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Dieser Artikel behandelt die normierte Atmosphäre in der Luftfahrt Für normierte Werte von Druck und Temperatur in der W
Standardatmosphäre
Die Normatmosphäre, Normalatmosphäre oder Standardatmosphäre ist ein Begriff aus der Luftfahrt und bezeichnet idealisierte Eigenschaften der Erdatmosphäre.
Die Internationale Standardatmosphäre (engl. International Standard Atmosphere, ISA) ist von der International Civil Aviation Organization (ICAO) definiert worden. Sie stellt eine Atmosphäre dar, bei der die Größen Luftdruck, Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit sowie Temperaturabnahme je 100 m Höhenstufe Werte haben, die ungefähr gleich den auf der Erde herrschenden Mittelwerten sind. Damit entspricht die internationale Standardatmosphäre etwa den in mittleren Breiten von 40° nördlicher Breite herrschenden Druck- und Temperaturverhältnissen (15 °C und 1013,25 hPa = 1 atm). Beabsichtigt ist die Schaffung einer international einheitlichen Bezugsgröße und nicht die genaue Beschreibung der aktuellen, lokalen Atmosphäre. Die internationale Standardatmosphäre entspricht bis 20 km Höhe der US-Standardatmosphäre 1976.
Zuvor wurde ein Standard verwendet, der als Internationale Normatmosphäre bekannt war. In Deutschland gab es zudem die DIN-5450-Normatmosphäre, 1975 wurde die Normatmosphäre in der DIN ISO 2533 festgelegt. Dies ergibt ein gut vorstellbares allerdings reines Strahlengrundmodell der Einstrahlung. Je nach Einstrahlungsart wie VHUV, UVC, UVA, UVB und VLUV und gewissem IR - Anteil, kann man in einem Polynom den Einstrahlungsverlauf zusätzlich leicht nach oben oder nach unten jeweils präzise modelliert verschieben. Derzeitige Diagramm – Algorithmen zum visuellen Vergleich der Einstrahlungsart werden derzeit physikalisch sinnvoll angewendet, und je nach UV – Art hierdurch sehr gut darstellbar gemacht. Es soll vor allem das Grundmodell hier gut veranschaulicht werden. Der Temperaturverlauf entlang des Temperatur – Gradienten, wie unter linearer Interpolation gut veranschaulicht, läuft in entgegengesetzte Richtung der Einstrahlung und lässt sich anhand einer ideal gemittelten Temperatur – Gerade bereits recht trefflich charakterisieren. Hinzu kommen noch feinabgestimmte zusätzliche Einflussgrößen der bekannten Atmosphärenschichten selber. Darüber hinaus werden wichtige Eigenparameter und zusätzlicher wichtiger Einflussgrößen, wie Luftdruck, und zusätzlich noch vorherrschende Dampfsättigung und Luftfeuchtigkeit berücksichtigt. Diese ergeben ein erweitert modellierbares, leicht s-förmiges Sättigungskurvenprofil bei der Temperaturgeraden, gemäß der jeweiligen vorherrschenden Atmosphärenschichten zum Weltraum hin sich räumlich ausbreitend. Zusätzlich am Endpunkt messbar ist ein terminal vortrefflich extrapolierbares räumliches IR - Rückstrahlungsprofil in den Weltraum, welches hierbei gleichsinnig entlang des vorherrschenden Temperaturgradienten bis 0 Kelvin verläuft; siehe hierzu die Mess-Ergebnisse bekannter Wettersatellitenbilder. Die teilweise reflektierte einfallende Infrarotstrahlung in der äußeren Atmosphäre würde deutlich zu hohe verfälschte IR - Strahlenwerte am ionisierten Messort ergeben die von der Erde kommen. Man verschiebt deshalb die angelegte Gerade bei den gemessenen Strahlenwerten nach li. auf der Durchschnittseinfallskurve als Temperaturaustrittsgerade angelegt. Das entspricht etwa 40 Einheiten der gemessenen Strahlenwerte, auf der gewohnten Skala verschiedener gemittelter UV Strahlen. Auch wenn die verschobene Gerade die Temperaturskala unten zufällig schneidet, handelt sich es letztlich um Strahleneinfallswerte die hierbei korrigiert werden. Um diese Korrektur zu umgehen, wurde eine idealisierte IR-Strahleneinfallskurve beispielhaft verwendet, welche eine annähernd entsprechende lineare Interpolation der entgegengesetzt atmosphärisch in das Weltall abgegebenen Temperaturwerte entspricht. Bei dem Diagramm liegt aber möglicherweise ein Beschriftungsfehler vor. Es muss mit Strahlung orange und Temperatur blau beschriftet sein. Die Die Druckerzeugung in Gasen über die Schwerkraft bezieht sich hierbei auf die Gesamtmolmasse, die sich in der Atmosphäre bereits befindet. P* V ist bei gleicher Temperatur meist konstant.
