Международная стандартная атмосфера

Международная стандартная атмосфера ( ISA ) — это статическая модель атмосферы , показывающая, как , температура , плотность и вязкость земной атмосферы изменяются в широком высот диапазоне давление . Он был создан для обеспечения общего эталона температуры и давления и состоит из таблиц значений на разных высотах, а также некоторых формул, по которым были получены эти значения. Международная организация по стандартизации (ISO) публикует ISA как международный стандарт ISO 2533:1975. ^[1] Другие организации по стандартизации , такие как Международная организация гражданской авиации (ИКАО) и правительство США , публикуют расширения или подмножества одной и той же модели атмосферы под собственными полномочиями по разработке стандартов.

Описание [ править ]

ISA Математическая модель делит атмосферу на слои с предполагаемым линейным распределением абсолютной температуры T в зависимости от геопотенциальной высоты h . ^[2] Два других значения (давление P и плотность ρ ) вычисляются путем одновременного решения уравнений, следующих из:

вертикальный градиент давления, возникающий в результате гидростатического баланса , который связывает скорость изменения давления с геопотенциальной высотой:

{\frac {dP}{dh}}=-\rho g

, и

закон идеального газа в молярной форме, который связывает давление , плотность и температуру :

\ P=\rho R_{\rm {specific}}T

на каждой геопотенциальной высоте, где g — стандартное ускорение свободного падения , а R _{удельный} — удельная газовая постоянная для сухого воздуха (287,0528 Дж⋅кг). ⁻¹⋅K ⁻¹). Решение дается по барометрической формуле .

Плотность воздуха необходимо рассчитать, чтобы определить давление, и она используется при расчете динамического давления для движущихся транспортных средств. Динамическая вязкость является эмпирической функцией температуры, а кинематическая вязкость рассчитывается путем деления динамической вязкости на плотность.

Таким образом, стандарт состоит из таблицы значений на различных высотах, а также некоторых формул, по которым эти значения были получены. Чтобы учесть самые низкие точки на Земле , модель начинается с базовой геопотенциальной высоты 610 метров (2000 футов) ниже уровня моря , со стандартной температурой, установленной на уровне 19 °C. При скорости изменения температуры -6,5 °C (-11,7 °F) на км (примерно -2 °C (-3,6 °F) на 1000 футов) таблица интерполируется до стандартных значений среднего уровня моря 15 °C ( температура 59 ° F), давление 101 325 паскалей (14,6959 фунтов на квадратный дюйм) (1 атм ) и плотность 1,2250 килограмма на кубический метр (0,07647 фунта на кубический фут). Таблица тропосферы продолжается до высоты 11 000 метров (36 089 футов), где температура упала до -56,5 ° C (-69,7 ° F), давление до 22 632 паскаля (3,2825 фунтов на квадратный дюйм), а плотность до 0,3639 кг на кубический метр (0,02272 фунт/куб. футов). На расстоянии от 11 до 20 км температура остается постоянной. ^[3]^[4]

Слои стандартной атмосферы ISA, 1976 г.
Слой	Уровень имя	База геопотенциал высота над уровнем моря ^[5] ч (м)	База геометрический высота над уровнем моря ^[5] г (м)	Пропуск ставка (°С/км) ^[а]	База температура Т (°С[К])	База атмосферный давление р (Па)	База атмосферный плотность ρ (кг/м ³)
0	Тропосфера	0	0	-6.5	+15.0 (288.15)	101,325	1.225
1	Тропопауза	11,000	11,019	0.0	−56.5 (216.65)	22632	0.3639
2	Стратосфера	20,000	20,063	+1.0	−56.5 (216.65)	5474.9	0.0880
3	Стратосфера	32,000	32,162	+2.8	−44.5 (228.65)	868.02	0.0132
4	Стратопауза	47,000	47,350	0.0	−2.5 (270.65)	110.91	0.0014
5	Мезосфера	51,000	51,412	-2.8	−2.5 (270.65)	66.939	0.0009
6	Мезосфера	71,000	71,802	-2.0	−58.5 (214.65)	3.9564	0.0001
7	мезопауза	84,852	86,000	—	-86.204 (186.946)	0	0

^а градиент градиента указан на километр геопотенциальной высоты (положительный градиент (λ > 0) означает, что температура увеличивается с высотой)

В приведенной выше таблице геопотенциальная высота рассчитывается на основе математической модели, которая корректирует высоту с учетом изменения силы тяжести с высотой, тогда как геометрическая высота представляет собой стандартное прямое вертикальное расстояние над средним уровнем моря (MSL). ^[2]

Уравнение, связывающее две высоты: (где z — геометрическая высота , h — геопотенциальная высота и r ₀ = 6 356 766 м в этой модели):

\ z={\frac {r_{0}h}{r_{0}-h}}

Обратите внимание, что скорости отклонения, указанные в таблице, даны в °C на километр геопотенциальной высоты, а не геометрической высоты.

