Атмосфера земли и физические свойства воздуха.

Привет, друзья!

Атмосфера Земли и физические свойства воздуха.

Голубая планета...

Эта тема должна была появится на сайте одной из первых. Ведь самолеты и вертолеты – атмосферные летательные аппараты. Атмосфера Земли – их, так сказать, среда обитания :-). А физические свойства воздуха как раз и определяют качество этого обитания :-). То есть это одна из основ. И об основе всегда пишут вначале. Но сообразил я об этом только сейчас. Однако лучше, как известно, поздно, чем никогда… Коснемся этого вопроса, в дебри и ненужные сложности однако не залезая :-).

Итак… Атмосфера Земли. Это газовая оболочка нашей голубой планеты. Такое название всем известно. А почему голубая? Просто потому, что «голубая» ( а также синяя и фиолетовая ) составляющая солнечного света (спектра) наиболее хорошо рассеивается в атмосфере, окрашивая ее тем самым в голубовато-синеватые, иногда с оттенком фиолетового тона (в солнечный день, конечно :-)).

Атмосфера Земли и физические свойства воздуха.

Состав атмосферы Земли.

Состав атмосферы достаточно широк. Перечислять в тексте все составляющие не буду, для этого есть хорошая иллюстрация.Состав всех этих газов практически постоянен, за исключением углекислого газа (СО2). Кроме того в атмосфере обязательно содержится вода в виде паров, взвеси капель или кристаллов льда. Количество воды непостоянно и зависит от температуры и, в меньшей степени, от давления воздуха. Кроме того атмосфера Земли (особенно нынешняя) содержит и определенное количество я бы сказал «всякой гадости» :-). Это SO2, NH3, CO, HCl, NO, кроме того есть там пары ртути Hg. Правда все это находится там в небольших количествах, слава богу :-).

Атмосферу Земли принято делить на несколько следующих друг за другом по высоте над поверхностью зон.

Первая, самая близкая к земле — это тропосфера. Это самый нижний и, так сказать, основной слой для жизнедеятельности разного вида. В нем содержится 80% массы всего атмосферного воздуха (хотя по объему она составляет всего около 1% всей атмосферы) и около 90% всей атмосферной воды. Основная масса всех ветров, облаков, дождей и снегов 🙂 — оттуда. Тропосфера простирается до высот порядка 18 км в тропических широтах и до 10 км в полярных. Температура воздуха в ней падает с подъемом на высоту примерно 0,65º  на каждые 100 м.

Атмосфера Земли и физические свойства воздуха.

Атмосферные зоны.

Зона вторая – стратосфера. Надо сказать, что между тропосферой и стратосферой выделяют еще одну узкую зону – тропопаузу. В ней прекращается падение температуры с высотой. Тропопауза имеет среднюю толщину 1,5- 2 км, но границы ее нечетки и тропосфера часто перекрывает стратосферу.

Так вот стратосфера имеет высоту в среднем от 12 км до 50 км. Температура в ней до 25 км остается неизменной (порядка -57ºС), затем где-то до 40 км повышается примерно до 0ºС и далее до 50 км остается неизменной. Стратосфера – относительно спокойная часть атмосферы земли. Неблагоприятные погодные условия в ней практически отсутствуют. Именно в стратосфере располагается знаменитый озоновый слой на высотах от 15-20 км до 55-60 км.

Далее следует небольшой пограничный слой стратопауза, температура в которой сохраняется около 0ºС, и затем следующая зона мезосфера. Она простирается до высот 80-90 км, и в ней температура падает примерно до 80ºС. В мезосфере обычно становятся видны мелкие метеоры, которые начинают в ней светиться и там же сгорают.

Следующий узкий промежуток – мезопауза и за ней зона термосфера. Ее высота – до 700-800 км. Здесь температура опять начинает повышаться и на высотах порядка 300 км может достигать величин порядка 1200ºС. Далее она остается постоянной. Внутри термосферы до высоты около 400 км расположена ионосфера. Здесь воздух сильно ионизирован из-за воздействия солнечной радиации и обладает большой электропроводностью.

Следующая и, вобщем-то, последняя зона – экзосфера. Это так называемая зона рассеяния. Здесь в основном присутствует очень сильно разреженный  водород и гелий (с преобладанием водорода). На высотах порядка 3000 км экзосфера переходит в ближнекосмический вакуум.