Anwendung
Luftfahrt
Die definierten Eigenschaften werden z. B. benötigt, um bei einem Triebwerkslauf in einem Teststand die Leistungswerte auf einen neutralen Standard zu korrigieren und eine Aussage darüber treffen zu können, ob dieses Triebwerk ausreichend Schub produziert, um ein Flugzeug auf der Startbahn ausreichend zu beschleunigen.
Die Verwendung einer Normatmosphäre ist notwendig, um Leistungsdaten von Fluggeräten, Triebwerken und Raketen zu berechnen. Außerdem dient sie zum Kalibrieren von Druckmessgeräten wie Höhen- und Geschwindigkeitsmesser.
Für diese gelten auf mittlerem Meeresniveau folgende Bedingungen:
| Parameter | metrisch | angloamerikanisch | |
|---|---|---|---|
| Feuchtigkeit / H2O | 0 rel. % | ||
| Druck p0 | 1013,25 hPa | 29,92 inHg | Physikalische Atmosphäre |
| Dichte ρ0 | 1,225 kg/m3 | 0,002378 slug/ft3 | |
| Temperatur T0 | 15 °C / 288,15 K | 59 °F / 518,67 °R | |
| Schallgeschwindigkeit a0 | 340 m/s | 1116,4 ft/s | |
| Gravitation | 9,80665 m/s2 | 32,174 ft/s2 | Normfallbeschleunigung |
Zudem ist auch die Einteilung der Atmosphäre beschrieben. Hierbei gilt:
- Der Temperaturgradient von Meereshöhe bis zur Tropopause beträgt −6,5 K/1.000 m (−3,564 °F/1.000 ft).
- Die Tropopause befindet sich auf einer Höhe von 11.000 m (36.089 ft).
- In der Stratosphäre herrscht eine konstante Temperatur von −56,5 °C (216,65 K; −69,7 °F).
Die Temperatur in einer Höhe unterhalb der Tropopause lässt sich mit folgender Formel berechnen:
Metrisches System:
Imperiales System:
Die Einheit der Höhe (Meter bzw. Fuß) kürzt sich mit der Längeneinheit des Temperaturgradienten oder ergibt einen zusätzlichen Umrechnungsfaktor.
Terrestrische Refraktion
Ähnliche Modelle
US-Standardatmosphäre 1976
Die ICAO (International Civil Aviation Organization) hat 1976 mit ICAO-Dokument 7488 für die Luftfahrt eine allgemein gültige und verbindliche Normatmosphäre definiert. Diese ersetzt eine Vorläuferversion von 1962. Als einheitliche Bedingungen auf Meereshöhe, die einem mittleren Niveau gemäßigter Breiten entsprechen, werden definiert:
- Temperatur T0: 288,15 K (entspricht 15 °C)
- Luftdruck p0: 1013,25 hPa
Der Temperaturverlauf mit der Höhe wird gemäß folgender Tabelle definiert, wobei zwischen den explizit definierten Ebenen linear interpoliert wird. Die oberste Ebene ist zugleich die Obergrenze dieses Modells.
