1.1.2 Состав атмосферного воздуха

Сухой атмосферный воздух (не содержащий водяной пар) представляет собой механическую смесь нескольких газов. На 78% (объема) воздух состоит из азота N₂, почти на 21 % из кислорода O₂ . Следующий по процентному содержанию аргон Ar 0,93%, углекислый газ CO₂ 0,037%. На оставшиеся доли процента приходятся другие инертные газы, водород, озон. В состав атмосферы всегда входят три переменные, крайне важные составные части – водяной пар, озон и углекислый газ. Значение этих газов определяется прежде всего тем, что они очень сильно поглощают лучистую энергию и тем самым оказывают существенное влияние на температурный режим поверхности Земли и атмосферы.

Водяной пар по объемному содержанию варьирует от 0,2% в полярных районах до 2,5% в приэкваториальных (до 4% в некоторых географических районах). Испарение, транспирация растений и конденсация водяного пара на ядрах конденсации в воздухе, на наземных предметах — основные процессы изменения его содержания в атмосфере.

В состав атмосферного воздуха входят также многочисленные взвешенные в нем твердые и жидкие примеси – аэрозоли. Они имеют как естественное, так и искусственное происхождение. С 1910 года по настоящее время масса твердых примесей в атмосфере северного полушария увеличилась примерно в 1, 5 раза. В крупных городах содержание примесей в воздухе значительно больше, чем в среднем по атмосфере. Оно нередко превышает допустимую норму, что вредно сказывается на здоровье людей, животных, растительности и даже на деятельности предприятий таких отраслей, как полупроводниковая, оптическая, фотохимическая.

Аэрозоли: частицы, попадающие в атмосферу при лесных пожарах, вулканических извержениях, сжигании топлива, частицы сажи, дыма, пепла. Частицы морской соли (вследствие своей гигроскопичности – это капли насыщенного раствора). Органические соединения, микроорганизмы, бактерии, пыльца, споры. Космическая пыль (~ 1 млн. т/год). В основном аэрозоли имеют размер < 5 мкм (95%); небольшая часть – крупная пыль более 5 мкм. Малые аэрозоли удерживаются в атмосфере и удаляются, присоединяясь к частицам осадков. Гигроскопические аэрозоли являются ядрами конденсации. Аэрозоли преимущественно находятся в нижних частях атмосферы, т.к. основной их источник – земная поверхность.

1.2 Стандартная атмосфера

Для проектирования и эксплуатации летательных аппаратов, для оценок ветровых нагрузок на наземные сооружения, для ряда других задач необходимы данные о типичном состоянии атмосферы. Они содержатся в стандартной атмосфере (СА). Это дает потребителям метеоинформации сведения о некотором типовом состоянии атмосферы, не зависимого от времени суток и года, и возможных отклонениях от него. Основой для описания вертикального строения стандартной атмосферы является статическое приближение. В нем на основе уравнения статики атмосферы и уравнения состояния идеального газа связываются в единую функциональную зависимость атмосферное давление, температура и плотность воздуха. Для вычисления этих величин необходимо и достаточно задать вертикальный профиль температуры, а также давление на уровне моря.

Существуют стандартные атмосферы как международные, так и национальные, а также для отдельных географических районов (тропическая, арктическая летняя, арктическая зимняя).

Используемая в настоящее время стандартная атмосфера была введена Государственным комитетом СССР по стандартам в 1981 г. – ГОСТ 4401-81. Она соответствует международным стандартам МС ПСО 2533 и стандарту Международной организации гражданской авиации.

Принятые стандарты включают в себя вертикальное распределение температуры, давления, плотности воздуха, скорости воздуха, динамической и кинематической вязкости, теплопроводности, высоты однородной атмосферы для различных газов, входящих в состав воздуха, и ряд других параметров. Наряду с вертикальной структурой атмосферы стандарты включают в себя их пространственную, географическую интерпретацию. Так, на уровне моря в качестве стандартного давления принято 1013,25 гПа; ускорение свободного падения взято для широты 45⁰32’33” (g= 9,80665 м/с²).

Вертикальный профиль температуры представлен в виде послойно-линейной функции. Значения характеристик стандартной атмосферы представлены в таблице 2.

Таблица 1.2 Температура t ⁰C, давление p и плотность воздуха ρ в стандартной атмосфере [10]

Z, м	Ф, гп. м	t 0C	p, гПа	ρ, кг/м3
-2000 0000 2000 4000 6000 8000 10000 12000 16000 18000 20000 22000 24000 26000 28000 30000 32000	-2001 000 1999 3997 5994 7990 9984 11977 15960 17949 19937 21924 23910 25894 27877 29859 31840	28,0 15,0 2,0 -11,0 -24,9 -36,9 -50,0 -56,5 -56,5 -56,5 -56,5 -54,6 -52,6 -50,6 -48,6 -46,6 -44,7	1277,8 1013,2 795,0 616,6 472,2 356,5 265,0 194,0 103,5 75,7 55,3 40,5 29,7 21,9 16,2 12,0 8,9	1,478 1,225 1,007 0,819 0,660 0,526 0,414 0,312 0,166 0,122 0,089 0,0065 0,0047 0,0034 0,0025 0,0018 0,0013

Используя данные этой таблицы и барометрические формулы можно получить значения температуры и плотности воздуха на промежуточных высотах.

Кроме стандартной атмосферы разработана и используется справочная атмосфера. Справочная атмосфера представляет собой набор эмпирических моделей, описывающих вертикальное распределение температуры, давления и плотности воздуха для пяти широтных поясов: тропический – 15⁰, субтропический - 30⁰, среднеширотный – 45⁰, субарктический – 60⁰ и арктический – 80⁰. В тропическом поясе параметры модели приняты постоянными в течение всего года, в других – подразделяются на теплый и холодный период. Модели, входящие в справочную атмосферу, представлены в Госстандарте «Атмосферы справочные. Параметры» ГОСТ 24631-81, соответствующий Международному стандарту МС ИСО 5878.

Стандартная атмосфера дает возможность сравнивать между собой показания приборов, результаты лётных испытаний, данные различных аэродинамических расчетов, метеорологических и геофизических измерений. Реальная атмосфера в конкретный момент времени и в конкретном пункте земного шара может отличаться от СА, поэтому нужно иметь возможность объективного сопоставления между собой данных о лётных характеристиках, полученных в различных условиях или в разное время. Это осуществляется приведением лётных характеристик к условиям СА.

На практике возможны случаи, когда требуется перейти от фактически наблюдавшихся условий к стандартным. Например, в разные дни разные самолеты достигли различных максимальных высот и требуется определить, у какого самолета выше потолок. В этом случае нужно перейти от реальной атмосферы к СА. В другом случае, например, известна расчетная v_max. А какая может быть достигнута в действительности скорость в разные дни? В этом случае нужно перейти от условий в СА, используемых при проектировании самолетов, к реальным условиям конкретного дня.

С понятием СА связаны понятия стандартных высот, т.е. высот, на которых атмосферные условия такие же, как в СА (по отдельности p, T, ρ). Стандартные высоты могут быть: по давлению – барометрическая высота H_p, на которой в СА давление точно соответствует фактическому на уровне полета; по плотности – высота Н_ρ , на которой ρ_СА = ρ на высоте полета.