Вот примерно где-то так. Почему примерно? Потому что слои эти достаточно условны. Возможны различные изменения высоты, состава газов, воды, величины температуры, ионизации и так далее. Кроме того существует еще немало терминов, определяющих строение и состояние атмосферы земли.

Например гомосфера и гетеросфера. В первой атмосферные газы хорошо перемешаны, и их состав достаточно однороден. Вторая расположена выше первой и такого перемешивания там уже практически нет. Газы в ней разделяет гравитация. Граница между этими слоями расположена на высоте 120 км, и называется она турбопауза.

С терминами пожалуй покончим, но обязательно еще добавлю, что условно принято считать, что граница атмосферы расположена на высоте 100 км над уровнем моря. Эта граница называется Линия Кармана.

Добавлю еще две картинки для иллюстрации строения атмосферы. Первая, правда, на немецком, но зато полная и достаточно легка в понимании :-). Ее можно увеличить и хорошо рассмотреть. Вторая показывает изменение температуры атмосферы с высотой.

Атмосфера Земли и физические свойства воздуха.

Строение атмосферы Земли.

Атмосфера Земли и физические свойства воздуха.

Изменение температуры воздуха с высотой.

Современные пилотируемые орбитальные космические аппараты летают на высотах около 300-400 км. Однако это уже не авиация, хотя область, конечно, в определенном смысле близкородственная, и мы о ней еще непременно поговорим :-).

Зона авиации – это тропосфера. Современные атмосферные летательные аппараты могут летать и в нижних слоях стратосферы. Например практический потолок МИГ-25РБ23000 м.

Атмосфера Земли и физические свойства воздуха.

Полет в стратосфере.

И именно физические свойства воздуха тропосферы определяют каким будет полет, насколько будет эффективна система управления самолета, как будет влиять на него турбулентность в атмосфере, как будут работать двигатели.

Первое основное свойство – это температура воздуха. В газодинамике она может определяться по шкале Цельсия либо по шкале Кельвина.

Температура t1 на заданной высоте Н по шкале Цельсия определяется:

t1 = t — 6,5Н , где t – температура воздуха у земли.

Температура по шкале Кельвина называется абсолютной температурой, ноль по этой шкале – это абсолютный ноль. При абсолютном нуле прекращается тепловое движение  молекул. Абсолютный ноль по шкале Кельвина соответствует -273º по шкале Цельсия.

Соответственно температура Т на высоте Н по шкале Кельвина определяется:

T = 273K + t — 6,5H

Давление воздуха. Атмосферное  давление измеряется в Паскалях (Н/м2), в старой системе измерения в атмосферах (атм.). Существует еще такое понятие как барометрическое давление. Это давление, измеренное в миллиметрах ртутного столба при помощи ртутного барометра. Барометрическое давление (давление на уровне моря) равное 760 мм рт. ст. называется стандартным. В физике 1 атм. как раз и равна 760 мм рт.ст.

Плотность воздуха. В аэродинамике чаще всего пользуются таким понятием, как массовая плотность воздуха. Это масса воздуха в 1 м3 объема. Плотность воздуха с высотой меняется, воздух становится более разреженным.

Влажность воздуха. Показывает количество воды, находящееся в воздухе. Существует понятие «относительная влажность». Это отношение массы водяного пара к максимально возможной при данной температуре. Понятие 0%, то есть когда воздух совершенно сухой может существовать вобщем-то только в лаборатории. С другой стороны 100%-ная влажность вполне реальна. Это означает, что воздух впитал в себя всю воду, которую мог впитать. Что-то типа абсолютно «полной губки». Высокая относительная влажность снижает плотность воздуха, а малая, соответственно повышает.

В связи с тем, что полеты самолетов происходят при разных атмосферных условиях, то и их полетные и аэродинамические параметры на одном режиме полета могут быть различными. Поэтому для правильной оценки этих параметров введена Международная стандартная атмосфера (МСА). Она показывает изменение состояния воздуха с подъемом на высоту.

За основные  приняты  параметры состояния воздуха при нулевой влажности:

давление  P = 760  мм рт. ст. (101,3 кПА);

температура  t = +15°C (288 К);

массовая плотность ρ = 1,225 kg/m3;

Для МСА принято (как уже было сказано выше :-)), что температура падает в тропосфере на 0,65º на каждые 100 метров высоты.

