Введение
эталонные атмосферные модели Эталонная атмосферная модель описывает, как изменяются свойства идеального газа (например, давление, температура, плотность и молекулярная масса) атмосферы, в первую очередь в зависимости от высоты, а иногда и от широты, дня года и т. д. Статическая модель атмосферы имеет более ограниченную область, исключая время. Стандартная атмосфера определяется Всемирной метеорологической организацией как "гипотетическое вертикальное распределение атмосферной температуры, давления и плотности, которое, по международному соглашению, примерно соответствует условиям средних широт круглый год". Обычно используется в качестве основы для калибровки высотомера давления, расчетов производительности самолета, проектирования самолета и ракеты, баллистических таблиц и метеорологических диаграмм". Например, стандартная атмосфера США получает значения температуры воздуха, давления и плотности массы в зависимости от высоты над уровнем моря. Другие статические атмосферные модели могут иметь другие выходы или зависеть от входов, кроме высоты.
A reference atmospheric model describes how the ideal gas properties (namely: pressure, temperature, density, and molecular weight) of an atmosphere change, primarily as a function of altitude, and sometimes also as a function of latitude, day of year, etc. A static atmospheric model has a more limited domain, excluding time. A standard atmosphere is defined by the World Meteorological Organization as "a hypothetical vertical distribution of atmospheric temperature, pressure and density which, by international agreement, is roughly representative of year round, midlatitude conditions." Typical usages are as a basis for pressure altimeter calibrations, aircraft performance calculations, aircraft and rocket design, ballistic tables, and meteorological diagrams." For example, the U. S. Standard Atmosphere derives the values for air temperature, pressure, and mass density, as a function of altitude above sea level. Other static atmospheric models may have other outputs, or depend on inputs besides altitude.
Некоторые примеры
В зависимости от модели, некоторые свойства газа могут рассматриваться как постоянные по отношению к высоте.
Пример океана
Если плотность газа постоянна, то он не ведет себя как газ. Вместо этого она ведет себя как несжимаемая жидкость, и эта ситуация больше похожа на океан. Предполагая, что плотность постоянна, то график давления против высоты будет иметь удерживаемый наклон, поскольку вес океана над головой прямо пропорционален его глубине.
Изотермально-баротропная приближенность и высота шкалы
Эта модель атмосферы предполагает, что молекулярная масса и температура постоянны в широком диапазоне высоты. Такую модель можно назвать изотермической (постоянная температура). Вставка постоянного молекулярного веса и постоянной температуры в уравнение для закона идеального газа приводит к результату, что плотность и давление, две оставшиеся переменные, зависят только друг от друга. По этой причине эту модель можно также назвать баротропной (плотность зависит только от давления). Для изотермической баротропной модели плотность и давление оказываются экспоненциальными функциями высоты. Увеличение высоты, необходимое для того, чтобы P или ρ упали до 1/e от его начального значения, называется высотой шкалы: где R - постоянная идеального газа, T - температура, M - средняя молекулярная масса, а g0 - гравитационное ускорение на поверхности планеты. Используя значения T=273 K и M=29 g/mol как характеристику атмосферы Земли, H = RT/Mg = (8.315*273)/(29*9.8) = 7.99, или около 8 км, что, по совпадению, приблизительная высота Mt. Эверест. Для изотопной атмосферы, или около 63% от общей массы атмосферы существует между поверхностью планеты и одной высоты шкалы. (Общая масса воздуха ниже определенной высоты рассчитывается путем интеграции по функции плотности.) В океане наблюдается резкий переход в плотности на вершине или "поверхности" океана. Однако для атмосфер, состоящих из газа, нет эквивалентного резкого перехода или края. Газовые атмосферы становятся все менее и менее плотными, пока не становятся настолько тонкими, что становятся пространством.
where R is the ideal gas constant, T is temperature, M is average molecular weight, and g0 is the gravitational acceleration at the planet's surface. Using the values T=273 K and M=29 g/mol as characteristic of the Earth's atmosphere, H = RT/Mg = (8.315*273)/(29*9.8) = 7.99, or about 8 km, which coincidentally is approximate height of Mt. Everest. For an isothermal atmosphere, or about 63% of the total mass of the atmosphere exists between the planet's surface and one scale height. (The total air mass below a certain altitude is calculated by integrating over the density function.) For the ocean example there was a sharp transition in density at the top or "surface" of the ocean. However, for atmospheres made of gas there is no equivalent sharp transition or edge. Gas atmospheres simply get less and less dense until they're so thin that they're space.
Стандартная атмосфера США
Стандартная модель атмосферы США начинается с многих из тех же допущений, что и изотермальная баротропная модель, включая поведение идеального газа и постоянный молекулярный вес, но она отличается определением более реалистичной температурной функции, состоящей из восьми точек данных, соединенных прямыми линиями; то есть регионы постоянного градиента температуры. (Смотрите график.) Конечно, в реальной атмосфере нет распределения температуры с такой точной формой. Функция температуры является приблизительной. Значения давления и плотности затем рассчитываются на основе этой температурной функции, а постоянные температурные градиенты помогают облегчить некоторые математические вычисления.
Глобальная референсная атмосферная модель НАСА
Глобальная референтная атмосферная модель Земли (Earth GRAM) НАСА была разработана Центром космических полетов Маршалла для обеспечения проектной референтной атмосферы, которая, в отличие от стандартных атмосфер, позволяет географическую изменчивость, широкий диапазон высот (от поверхности до орбитальных высот) и различные месяцы и время суток. Он также может моделировать пространственные и временные возмущения в атмосферных параметрах из-за турбулентности и других явлений атмосферных возмущений. Он доступен в компьютерном коде, написанном на Фортре. В серию GRAM также включены атмосферные модели планет Венера, Марса и Нептуна и спутника Сатурна Титана.