| geopot. Höhe h in m | geometr. Höhe z in m | Temperatur T in °C | Luftdruck p in Pa |
|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 15 | 101.325 |
| 11.000 | 11.019 | −56,5 | 22.632 |
| 20.000 | 20.063 | −56,5 | 5.474,9 |
| 32.000 | 32.162 | −44,5 | 868,02 |
| 47.000 | 47.350 | −2,5 | 110,91 |
| 51.000 | 51.413 | −2,5 | 66,939 |
| 71.000 | 71.802 | −58,5 | 3,9564 |
| 84.852 | 86.000 | −86,2 | 0,3734 |
Außerdem werden u. a. folgende Werte als Konstanten definiert:
- Erdbeschleunigung g0: 9,80665 m/s² (Normfallbeschleunigung, entspricht in etwa dem realen Wert auf 45° geographischer Breite in Meereshöhe)
- Erdradius RErde: 6 356 766 m (kleiner als der wahre mittlere Erdradius, um bei der Umrechnung von geopotentiellen in geometrische Höhen die – infolge der Zentrifugalkraft der rotierenden gegenüber einer ruhenden Erde – etwas steilere Abnahme der Erdbeschleunigung zu berücksichtigen)
- Molare Masse M der Luft: 28,9644 g/mol (die Standardatmosphäre enthält keinen Wasserdampf)
- Universelle Gaskonstante R*: 8,31432 J/(mol·K)
Die Luftdichte auf Meereshöhe errechnet sich daraus zu 1,225 kg/m³.
Es wird angenommen, dass die Luft bestimmte Gesetzmäßigkeiten in idealer Weise erfüllt, insbesondere die allgemeine Gasgleichung. Damit lässt sich der höhenabhängige Luftdruck berechnen. Für die unterste Schicht erhält man so die internationale barometrische Höhenformel. Für Schichten mit linearem Temperaturverlauf ergibt sich die Barometrische Höhenformel mit linearem Temperaturverlauf.
Die Standardatmosphäre arbeitet mit Standarddruckflächen der geopotentiellen Höhen, nachdem die Erdbeschleunigung als höhenunabhängig angenommen wird: . In niedrigen Höhen stimmen diese mit den sonst üblichen geometrischen Höhen ziemlich gut überein, aber in größeren Höhen muss man für höhere Genauigkeit anstelle der geometrischen Höhe z die geopotentielle Höhe h einsetzen, die dem o. g. homogen gedachten Gravitationsfeld entspricht. Die Beziehung zwischen beiden Höhen ist gegeben durch:
Jacchia-Referenzatmosphäre
Die besonders in der Raumfahrt verwendete Jacchia-Referenzatmosphäre beschreibt ein Atmosphärenmodell, das für Höhen von 90 bis 2.500 km Atmosphärenwerte wie Temperatur, Dichte, Druck und weitere definiert. Im Unterschied zur Internationalen Standardatmosphäre werden zusätzlich unterschiedliche Werte in Abhängigkeit von Breitengrad und Jahreszeit sowie geomagnetische und solare Effekte berücksichtigt. Als Ergänzung muss für niedrigere Höhen ein weiteres Atmosphärenmodell hinzugezogen werden.
Das Jacchia-Referenzatmosphären-Modell wurde erstmals 1970 von Luigi Giuseppe Jacchia veröffentlicht und 1971 sowie 1977 aktualisiert. Es basiert auf Luftwiderstandsmessdaten von Raumflügen.
NRLMSISE-00-Modell
Das neuere -Modell aus dem Jahr 2000 bietet Referenzwerte für Höhen von der Erdoberfläche bis in den Weltraum.