Атмосфера Земли и физические свойства воздуха.

Стандартная атмосфера (пример до 10000 м).

Таблицы МСА используются при градуировании пилотажно-навигационных приборов, а также для штурманских и инженерных расчетов.

Физические свойства воздуха включают в себя также такие понятия как инертность, вязкость и сжимаемость.

Инертность — свойство воздуха, характеризующее его способность сопротивляться изменению состояния покоя или равномерного прямолинейного движения. Мерой инертности является массовая плотность воздуха. Чем она выше, тем выше инертность и сила сопротивления среды при движении в ней самолета.

Вязкость. Определяет сопротивление трения об воздух при движении самолета.

Сжимаемость определяет изменение плотности воздуха при изменении давления. На малых скоростях движения летательного аппарата (до 450 км/ч) изменения давления при обтекании его воздушным потоком не происходит, но при больших скоростях начинает проявляться эффект сжимаемости. Особенно сказывается его влияние на сверхзвуке. Это отдельная область аэродинамики и тема для отдельной статьи :-).

Ну вот кажется пока все… Пора закончить это слегка нудноватое перечисление, без которого однако не обойтись :-). Атмосфера Земли, ее параметры, физические свойства воздуха также важны для летательного аппарата, как и параметры самого аппарата, и о них нельзя было не упомянуть.

Пока, до следующих встреч и более интересных тем 🙂 …

P.S. На сладкое предлагаю посмотреть ролик снятый из кабины спарки МИГ-25ПУ при его полете в стратосферу. Снимал, видимо, турист, у которого есть деньги для таких полетов :-). Снято в основном все через лобовое стекло. Обратите внимание на цвет неба…

{lang: 'ru'}

No related posts.

This entry was posted in АВИАИНТЕРЕСНОСТИ, АЭРОДИНАМИКА. ЭЛЕМЕНТАРНО. and tagged . Bookmark the permalink.

39 Комментариев: Атмосфера земли и физические свойства воздуха.

  1. Всеволод говорит:

    Добрый день!
    Столкнулся с такой проблемой:
    Беру значение из таблицы для температуры, например для 5000 м (255,67 К) и для 0 метров (288,15 К).
    Использую формулу для вычисления температуры, для вычесления температуры на 5000 метров:
    t1 = t — 6,5*Н
    t = 288,15 К, H=5 км
    Следовательно
    t1=288,15-6,5*5 = 255,65
    Получается расхождение табличного значения с формулой в 0,02 градуса.
    Подскажите, пожалуйста, в чем причина?

    • Юрий говорит:

      Причина в приблизительности и условности. Сама МСА представляет собой гипотетическое (то есть условное) распределение параметров по высоте. Кроме того она постоянно ( с годами) уточнялась, в т.ч. с помощью практических измерений с применением спец. метеоапаратуры, в т.ч. высотной. И на самом деле таких таблиц достаточно много и они, строго говоря, могут отличаться друг от друга ( в том числе и по назначению), тем более, что параметр 6,5 тоже условный. Бывает, что вместо него для расчетов используют 6,0. Здесь важно соблюдать установленные на данный момент стандарты.

      • Всеволод говорит:

        Сегодня немного по разбирался еще, выходит все точно, если брать таблицу для футов, а не метров, и переводить их в метры. Тогда все величины совпадают.

        • Юрий говорит:

          Это хорошо, значит правильно материалами пользуетесь. У меня вот не всегда совпадают :-)…

  2. Руслан говорит:

    Получаются что спутники летают в зоне, где температура может достигать 1200град. Это больше температуры плавления некоторых металлов ???

    • Юрий говорит:

      Вы забываете о разреженности. Приведу выдержку из Википедии (сказано совершенно правильно): «Высокая температура воздуха в термосфере не страшна летательным аппаратам, поскольку из-за сильной разреженности воздуха он практически не взаимодействует с обшивкой летательного аппарата, то есть плотности воздуха недостаточно для того, чтобы нагреть физическое тело, так как количество молекул очень мало и частота их столкновений с обшивкой судна (соответственно и передачи тепловой энергии) невелика.«

      • Руслан говорит:

        Получается понятие температуры ничего не значит. Т.е. несколько молекул летают с огромной скоростью в многокилометровых зонах, и мы считаем что там тысячи градусов.

