Эталонная атмосферная модель - Reference atmospheric model

Эта статья посвящена эталонным моделям атмосферы. Для прогнозов погоды и моделей климата см. атмосферная модель.

А эталонная атмосферная модель описывает, как идеальный газ свойства (а именно: давление, температура, плотность и молекулярная масса) атмосферы изменяются, прежде всего, как функция высота, а иногда и как функция широта, день года и др. статическая модель атмосферы имеет более ограниченный домен, исключая время. стандартная атмосфера определяется Всемирная метеорологическая организация как «гипотетическое вертикальное распределение атмосферной температуры, давления и плотности, которое, по международному соглашению, примерно соответствует круглогодичному, средняя широта условия."

Типичное использование как основа для высотомер калибровка, расчет летно-технических характеристик, проектирование самолетов и ракет, баллистический таблицы и метеорологические диаграммы ».^[1]

Например, Стандартная атмосфера США выводит значения температуры, давления и массовой плотности воздуха в зависимости от высоты над уровнем моря.

Другие статические модели атмосферы могут иметь другие выходные данные или зависеть от входных данных, помимо высоты.

Основные предположения

Обычно предполагается, что газ, составляющий атмосферу, является идеальный газ, то есть:

${displaystyle ho ={frac {MP}{RT}}}$

Где ρ - массовая плотность, M средняя молекулярная масса, п давление, Т это температура, и р - постоянная идеального газа.

Газ удерживается на месте так называемым "гидростатический "сил. То есть для определенного слоя газа на некоторой высоте: направленная вниз (по направлению к планете) сила его веса, направленная вниз сила, оказываемая давлением в слое над ней, и восходящая сила, оказываемая давлением в слой ниже, все суммы равны нулю. Математически это:

${displaystyle PA-(P+{ ext{d}}P)A-(ho A{ ext{d}}h)g_{0}=0,}$

${displaystyle { ext{d}}P=-g_{0}ho { ext{d}}h,}$

Наконец, эти переменные, описывающие систему, не меняются со временем; т.е. это статическая система.

g_0, ускорение свободного падения используется здесь как константа с тем же значением, что и стандартная сила тяжести (среднее ускорение свободного падения на поверхности Земли или другого большого тела). Для простоты он не зависит от широты, высоты или местоположения. Разброс из-за всех этих факторов составляет около 1% до 50 км. Более сложные модели учитывают эти вариации.

Некоторые примеры

В зависимости от модели некоторые свойства газа можно рассматривать как постоянные по отношению к высоте.

Пример океана

Если плотность газа постоянна, то на самом деле он не ведет себя как газ. Вместо этого он ведет себя как несжимаемая жидкость, или же жидкость, и эта ситуация больше похожа на океан. Предполагая, что плотность постоянна, график зависимости давления от высоты будет иметь сохраняющийся наклон, поскольку вес океана над головой прямо пропорционален его глубине.

Изотермически-баротропное приближение и масштаб высоты

Эта атмосферная модель предполагает, что молекулярная масса и температура постоянны в широком диапазоне высот. Такую модель можно назвать изотермический (постоянная температура). Подставляя постоянную молекулярную массу и постоянную температуру в уравнение для закон идеального газа приводит к тому, что плотность и давление, две оставшиеся переменные, зависят только друг от друга. По этой причине данную модель также можно назвать баротропный (плотность зависит только от давления).

Для изотермино-баротропной модели плотность и давление оказываются экспоненциальными функциями высоты. Увеличение высоты, необходимое для п или же ρ упасть до 1 /е его начального значения называется высота шкалы:

${displaystyle H={frac {RT}{Mg_{0}}}}$

куда р - постоянная идеального газа, Т это температура, M - средняя молекулярная масса, и грамм₀ - ускорение свободного падения на поверхности планеты. Используя значения Т= 273 К и M= 29 г / моль, что характерно для атмосферы Земли, ЧАС = RT/Mg = (8,315 * 273) / (29 * 9,8) = 7,99, или около 8 км, что по совпадению является приблизительной высотой Mt. Эверест.

Для изотермической атмосферы ${displaystyle (1-{frac {1}{e}})}$ или около 63% общей массы атмосферы находится между поверхностью планеты и одной высотой шкалы. (Общая масса воздуха ниже определенной высоты рассчитывается путем интегрирования по функции плотности.)

В примере с океаном произошел резкий переход плотности наверху или «поверхности» океана. Однако для атмосферы из газа нет эквивалентного резкого перехода или края. Газовая атмосфера просто становится все менее и менее плотной, пока не становится настолько тонкой, что становится космосом.