Siehe auch
- Normalbedingungen
Einzelnachweise
- ICAO-Originaldokument 7488, 3. Auflage von 1993 (bis 80 km Höhe) (Seite nicht mehr abrufbar, festgestellt im März 2019. Suche in Webarchiven)
- ICAO-Standardatmosphäre 1976 (Seite nicht mehr abrufbar, festgestellt im Mai 2019. Suche in Webarchiven) Info: Der Link wurde automatisch als defekt markiert. Bitte prüfe den Link gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis. (PDF; 89 kB)Archivierte Kopie ( des vom 16. September 2012 im Internet Archive) Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis. (PDF; 480 kB)
Weblinks
- Definition der US-Standardatmosphäre 1976
- U.S. Standard Atmosphere (englisch)
- Standardatmosphärenrechner (online)
Autor: www.NiNa.Az
Veröffentlichungsdatum:
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Dieser Artikel behandelt die normierte Atmosphare in der Luftfahrt Fur normierte Werte von Druck und Temperatur in der Wissenschaft siehe Standardbedingungen fur den normierten Luftdruck siehe physikalische Atmosphare Die Normatmosphare Normalatmosphare oder Standardatmosphare ist ein Begriff aus der Luftfahrt und bezeichnet idealisierte Eigenschaften der Erdatmosphare Die Internationale Standardatmosphare engl International Standard Atmosphere ISA ist von der International Civil Aviation Organization ICAO definiert worden Sie stellt eine Atmosphare dar bei der die Grossen Luftdruck Lufttemperatur Luftfeuchtigkeit sowie Temperaturabnahme je 100 m Hohenstufe Werte haben die ungefahr gleich den auf der Erde herrschenden Mittelwerten sind Damit entspricht die internationale Standardatmosphare etwa den in mittleren Breiten von 40 nordlicher Breite herrschenden Druck und Temperaturverhaltnissen 15 C und 1013 25 hPa 1 atm Beabsichtigt ist die Schaffung einer international einheitlichen Bezugsgrosse und nicht die genaue Beschreibung der aktuellen lokalen Atmosphare Die internationale Standardatmosphare entspricht bis 20 km Hohe der US Standardatmosphare 1976 Zuvor wurde ein Standard verwendet der als Internationale Normatmosphare bekannt war In Deutschland gab es zudem die DIN 5450 Normatmosphare 1975 wurde die Normatmosphare in der DIN ISO 2533 festgelegt Dies ergibt ein gut vorstellbares allerdings reines Strahlengrundmodell der Einstrahlung Je nach Einstrahlungsart wie VHUV UVC UVA UVB und VLUV und gewissem IR Anteil kann man in einem Polynom den Einstrahlungsverlauf zusatzlich leicht nach oben oder nach unten jeweils prazise modelliert verschieben Derzeitige Diagramm Algorithmen zum visuellen Vergleich der Einstrahlungsart werden derzeit physikalisch sinnvoll angewendet und je nach UV Art hierdurch sehr gut darstellbar gemacht Es soll vor allem das Grundmodell hier gut veranschaulicht werden Der Temperaturverlauf entlang des Temperatur Gradienten wie unter linearer Interpolation gut veranschaulicht lauft in entgegengesetzte Richtung der Einstrahlung und lasst sich anhand einer ideal gemittelten Temperatur Gerade bereits recht trefflich charakterisieren Hinzu kommen noch feinabgestimmte zusatzliche Einflussgrossen der bekannten Atmospharenschichten selber Daruber hinaus werden wichtige Eigenparameter und zusatzlicher wichtiger Einflussgrossen wie Luftdruck und zusatzlich noch vorherrschende Dampfsattigung und Luftfeuchtigkeit berucksichtigt Diese ergeben ein erweitert modellierbares leicht s formiges Sattigungskurvenprofil bei der Temperaturgeraden gemass der jeweiligen vorherrschenden Atmospharenschichten zum Weltraum hin sich raumlich ausbreitend Zusatzlich am Endpunkt messbar ist ein terminal vortrefflich extrapolierbares raumliches IR Ruckstrahlungsprofil