        • pasha говорит:

          Зависит от масштабов, в сравнении с длиной свободного пробега молекул газа. В масштабах космического корабля — там хороший вакуум, а в масштабах планеты — таки газ, у которого есть температура (надо уточнить длину свободного пробега на этих высотах, поправьте если ошибся в последнем утверждении).

        • Юрий говорит:

          pasha Вам ответил совершенно правильно. Надо принимать во внимание физический смысл температуры.

          • Илья говорит:

            Извините, не понял про температуру 1200гр. Если она не может нагреть аппарат, она не может нагреть градусник? Значит это не совсем температура, это скорость движения частиц воздуха, соответствующая температуре 1200гр? Сколько покажет градусник?
            ПС: Собираюсь в термосферу, не знаю как лучше одеться! )))

          • Юрий говорит:

            А температура и есть мера скорости движения молекул, то есть их кинетической энергии. При такой разреженности градусник не имеет смысла, если конечно он не громадных размеров. Она — теоретическая величина и скорее вычисляется, чем измеряется, либо оценивается косвенно по изменению термометрических свойств среды…

  3. Андрей говорит:

    Если знаете то пожалуйста расскажите про магнитное склонение земли, а то бред устал читать.

    • Юрий говорит:

      Странно… Вопрос-то ведь простой совсем. Как его можно неправильно описать?… Земной шар обладает координатной сеткой (в искусственном, теоретическом плане, конечно :-)) для определения координат объектов на его поверхности. Линии этой сетки — параллели и меридианы. Меридианы сходятся на географических полюсах — Северном и Южном. В детстве, до начала изучения географии и физики, мы все считали, что магнитный компас синей частью своей стрелки показывает на Северный полюс, а красной на Южный. Но потом оказалось, что не совсем так. Намагниченная стрелка направлена по магнитным силовым линиям магнитного поля земли. Они тоже, как меридианы, сходятся на полюсах (от Южного к Северному) и полюса эти называются магнитными в отличие от географических. Почему «в отличие» — потому, что магнитные и географические полюса не совпадают. Магнитные полюса вообще «гуляют» и меняют свое положение довольно быстро и часто, конечно, в историко-геологическом смысле «быстро». Поэтому и стрелка компаса на самом деле отклонена от направления на географический полюс на некоторый угол — это и есть магнитное склонение. То есть магнитное склонение — это угол между направлениями на географический и магнитный полюса из какой-то данной точки на поверхности земли. Иногда еще эти направления называют истинным и магнитным меридианами. Для самолетов, например, принято считать, что истинный курс равен магнитному курсу плюс магнитное склонение (со своим знаком). Магнитное склонение в разных точках земного шара имеет разную величину и может быть западным (отрицательным) и восточным (положительным) в зависимости от расположения магнитного полюса (слева, справа) относительно географического меридиана, на котором располагается точка наблюдения. Если же эта точка располагается на плоскости, проходящей через магнитный и географический полюса, то склонение в ней будет равно нулю. На величину магнитного склонения и его направление влияют местные магнитные аномалии. Они должны быть известны для ориентирования в их районе с помощью компаса, чтобы вносить в его показания соответствующие поправки.

  4. Андрей говорит:

    Просто и доступно! Большое спасибо ! Классно.

  5. Pilot говорит:

    Спасибо что остались грамотные люди пока !
    В Рос Космос Таких ! А то Балбесов многовато !

  6. Divanole`t говорит:

    Спасибо. Очень интересно. Даже не знал, что температура воздуха так меняется на разных высотах и скачет туда обратно. Это так удивляет меня. В общем, чем больше узнаешь о процесс в оболочке Земли, о магнитном поле, движении земной коры… впечатление такое, что каждый неживой элемент в совокупности создаёт что-то живое.

  7. Игорь говорит:

    Не могу найти ответ.
    Как зависят температуры SAT, TAT от ISA?
    Имеется связь этих температур указывающих на возможность обледенения?
    Спасибо.

    • Юрий говорит:

      Что сказать… По-моему, они никак от ISA не зависят. В ISA — температура условная, TAT — реальная температура заторможенного потока, замеренная датчиком, то есть SAT плюс температура кинетического нагрева. Здесь SAT — статическая реальная температура воздуха за бортом. Насчет связи и обледенения…. SAT — это часть TAT. SAT сама по себе характеризует условия обледенения (температура -5..-10 плюс влажность >85%), однако при большой скорости выше кинетический нагрев (выше TAT) и меньше возможность обледенения….