Модель ISA основана на средних условиях средних широт, определенных техническим комитетом ISO TC 20/SC 6. С середины 20 века он время от времени пересматривался.

Использование в нестандартных дневных условиях [ править ]

ISA моделирует гипотетический стандартный день , чтобы обеспечить воспроизводимую инженерную основу для расчета и тестирования характеристик двигателя и транспортного средства на различных высотах. Он не обеспечивает строгую метеорологическую модель реальных атмосферных условий (например, изменений барометрического давления из-за ветровых условий ). Он также не учитывает влажности влияние ; воздух предполагается сухим, чистым и постоянного состава. Эффекты влажности учитываются при анализе транспортных средств или двигателей путем добавления водяного пара к термодинамическому состоянию воздуха после получения давления и плотности из стандартной модели атмосферы.

Нестандартные (жаркие или холодные) дни моделируются путем прибавления заданной дельты температуры к стандартной температуре на высоте, но в качестве значения стандартного дня принимается давление. Плотность и вязкость пересчитываются по результирующим температуре и давлению с использованием уравнения состояния идеального газа. Профили температуры жаркого дня, холодного дня, тропического и полярного дней с учетом высоты были определены для использования в качестве эталонных характеристик, например, MIL-STD-210C Министерства обороны США и его преемник MIL-HDBK-310. ^[6]

атмосфера ИКАО Стандартная

Международная организация гражданской авиации (ИКАО) опубликовала свою «Стандартную атмосферу ИКАО» под названием Doc 7488-CD в 1993 году. Она имеет ту же модель, что и ISA, но расширяет зону действия по высоте до 80 километров (262 500 футов). ^[7]

Стандартная атмосфера ИКАО, как и ISA, не содержит водяного пара.

Некоторые из ценностей, определенных ИКАО:

**Стандартная атмосфера ИКАО**
Высота км и футов	Температура °С	Давление гПа	Скорость отклонения °C/1000 футов	Скорость отклонения C/1000 м
0 км над уровнем моря	15.0	1013.25	+1,98 (тропосфера)	+6,5 (тропосфера)
11 км 36 000 футов	−56.5	226.00	0,00 (стратосфера)	0,00 (стратосфера)
20 км 65 000 футов	−56.5	54.70	-0,3 (стратосфера)	-0,1 (стратосфера)
32 км 105 000 футов	−44.5	8.68

Авиационные стандарты и правила полетов основаны на Международной стандартной атмосфере. Индикаторы воздушной скорости калибруются исходя из предположения, что они работают на уровне моря в атмосфере международного стандарта, где плотность воздуха составляет 1,225 кг/м. ³.

Физические свойства стандартной атмосферы ИКАО: ^[8]

Физические свойства стандартной атмосферы ИКАО
Параметр	Ценить
Плотность	1,225 кг м ^-3
Кинематическая вязкость	1.4607 × 10 ^-5 м ² с ^-1
Динамическая вязкость	1.7894 × 10 ^-5 кг м ^-1 с ^-1
Молярный объем	2.3645 × 10 ^-2 м ³ моль ^-1
Молекулярная масса	28.966
Теплопроводность	2.5339 × 10 ^-2 Вт м ^-1 К ^-1
Длина свободного пробега	6.6317 × 10 ^-8 м
Частота столкновений	6.9204 × 10 ⁹ с ^-1
Скорость частицы	4.5894 × 10 ² РС ^-1
Плотность числа	2.5475 × 10 ²⁵ м ^-3

Другие стандартные атмосферы [ править ]

Стандартная атмосфера США — это набор моделей, которые определяют значения температуры, плотности, давления и других свойств атмосферы в широком диапазоне высот. Первая модель, основанная на существующем международном стандарте, была опубликована в 1958 году Комитетом США по распространению на стандартную атмосферу. ^[9] и был обновлен в 1962 году, ^[5] 1966, ^[10] и 1976 год. ^[11] Стандартная атмосфера США, Международная стандартная атмосфера и Стандартная атмосфера ВМО (Всемирной метеорологической организации) аналогичны Международной стандартной атмосфере ISO для высот до 32 км. ^[12]^[13]

NRLMSISE-00 — это новая модель земной атмосферы от земли до космоса, разработанная Исследовательской лабораторией ВМС США с учетом реальных данных о сопротивлении спутников. Основное использование этой модели – помочь в прогнозировании распада орбит спутников из-за сопротивления атмосферы . ( Международная эталонная атмосфера COSPAR CIRA) 2012 и стандарт плотности атмосферы Земли ISO 14222 рекомендуют NRLMSISE-00 для использования в составе.