Стандартная атмосфера США

Основная статья: Стандартная атмосфера США

Модель стандартной атмосферы США начинается со многих из тех же предположений, что и изотермино-баротропная модель, включая поведение идеального газа и постоянную молекулярную массу, но отличается тем, что определяет более реалистичную температурную функцию, состоящую из восьми точек данных, соединенных прямыми линиями; т.е. области постоянного температурного градиента. (См. График.) Конечно, реальная атмосфера не имеет распределения температуры с такой точной формой. Температурная функция является приблизительной. Значения давления и плотности затем вычисляются на основе этой температурной функции, а постоянные градиенты температуры помогают упростить некоторые математические вычисления.

Глобальная эталонная атмосферная модель НАСА

Глобальная эталонная модель атмосферы Земли НАСА (Earth-GRAM) была разработана Центр космических полетов Маршалла для обеспечения расчетной эталонной атмосферы, которая, в отличие от стандартной атмосферы, допускает географическую изменчивость, широкий диапазон высот (от поверхности до орбитальной высоты), а также разные месяцы и время суток. Он также может моделировать пространственные и временные возмущения атмосферных параметров из-за турбулентности и других явлений атмосферных возмущений. Это доступно^[2] в компьютерном коде, написанном на Фортран.^[3] Серия GRAM также включает атмосферные модели для планет. Венера, Марс и Нептун и Сатурнианский Луна, Титан.^[4]

Геопотенциальная высота

Основная статья: Геопотенциальная высота

Гравитационное ускорение, грамм(z), уменьшается с высотой, так как движение вверх означает удаление от центра планеты.

${displaystyle g(z)={frac {Gm_{e}}{(r_{e}+z)^{2}}}}$

Эта проблема уменьшения грамм можно решить, задав преобразование реальной геометрической высоты z к абстракции под названием "геопотенциальная высота" час, определенный:

${displaystyle h={frac {r_{e}z}{r_{e}+z}}}$

час имеет свойство

${displaystyle {frac {}{}}g(z)dz=g_{0}dh}$ куда ${displaystyle g_{0}=g(0)={frac {Gm_{e}}{{r_{e}}^{2}}}}$

Что в основном говорит об объеме работы, проделанной для подъема тестовой массы. м на высоту z через атмосферу, в которой сила тяжести уменьшается с высотой, равно количеству проделанной работы по поднятию той же массы на высоту. час через атмосферу, где грамм волшебным образом остается равным g0, его значение на уровне моря.

Эта геопотенциальная высота час затем используется вместо геометрической высоты z в уравнениях гидростатики.

Общие модели

• В Стандартная атмосфера США одна из самых распространенных моделей
• В Международная стандартная атмосфера родственный международный стандарт
• Стандартная атмосфера Jet
• NRLMSISE-00 это последняя модель от NRL часто используется в атмосферных науках
• В Эталонная атмосфера Жакки старая модель, которая до сих пор широко используется в динамике космических аппаратов.

Смотрите также

• Стандартные условия по температуре и давлению
• Верхние атмосферные модели

Рекомендации

1. Национальное управление океанических и атмосферных исследований; Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства; ВВС США (Октябрь 1976 г.), Стандартная атмосфера США, 1976 г. (PDF), Вашингтон, округ Колумбия: Правительственная типография США, стр. xiv
2. «Глобальная эталонная модель атмосферы Земли (График Земли) 2010», Каталог программного обеспечения 2015–2016 гг., НАСА - Программа передачи технологий, получено 16 августа 2016
3. Лесли, F.W .; Юстус, К. (Июнь 2011 г.), Глобальная эталонная модель атмосферы Земли Центра космических полетов им. Маршалла НАСА - версия 2010 г. (PDF), NASA / TM — 2011–216467, Центр космических полетов Маршалла, Алабама: Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, получено 15 августа 2016
4. Justh, Hilary L .; Justus, C.G .; Келлер, Вернон В. (2006), "Глобальные эталонные модели атмосферы, включая термосферы, для Марса, Венеры и Земли", Конференция специалистов по астродинамике AIAA / AAS; 21–24 августа 2006 г .; Keystone, CO; Соединенные Штаты, Дои:10.2514/6.2006-6394, HDL:2060/20060048492

Внешняя ссылка

• Public Domain Aeronautical Software - Вывод уравнений гидростатики, используемых в Стандартной атмосфере США 1976 г.
• Код FORTRAN для расчета стандартной атмосферы США
• Обзор моделей атмосферы NASA GSFC
• Различные модели на NASA GSFC ModelWeb
• Глобальная эталонная модель атмосферы Земли (Earth-GRAM 2010)