in den Weltraum welches hierbei gleichsinnig entlang des vorherrschenden Temperaturgradienten bis 0 Kelvin verlauft siehe hierzu die Mess Ergebnisse bekannter Wettersatellitenbilder Die teilweise reflektierte einfallende Infrarotstrahlung in der ausseren Atmosphare wurde deutlich zu hohe verfalschte IR Strahlenwerte am ionisierten Messort ergeben die von der Erde kommen Man verschiebt deshalb die angelegte Gerade bei den gemessenen Strahlenwerten nach li auf der Durchschnittseinfallskurve als Temperaturaustrittsgerade angelegt Das entspricht etwa 40 Einheiten der gemessenen Strahlenwerte auf der gewohnten Skala verschiedener gemittelter UV Strahlen Auch wenn die verschobene Gerade die Temperaturskala unten zufallig schneidet handelt sich es letztlich um Strahleneinfallswerte die hierbei korrigiert werden Um diese Korrektur zu umgehen wurde eine idealisierte IR Strahleneinfallskurve beispielhaft verwendet welche eine annahernd entsprechende lineare Interpolation der entgegengesetzt atmospharisch in das Weltall abgegebenen Temperaturwerte entspricht Bei dem Diagramm liegt aber moglicherweise ein Beschriftungsfehler vor Es muss mit Strahlung orange und Temperatur blau beschriftet sein Die Die Druckerzeugung in Gasen uber die Schwerkraft bezieht sich hierbei auf die Gesamtmolmasse die sich in der Atmosphare bereits befindet P V ist bei gleicher Temperatur meist konstant AnwendungLuftfahrt Standardatmosphare Die definierten Eigenschaften werden z B benotigt um bei einem Triebwerkslauf in einem Teststand die Leistungswerte auf einen neutralen Standard zu korrigieren und eine Aussage daruber treffen zu konnen ob dieses Triebwerk ausreichend Schub produziert um ein Flugzeug auf der Startbahn ausreichend zu beschleunigen Die Verwendung einer Normatmosphare ist notwendig um Leistungsdaten von Fluggeraten Triebwerken und Raketen zu berechnen Ausserdem dient sie zum Kalibrieren von Druckmessgeraten wie Hohen und Geschwindigkeitsmesser Fur diese gelten auf mittlerem Meeresniveau folgende Bedingungen Parameter metrisch angloamerikanisch Feuchtigkeit H2O 0 rel Druck p0 1013 25 hPa 29 92 inHg Physikalische AtmosphareDichte r0 1 225 kg m3 0 002378 slug ft3Temperatur T0 15 C 288 15 K 59 F 518 67 RSchallgeschwindigkeit a0 340 m s 1116 4 ft sGravitation 9 80665 m s2 32 174 ft s2 Normfallbeschleunigung Zudem ist auch die Einteilung der Atmosphare beschrieben Hierbei gilt Der Temperaturgradient von Meereshohe bis zur Tropopause betragt 6 5 K 1 000 m 3 564 F 1 000 ft Die Tropopause befindet sich auf einer Hohe von 11 000 m 36 089 ft In der Stratosphare herrscht eine konstante Temperatur von 56 5 C 216 65 K 69 7 F Die Temperatur T displaystyle T in einer Hohe h displaystyle h unterhalb der Tropopause lasst sich mit folgender Formel berechnen Metrisches System T T0 6 5K h1000m displaystyle T T 0 6 5 mathrm K cdot frac h 1000 mathrm m Imperiales System T T0 3 564 F h1000ft displaystyle T T 0 3 564 circ mathrm F cdot frac h 1000 mathrm ft Die Einheit der Hohe h displaystyle h Meter bzw Fuss kurzt sich mit der Langeneinheit des Temperaturgradienten oder ergibt einen zusatzlichen Umrechnungsfaktor Terrestrische Refraktion Siehe auch Terrestrische RefraktionAhnliche ModelleUS Standardatmosphare 1976 Die ICAO International Civil Aviation Organization hat 1976 mit ICAO Dokument 7488 fur die Luftfahrt eine allgemein gultige und verbindliche Normatmosphare definiert Diese ersetzt eine Vorlauferversion von 1962 Als einheitliche Bedingungen auf Meereshohe die einem mittleren Niveau gemassigter Breiten entsprechen werden definiert Temperatur T0 288 15 K entspricht 