熱負荷也同步增加,就會開始感覺不適,進而可能產生中暑或熱衰竭等狀況,嚴重者甚至會造成生命威脅。有鑑於此,為反映及評估「熱」的危害,就必須將大氣之溫度、相對溼度及風速等氣象因素納入全面考量,目前許多國家使用綜合指數「溼黑球溫度(Wet Bulb Globe Temperature)」或「酷熱指數(Heat Index)」,來模擬在熱環境中進行體力勞動時,身體受熱的危害程度。所謂「溼黑球溫度」(圖二)並不是單一氣象觀測因子,而是結合了影響熱感覺的氣溫、溼度、風及太陽輻射等氣象因子,其計算方法簡單介紹如下:

一、室內或戶外無日曬時:0.7×溼球溫度+0.3×黑球溫度

二、戶外有日曬時:0.7×溼球溫度+0.2×黑球溫度+0.1×乾球溫度

以上公式中的「溼球溫度」是指溫度計外包著溼紗布,且未遮蔽外界氣流所得之溫度,代表溫度、溼度及風速等之綜合效應;「黑球溫度」是指由黑球溫度計量測的溫度,代表輻射熱之效應;「乾球溫度」是指溫度計直接所量得的空氣溫度,主要代表單純空氣溫度之效應。綜上所言,可見得「溼黑球溫度」比氣溫所顯示的數字更能反映人類對熱的感受。

酷熱指數則是一種綜合大氣溫度和相對溼度來模擬體感溫度的指數,但每個國家會因應氣候的特性,而研發不同的計算公式,只是不論酷熱指數是如何統計得出,重點是,它只能作為參考!因為每個人對熱的反應程度不同,且涉及當時環境場的氣象因子、勞動程度、水份是否適時供給、個人體質或健康狀況及暴露時間等,均會影響我們的耐熱程度。

圖二:溼黑球溫度顯示畫面,其中WBGTi 溫度是指室內所量測的綜合溫度熱指數(溼黑球溫度);而WBGTo 溫度指室外所量測的綜合溫度熱指數(溼黑球溫度)。

其實目前若台灣地區觀測溫度達到35℃時,中央氣象局便會透過簡訊發出〈即時天氣訊息〉:「今日各地高溫炎熱,台北市已有38.3度高溫發生,請注意補充水分並預防中暑。(氣象局)」希冀藉此管道提醒民眾當時天氣可能會影響健康,並注意所處週遭或工作環境,提高警覺以防中暑。(本文圖片由作者提供)

溫嘉玉:任職中央氣象局第一科(測政管理科)

原文發表於科學月刊第四十三卷第九期

想要耳聽分享,嘴吃熱炒、手領好書、同時認識一大群愛科學的朋友嗎?

「生猛科學」的特色是:

  1. 只在台灣南部舉辦(精準一點的定義是雲林以南,一直到屏東)。
  2. 只找當地最生猛的科學人擔任講者。
  3. 只談在地的科學,或是在地人最關注的科學。
  4. 只在最生猛的生猛熱炒舉辦。

我們希望透過「生猛科學」系列活動,更認識在地科學社群,並且讓在地的科學除了讓更多在地人知道以外,也透過PanSci的網絡傳得更遠。好久沒辦了想要見見最生猛的你,限量 25 個名額!報名還可獲得科普好書一本,原價800元,現在只要600元!

[報名 10/1 (日)生猛科學@高雄]

關於作者

非營利性質的《科學月刊》創刊於1970年,自創刊以來始終致力於科學普及工作;我們相信,提供一份正確而完整的科學知識,就是回饋給讀者最好的品質保證。