Стандартная атмосфера — это условная модель вертикального распределения основных метеорологических параметров атмосферы (давления, температуры, плотности и других) с высотой, принятая за основу в расчетах, измерениях, калибровках приборов и проектировании летательных аппаратов. Она не отражает конкретные метеорологические условия в заданный момент времени, а представляет собой усредненное состояние атмосферы, характерное для умеренных широт в определённых условиях (обычно при отсутствии активных атмосферных возмущений и в средних широтах северного полушария).
Международная организация гражданской авиации (ICAO) приняла Международную стандартную атмосферу (International Standard Atmosphere, ISA), параметры которой служат эталоном для авиации, метеорологии и смежных дисциплин.
Основные допущения:
Стандартная атмосфера разделена на вертикальные слои, в каждом из которых температурный градиент либо постоянен, либо равен нулю. Это позволяет аналитически выразить зависимости давления и плотности от высоты.
Основные слои МСА:
| Слой | Высотный диапазон (км) | Темп. градиент (K/km) | Особенности |
|---|---|---|---|
| Тропосфера | 0 – 11 | –6,5 | Падение температуры с высотой |
| Тропопауза | 11 – 20 | 0 | Изотермия |
| Стратосфера (1) | 20 – 32 | +1,0 | Увеличение температуры |
| Стратосфера (2) | 32 – 47 | +2,8 | Более резкое нагревание |
| Стратопауза | 47 – 51 | 0 | Изотермия |
| Мезосфера (1) | 51 – 71 | –2,8 | Падение температуры |
| Мезосфера (2) | 71 – 84,852 | –2,0 | Дальнейшее охлаждение |
Зависимость давления от высоты определяется из уравнения гидростатического равновесия и уравнения состояния идеального газа:
$$ \frac{dp}{dz} = -\rho g \qquad \text{и} \qquad p = \rho R_s T, $$
где $R_s = \frac{R}{M}$ — удельная газовая постоянная для воздуха.
Для случая линейного изменения температуры с высотой (градиент Γ ≠ 0):
$$ p(z) = p_0 \left(1 + \frac{\Gamma z}{T_0} \right)^{-\frac{g_0 M}{R \Gamma}}, $$
T(z) = T0 + Γz,
$$ \rho(z) = \frac{p(z) M}{R T(z)}. $$
При изотермическом слое (Γ = 0):
$$ p(z) = p_0 \exp\left( -\frac{M g_0 (z - z_0)}{R T_0} \right), $$
$$ \rho(z) = \rho_0 \exp\left( -\frac{M g_0 (z - z_0)}{R T_0} \right). $$
1. Авиация и космонавтика Все летательные аппараты (от гражданских самолётов до ракет) проектируются и испытываются с учётом условий стандартной атмосферы. Это обеспечивает воспроизводимость и сопоставимость аэродинамических характеристик. Атмосферное давление, плотность и температура определяют подъемную силу, сопротивление и характеристики двигателей.
2. Калибровка приборов Барометры, альтиметры, анемометры и другие метеорологические приборы калибруются на основе параметров стандартной атмосферы, чтобы устранить влияние временных флуктуаций и обеспечить точные измерения.
3. Метеорология и климатология Стандартная атмосфера служит эталонной моделью для оценки отклонений реального состояния атмосферы, выявления аномалий, расчёта индексов устойчивости и анализа баланса энергии.
4. Научные и учебные цели В теоретических исследованиях и образовательных материалах параметры стандартной атмосферы позволяют сформировать базовое понимание термодинамики, динамики и радиационного баланса атмосферы.
Помимо ICAO, существуют другие стандарты:
Эти модели учитывают более сложные физические процессы, включая тепловое излучение, перемешивание и фотохимические реакции в верхней атмосфере.
Хотя стандартная атмосфера — мощный инструмент, она не отражает:
Следовательно, для оперативного прогноза и анализа конкретных атмосферных условий необходимы реальные метеонаблюдения и численные модели атмосферы, такие как GFS, ECMWF и др.
| Высота (км) | Температура (K) | Давление (Па) | Плотность (кг/м³) |
|---|---|---|---|
| 0 | 288,15 | 101325 | 1,225 |
| 5 | 255,65 | 54019 | 0,736 |
| 10 | 223,15 | 26436 | 0,413 |
| 11 | 216,65 | 22632 | 0,364 |
| 20 | 216,65 | 5475 | 0,0889 |
| 32 | 228,65 | 868 | 0,0132 |
| 47 | 270,65 | 110 | 0,00143 |
Стандартная атмосфера остаётся ключевым понятием в атмосферной физике и инженерии. Она служит базой, на которой строятся более сложные представления о динамике, термодинамике и химии реальной атмосферы.