JB2008 — это новая модель атмосферы Земли от 120 до 2000 км, разработанная Космическим командованием ВВС США и компанией Space Environment Technologies с учетом реалистичного солнечного излучения и временной эволюции геомагнитных бурь. ^[14]Это наиболее полезно для расчета затухания орбиты спутника из-за сопротивления атмосферы . И CIRA 2012, и ISO 14222 рекомендуют JB2008 для массовой плотности при использовании тягачей. ^{[ нужна цитата ]}

См. также [ править ]

Ссылки [ править ]

^ Международная организация по стандартизации , Стандартная атмосфера , ISO 2533:1975, 1975.
^ Перейти обратно: ^а ^б Гаятт, Грэм (14 января 2006 г.): «Стандартная атмосфера». Архивировано 10 марта 2007 г. в Wayback Machine . Математическая модель стандартной атмосферы США 1976 года.
^ Олд, диджей; Шринивас, К. (2008). «Свойства атмосферы» . Архивировано из оригинала 9 июня 2013 г. Проверено 13 марта 2008 г.
^ Бэтчелор, Г.К., Введение в гидродинамику , Кембриджский университет. Пресс, 1967.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Стандартная атмосфера США, 1962 г., типография правительства США, Вашингтон, округ Колумбия, 1962 г.
^ Mathworks atmosnonstd
^ Руководство по стандартной атмосфере ИКАО (расширено до 80 километров (262 500 футов)) (Третье изд.). Международная организация гражданской авиации . 1993. ISBN 92-9194-004-6 . Док 7488-CD.
^ Теннент, РМ (1971). Книга научных данных . Харлоу: Оливер и Бойд. п. 79. ИСБН 0050024876 .
^ Расширение США к стандартной атмосфере ИКАО, типография правительства США, Вашингтон, округ Колумбия, 1958 г.
^ Дополнения к стандартной атмосфере США, 1966 г., типография правительства США, Вашингтон, округ Колумбия, 1966 г.
^ Стандартная атмосфера США , 1976 г., типография правительства США, Вашингтон, округ Колумбия, 1976 г. (размер связанного файла - 17 МБ)
^ НАСА , «Стандартная атмосфера США 1976». Архивировано 13 мая 2006 г. в Wayback Machine.
^ Томази, К.; Витаке, В.; Де Сантис, Л.В. (1998). «Относительные оптические массовые функции воздуха, водяного пара, озона и диоксида азота в моделях атмосферы, представляющих различные широтные и сезонные условия». Метеорология и физика атмосферы . 65 (1): 11–30. Бибкод : 1998MAP....65...11T . дои : 10.1007/BF01030266 . S2CID 123129752 . ...стандартная атмосфера ISO (Международной организации по стандартизации), 1972 год. Эта модель идентична нынешним стандартным атмосферам ИКАО (Международной организации гражданской авиации) и ВМО (Всемирной метеорологической организации) до высоты 32 км.
^ JB2008

Дэвис, Марк (2003). Стандартный справочник для авиационных и астронавтических инженеров . Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. ISBN 0-07-136229-0 .
Справочные примечания НАСА JPL
ИКАО, Руководство по стандартной атмосфере ИКАО (расширено до 80 километров (262 500 футов)) , Doc 7488-CD, третье издание, 1993 г., ISBN 92-9194-004-6 .

Внешние ссылки [ править ]

[ISO_1975-1] Международная организация по стандартизации , Стандартная атмосфера , ISO 2533:1975, 1975.

[Graham_Gyatt-2] Перейти обратно: ^а ^б Гаятт, Грэм (14 января 2006 г.): «Стандартная атмосфера». Архивировано 10 марта 2007 г. в Wayback Machine . Математическая модель стандартной атмосферы США 1976 года.

[aeromech.usyd.edu.au-3] Олд, диджей; Шринивас, К. (2008). «Свойства атмосферы» . Архивировано из оригинала 9 июня 2013 г. Проверено 13 марта 2008 г.

[Batchelor_1967-4] Бэтчелор, Г.К., Введение в гидродинамику , Кембриджский университет. Пресс, 1967.

[USA_1962-5] Перейти обратно: ^а ^б ^с Стандартная атмосфера США, 1962 г., типография правительства США, Вашингтон, округ Колумбия, 1962 г.

[6] Mathworks atmosnonstd

[ICAO_1993-7] Руководство по стандартной атмосфере ИКАО (расширено до 80 километров (262 500 футов)) (Третье изд.). Международная организация гражданской авиации . 1993. ISBN 92-9194-004-6 . Док 7488-CD.

[8] Теннент, РМ (1971). Книга научных данных . Харлоу: Оливер и Бойд. п. 79. ИСБН 0050024876 .