  8. Ростислав говорит:

    Видеоролик заблокирован. Жаль, я не успел увидеть. Интересный сайт, познавательный, где-то и в чем-то грустный… Но жизнь продолжается! Удачи во всем!

    • Юрий говорит:

      К сожалению ролики не мои, поэтому не имею возможности ими управлять :-(… Однако, уже можно посмотреть, заменил на работающий. Интересно, почему сайт показался грустноватым?…

      • Ростислав говорит:

        Грустноватый… К большому сожалению авиация, какой бы она не была современной и совершенной на сегодняшний день, не обходится без гибели, как со стороны самой машины, так и человека, связанных именно с человеческим фактором. Такова уж наша жизнь. Вот поэтому становится немного грустно, когда вдруг задумаешься о причинах и последствиях трагедий…

      • pasha говорит:

        Снова заблокировали… 🙁

  9. adzyga говорит:

    Массовая плотность — это масса одного кубического метра воздуха в килограммах.
    Весовая плотность — вес одного кубического метра воздуха в ньютонах.

    Я бы согласился, если бы Вы привели весовую плотность в кгс, а не массовую в ньютонах… 🙂

    • admin говорит:

      У меня на сайте приведена массовая плотность в системе СИ, то есть масса в килограммах, а объем в кубических метрах (kg/m3). Никаких ньютонов там нет. Что уж тут непонятного…. А весовой плотностью я не оперирую там вообще, ни в кгс, ни в Н.

  10. adzyga говорит:

    «массовая плотность ρ = 1,225 kg/m3»
    ==============================
    ?!
    Массовая плотность — 0.125 кгс×с2/м4

    • admin говорит:

      Отвечаю на оба комментария сразу. Я ничего не перепутал. У меня указана именно массовая плотность воздуха (или просто плотность). Обе Ваши цифры в этом комментарии тоже верны. И то и другое — это массовая плотность, только в разных системах единиц. 1,225 — это в системе СИ, 0,125 — в системе МКГСС. Весовая плотность — это строго говоря вообще не плотность, для него больше подходит название удельный вес, и равен он (весовая плотность) произведению массовой плотности на ускорение свободного падения. Удельный вес часто путают с плотностью, тем более, что численно (в цифрах) удельный вес и плотность (массовая) одинаковы, если плотность в системе СИ, а удельный вес (весовая плотность) в системе МКГСС.
      Для того, чтобы было понятно надо правильно считать размерности и обращать внимание, чтобы системы единиц совпадали.

  11. Алексей говорит:

    Вы перепутали массовую плотность с весовой.

  12. Максим говорит:

    Где-то ,помнится, из физики, передача тепла может быть только в одну сторону — от горячего предмета к холодному. Поэтому мне непонятен скачек температуры между стратосферой и мезосферой? Я всю жизнь думал, что чем дальше от поверхности Земли, тем температура уменьшается до абсолютного нуля. Прокомментируйте, пожалуйста.

    • admin говорит:

      Все верно…. Но в верхней части стратосферы, примерно от 25-30 км до 40-45км находится слой озона (наибольшая концентрация). Он активно поглощает энергию солнца в виде ультрафиолетового излучения и именно за счет этой энергии происходит нагрев этого слоя, то есть верхнего слоя стратосферы.

  13. Светлана говорит:

    Узнавая новое, каждый раз поражаешься: насколько сложен окружающий нас мир!

  14. Евгений говорит:

    За основные приняты параметры состояния воздуха при нулевой влажности:

    давление P = 760 мм рт. ст. (1013,25 кПА);
    ошиблись с запятой.
    давление P = 760 мм рт. ст. (101 кПА)

    • admin говорит:

      Да, конечно же Вы правы :-). Досадная ошибка, скорее описка. Бывает, не за всем могу уследить. Благо есть внимательные читатели. Спасибо! Сейчас все исправлю…

  15. Михаил говорит:

    Очень подробный пост! Даже таблицы и расчеты есть

  16. Анатолий говорит:

    Интересно было прочить статью об атмосфере нашей земли и физических свойствах воздуха. Спасибо за интересную информацию!

  17. Людмила говорит:

    Спасибо за столь подробное знакомство с нашей атмосферой, все что в школе не доучили у Вас теперь можно прочитать. Ролик очень понравился, в детстве мечтала стать летчиком.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *