國際標準大氣
國際標準大氣( ISA ) 是一個靜止大氣模型，用於描述地球大氣的壓力、溫度、密度和粘度如何在廣泛的高度範圍內變化。它的建立是為了提供大氣溫度和壓力的通用參考。模型由不同高度的數值表以及導出這些值的公式組成。國際標準化組織(ISO) 將國際標準大氣作為國際標準發布，即 ISO 2533:1975。 [1]其他標準組織，例如國際民用航空組織(ICAO) 和美國政府，在其自己的標準制定機構下發布相同大氣模型的擴展或子集。
描述
[編輯]國際標準大氣數學模型將大氣劃分為多個層，假設每一層中絕對溫度T與位勢高度h呈線性變化。 [2]其他兩個值（壓力P和密度ρ ）通過同時求解以下方程得到：
- 由流體靜力平衡產生的垂直壓力梯度，它與壓力變化率與位勢高度相關：
- ， 和
在每個位勢高度，其中g是標準重力加速度， R specific是乾燥空氣的比氣體常數(287.058J⋅kg -1 ⋅K -1 )。
這樣就可以解出每個高度的大氣密度和壓強，動力粘度是溫度的經驗函數，運動粘度是通過將動力粘度除以密度來計算的。
綜上，該標準包括一個不同海拔高度的大氣參數列表，及其推導公式。為了適應低地，模型從低於海平面610米，標準溫度設置為 19 攝氏度。溫度遞減率為-6.5°C每公里（大約 -2°C每 1,000ft)，到標準平均海平面溫度15 °C（59 °F）， 壓強101,325帕斯卡（14.6959磅力每平方英寸）(1 atm ) 壓力，密度為1.225千克每立方米 。對流層向上延續到11公里（36089ft）高, 溫度降至−56.5 °C（−69.7 °F） ，氣壓為22,632帕斯卡（3.2825磅力每平方英寸）, 密度為0.3639千克每立方米 。 高度從11 公里到20 公里之間，大氣溫度保持不變。 [3] [4]
| 層 | 名稱 | 層底位勢高度 h(m) |
層底幾何高度 z(m) |
氣溫遞減率 λ(°C/km) |
層底溫度 T（°C） |
層底氣壓 P(Pa) |
層底大氣密度 ρ (kg/m3) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 對流層 | -610 | -611 | +6.5 | +19.0 | 108,900 (1.075 大氣壓) | 1.2985 |
| 1 | 對流層頂 | 11,000 | 11,019 | 0.0 | −56.5 | 22,632 | 0.3639 |
| 2 | 平流層 | 20,000 | 20,063 | -1.0 | −56.5 | 5474.9 | 0.0880 |
| 3 | 平流層 | 32,000 | 32,162 | -2.8 | −44.5 | 868.02 | 0.0132 |
| 4 | 平流層頂 | 47,000 | 47,350 | 0.0 | -2.5 | 110.91 | 0.0020 |
| 5 | 中間層 | 51,000 | 51,413 | +2.8 | -2.5 | 66.939 | |
| 6 | 中間層 | 71,000 | 71,802 | +2.0 | −58.5 | 3.9564 | |
| 7 | 中間層頂 | 84,852 | 86,000 | — | −86.28 | 0.3734 |
- 氣溫遞減率λ是每千米位勢高度氣溫的降低數值。
上表中，位勢高度是考慮了重力隨高度變化計算得出的，而幾何高度是平均海平面以上的垂直距離（MSL）。 [2]請注意，上表中氣溫遞減率λ以位勢高度給出，而不是幾何高度。
國際標準大氣模型基於國際標準化組織的 TC 20/SC 6 技術會議確定的中緯度地區的平均條件。該條件20 世紀中葉以來，進行過數次修訂。
非標準條件
[編輯]標準大氣模型假設了一個標準狀況，來為計算和測試不同海拔高度的發動機和載具性能提供可重複的工程參考。該模型不提供實際大氣條件的嚴格氣象模型（例如，由於風條件引起的氣壓變化）。它也沒有考慮濕度影響。空氣被假定為乾燥、清潔且化學成分恆定。在從標準大氣模型獲得大氣狀態後，通過在干空氣中添加水蒸氣，就得到了考慮濕度的接近真實的模型。
非標準（熱或冷）條件是通過將指定的溫度偏移量添加到標準溫度來模擬的，但將壓力採用標準值。使用理想氣體狀態方程在新的溫度和壓力下重新計算密度和粘度。熱天、冷天、熱帶和極地溫度曲線已被定義為用作性能參考，例如美國國防部MIL-STD-210C 及其後繼 MIL-HDBK-310。 [5]
國際民航標準大氣
[編輯]國際民用航空組織 (ICAO) 於 1993 年以 Doc 7488-CD 號文件發布了的「ICAO 標準大氣」。它具有與國際標準大氣的模型是相同的，但將高度覆蓋範圍擴展到 80 公里（262,500 英尺）。 [6]
國際民航組織標準大氣與 ISA 一樣，不含水蒸氣。
航空標準和飛行規則以國際標準大氣為基礎。空速指示器的校準假設它們在國際標準大氣的海平面上運行，空氣密度為 1.225 公斤/米3 。
參考
[編輯]- ^ International Organization for Standardization, Standard Atmosphere （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, ISO 2533:1975, 1975.
- ^ 2.0 2.1 Gyatt, Graham (2006-01-14): "The Standard Atmosphere" 網際網路檔案館的存檔，存檔日期2007-03-10.. A mathematical model of the 1976 U.S. Standard Atmosphere.
- ^ Auld, D.J. Properties of the Atmosphere. 2008 [2008-03-13]. （原始內容存檔於2013-06-09）.
- ^ Batchelor, G. K., An Introduction to Fluid Dynamics, Cambridge Univ. Press, 1967.
- ^ Mathworks atmosnonstd. [2022-06-08]. （原始內容存檔於2021-05-13）.
- ^ Manual of the ICAO Standard Atmosphere (extended to 80 kilometres (262 500 feet)) Third. International Civil Aviation Organization. 1993. ISBN 92-9194-004-6. Doc 7488-CD.
- Davies, Mark. The Standard Handbook for Aeronautical and Astronautical Engineers. New York: McGraw-Hill. 2003. ISBN 0-07-136229-0.
- NASA JPL Reference Notes
- ICAO, Manual of the ICAO Standard Atmosphere (extended to 80 kilometres (262 500 feet)), Doc 7488-CD, Third Edition, 1993, ISBN 92-9194-004-6.
- ICAO. ICAO标准大气手册（英法俄西） (PDF). ICAO. 1994 [2021-05-07] （英法俄西）.