15 C Luftdruck p0 1013 25 hPa Der Temperaturverlauf mit der Hohe wird gemass folgender Tabelle definiert wobei zwischen den explizit definierten Ebenen linear interpoliert wird Die oberste Ebene ist zugleich die Obergrenze dieses Modells Standardatmosphare 1976 bis 90 km HoheStandardatmosphare 1976 geopot Hohe h in m geometr Hohe z in m Temperatur T in C Luftdruck p in Pa00 00 0 00 00 0 15 0 101 325 000011 000 11 019 56 5 0 22 632 000020 000 20 063 56 5 00 5 474 900032 000 32 162 44 5 000 868 020047 000 47 350 0 2 5 000 110 910051 000 51 413 0 2 5 000 0 66 939071 000 71 802 58 5 000 00 3 956484 852 86 000 86 2 000 00 0 3734 Ausserdem werden u a folgende Werte als Konstanten definiert Erdbeschleunigung g0 9 80665 m s Normfallbeschleunigung entspricht in etwa dem realen Wert auf 45 geographischer Breite in Meereshohe Erdradius RErde 6 356 766 m kleiner als der wahre mittlere Erdradius um bei der Umrechnung von geopotentiellen in geometrische Hohen die infolge der Zentrifugalkraft der rotierenden gegenuber einer ruhenden Erde etwas steilere Abnahme der Erdbeschleunigung zu berucksichtigen Molare Masse M der Luft 28 9644 g mol die Standardatmosphare enthalt keinen Wasserdampf Universelle Gaskonstante R 8 31432 J mol K Die Luftdichte auf Meereshohe errechnet sich daraus zu 1 225 kg m Es wird angenommen dass die Luft bestimmte Gesetzmassigkeiten in idealer Weise erfullt insbesondere die allgemeine Gasgleichung Damit lasst sich der hohenabhangige Luftdruck berechnen Fur die unterste Schicht erhalt man so die internationale barometrische Hohenformel Fur Schichten mit linearem Temperaturverlauf ergibt sich die Barometrische Hohenformel mit linearem Temperaturverlauf Die Standardatmosphare arbeitet mit Standarddruckflachen der geopotentiellen Hohen nachdem die Erdbeschleunigung als hohenunabhangig angenommen wird g h g0 displaystyle g h g 0 In niedrigen Hohen stimmen diese mit den sonst ublichen geometrischen Hohen ziemlich gut uberein aber in grosseren Hohen muss man fur hohere Genauigkeit anstelle der geometrischen Hohe z die geopotentielle Hohe h einsetzen die dem o g homogen gedachten Gravitationsfeld entspricht Die Beziehung zwischen beiden Hohen ist gegeben durch z h RErdeRErde h h h 1 hRErde z displaystyle z h frac R text Erde R text Erde h cdot h Leftrightarrow h left 1 frac h R text Erde right cdot z Jacchia Referenzatmosphare Die besonders in der Raumfahrt verwendete Jacchia Referenzatmosphare beschreibt ein Atmospharenmodell das fur Hohen von 90 bis 2 500 km Atmospharenwerte wie Temperatur Dichte Druck und weitere definiert Im Unterschied zur Internationalen Standardatmosphare werden zusatzlich unterschiedliche Werte in Abhangigkeit von Breitengrad und Jahreszeit sowie geomagnetische und solare Effekte berucksichtigt Als Erganzung muss fur niedrigere Hohen ein weiteres Atmospharenmodell hinzugezogen werden Das Jacchia Referenzatmospharen Modell wurde erstmals 1970 von Luigi Giuseppe Jacchia veroffentlicht und 1971 sowie 1977 aktualisiert Es basiert auf Luftwiderstandsmessdaten von Raumflugen NRLMSISE 00 Modell Das neuere Modell aus dem Jahr 2000 bietet Referenzwerte fur Hohen von der Erdoberflache bis in den Weltraum Siehe auchNormalbedingungenEinzelnachweise 1 2 ICAO Originaldokument 7488 3 Auflage von 1993 bis 80 km Hohe Seite nicht mehr abrufbar festgestellt im Marz 2019 Suche in Webarchiven ICAO Standardatmosphare 1976 1 2 Seite nicht mehr abrufbar festgestellt im Mai 2019 Suche in Webarchiven Info Der Link wurde automatisch als defekt markiert Bitte prufe den Link gemass Anleitung 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