[USA_1958-9] Расширение США к стандартной атмосфере ИКАО, типография правительства США, Вашингтон, округ Колумбия, 1958 г.

[USA_1966-10] Дополнения к стандартной атмосфере США, 1966 г., типография правительства США, Вашингтон, округ Колумбия, 1966 г.

[USA_1976-11] Стандартная атмосфера США , 1976 г., типография правительства США, Вашингтон, округ Колумбия, 1976 г. (размер связанного файла - 17 МБ)

[NASA_GSFC-12] НАСА , «Стандартная атмосфера США 1976». Архивировано 13 мая 2006 г. в Wayback Machine.

[Tomasi1998-13] Томази, К.; Витаке, В.; Де Сантис, Л.В. (1998). «Относительные оптические массовые функции воздуха, водяного пара, озона и диоксида азота в моделях атмосферы, представляющих различные широтные и сезонные условия». Метеорология и физика атмосферы . 65 (1): 11–30. Бибкод : 1998MAP....65...11T . дои : 10.1007/BF01030266 . S2CID 123129752 . ...стандартная атмосфера ISO (Международной организации по стандартизации), 1972 год. Эта модель идентична нынешним стандартным атмосферам ИКАО (Международной организации гражданской авиации) и ВМО (Всемирной метеорологической организации) до высоты 32 км.

[14] JB2008

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

v т Это ISO Стандарты по номеру стандарта
List of ISO standards – ISO romanizations – IEC standards
1–9999	1 2 3 4 6 7 9 16 17 31 -0 -1 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -11 -12 -13 68-1 128 216 217 226 228 233 259 261 262 302 306 361 500 518 519 639 -1 -2 -3 -5 -6 646 657 668 690 704 732 764 838 843 860 898 965 999 1000 1004 1007 1073-1 1073-2 1155 1413 1538 1629 1745 1989 2014 2015 2022 2033 2047 2108 2145 2146 2240 2281 2533 2709 2711 2720 2788 2848 2852 2921 3029 3103 3166 -1 -2 -3 3297 3307 3601 3602 3864 3901 3950 3977 4031 4157 4165 4217 4909 5218 5426 5427 5428 5725 5775 5776 5800 5807 5964 6166 6344 6346 6373 6385 6425 6429 6438 6523 6709 6943 7001 7002 7010 7027 7064 7098 7185 7200 7498 -1 7637 7736 7810 7811 7812 7813 7816 7942 8000 8093 8178 8217 8373 8501-1 8571 8583 8601 8613 8632 8651 8652 8691 8805/8806 8807 8820-5 8859 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -8-I -9 -10 -11 -12 -13 -14 -15 -16 8879 9000/9001 9036 9075 9126 9141 9227 9241 9293 9314 9362 9407 9496 9506 9529 9564 9592/9593 9594 9660 9797-1 9897 9899 9945 9984 9985 9995
10000–19999	10006 10007 10116 10118-3 10160 10161 10165 10179 10206 10218 10279 10303 -11 -21 -22 -28 -238 10383 10585 10589 10628 10646 10664 10746 10861 10957 10962 10967 11073 11170 11172 11179 11404 11544 11783 11784 11785 11801 11889 11898 11940 (-2) 11941 11941 (TR) 11992 12006 12052 12182 12207 12234-2 12620 13211 -1 -2 13216 13250 13399 13406-2 13450 13485 13490 13567 13568 13584 13616 13816 13818 14000 14031 14224 14289 14396 14443 14496 -2 -3 -6 -10 -11 -12 -14 -17 -20 14617 14644 14649 14651 14698 14764 14882 14971 15022 15189 15288 15291 15292 15398 15408 15444 -3 -9 15445 15438 15504 15511 15686 15693 15706 -2 15707 15897 15919 15924 15926 15926 WIP 15930 15938 16023 16262 16355-1 16485 16612-2 16750 16949 (TS) 17024 17025 17100 17203 17369 17442 17506 17799 18004 18014 18181 18245 18629 18916 19005 19011 19092 -1 -2 19114 19115 19125 19136 19407 19439 19500 19501 19502 19503 19505 19506 19507 19508 19509 19510 19600 19752 19757 19770 19775-1 19794-5 19831
20000–29999	20000 20022 20121 20400 20802 20830 21000 21001 21047 21122 21500 21827 22000 22275 22300 22301 22395 22537 23000 23003 23008 23009 23090-3 23092 23094-1 23094-2 23270 23271 23360 23941 24517 24613 24617 24707 24728 25178 25964 26000 26262 26300 26324 27000 series 27000 27001 27002 27005 27006 27729 28000 29110 29148 29199-2 29500
30000+	30170 31000 32000 37001 38500 39075 40500 42010 45001 50001 55000 56000 80000
Category