Atmosfera wzorcowa - skomplikowaną rzeczywistość trzeba uprościć

Nawykiem inżynierów jest upraszczanie sobie rzeczywistości w granicach zdrowego rozsądku. Stworzenie modelu atmosfery jest jak najbardziej pozytywnym działaniem, gdyż znacznie ułatwiło to międzynarodowe porozumienie w sprawie wykorzystania jej właściwości w lotnictwie.

Te właściwości to m.in. zmiana ciśnienia przy zmianie wysokości n.p.m. Teraz należy postawić pytanie: w jaki sposób to ciśnienie się zmienia? Obserwując stan atmosfery (pogodę) widzimy, że zmienia się on z godziny na godzinę, z dnia na dzień, z miesiąca na miesiąc i trudno tu o jednoznaczy opis. Dlatego też na całym świecie przyjęto ten sam model (atmosferę wzorcową), który różni się mniej lub więcej od stanu rzeczywistego.

Najwazniejsze jest to, że każdy posługuje się tym modelem i parametry wyznaczane na jego podstawie, obliczane są z tym samym błędem. Model ten dzieli atmosferę na kilka warstw w zależności od wysokości n.p.m. Dla każdej warstwy określone są matematyczne zależności, wiążące temperaturę, ciśnienie, gęstość, prędkość dzwięku i kilka innych parametrów ze sobą. Dlatego też, mierząc np. temperaturę możemy obliczyć pozostałe wartości.

Dla wysokości do 11 000 m można wykorzystać wzory na

ciśnienie [1]:

temparaturę [1]:

gęstość powietrza [1]:

 i prędkość dźwięku [1]:

 gdzie H oznacza wysokość, a oznaczenia z dolnym indeksem 0 to wartość danych parametrów na wysokości 0.

Wynoszą one:

• temperatura: T₀=288,15 K (15 °C)
• ciśnienie: p₀=1013,25 hPa
• gęstość: ρ₀=1,2255 kg/m³
• prędkość dźwięku: a₀=340,3 m/s

Przykład: na wysokości 2000 m n.p.m. zmierzono ciśnienie 780 hPa. Na tej podstawie obliczono wysokość, która wg modelu atmosfery wynosi ok. 2160 m n.p.m. Wysokościomierze samolotów lecących na wysokości geometrycznej 2000 m n.p.m. wskażą tę samą wartości, wynoszącą 2160 m. Wnioskujemy, że model atmosfery wyznacza jednoznaczą miarę wysokości. A przekonamy się o tym bardziej poprzez analizę poniższych wykresów.

Rys. 1 - Atmosfera standardowa [2]

Wykres obrazuje wartości najważniejszych parametrów atmosfery w zależności od wysokości geometrycznej. Widzimy, że danej wysokości (oś Altitude) przypisane są jednoznaczne wartości parametrów atmosfery. Nie ma takiej wysokości, dla której model podawałby np. dwie lub więcej wartości ciśnień (Pressure).

Na podstawie opisanego modelu atmosfery działają przyrządy pokładowe, mierzące wysokość i prędkość lotu, a także prędkość pionową statku powietrznego.

Źródła:

1. http://pl.wikipedia.org/wiki/Atmosfera_wzorcowa
2. http://mtp.mjmahoney.net/www/notes/altitude/altitude.html