الغلاف الجوي القياسي الدولي
يُعدّ الغلاف الجوي القياسي الدولي ( ISA ) نموذجًا جويًا ثابتًا يصف كيفية تغير الضغط ودرجة الحرارة والكثافة واللزوجة في الغلاف الجوي للأرض على نطاق واسع من الارتفاعات . وقد وُضع هذا النموذج لتوفير مرجع مشترك لدرجة الحرارة والضغط، ويتألف من جداول بالقيم عند ارتفاعات مختلفة، بالإضافة إلى بعض الصيغ التي استُخدمت لاشتقاق هذه القيم. تنشر المنظمة الدولية للتوحيد القياسي (ISO) نموذج ISA كمعيار دولي ، ISO 2533:1975. [ 1 ] كما تنشر منظمات معايير أخرى ، مثل منظمة الطيران المدني الدولي (ICAO) وحكومة الولايات المتحدة ، امتدادات أو مجموعات فرعية من النموذج الجوي نفسه بموجب صلاحياتها الخاصة بوضع المعايير.
وصف
يقسم النموذج الرياضي ISA الغلاف الجوي إلى طبقات بافتراض توزيع خطي لدرجة الحرارة المطلقة T مقابل الارتفاع الجيوبوتنشالي h . [ 2 ] يتم حساب القيمتين الأخريين (الضغط P والكثافة ρ ) عن طريق حل المعادلات الناتجة عن:
- التدرج الرأسي للضغط الناتج عن التوازن الهيدروستاتيكي ، والذي يربط معدل تغير الضغط بالارتفاع الجيوبوتنشالي:
- ، و
- قانون الغاز المثالي في صورته المولية ، والذي يربط بين الضغط والكثافة ودرجة الحرارة :
عند كل ارتفاع جيوبوتنشالي، حيث g هي التسارع القياسي للجاذبية ، و R <sub>special</sub> هو ثابت الغاز النوعي للهواء الجاف (287.0528 جول/ كجم/ كلفن ). ويُعطى الحل بالصيغة البارومترية .
يجب حساب كثافة الهواء لحساب الضغط، وتُستخدم هذه الكثافة في حساب الضغط الديناميكي للمركبات المتحركة. اللزوجة الديناميكية هي دالة تجريبية لدرجة الحرارة، بينما تُحسب اللزوجة الحركية بقسمة اللزوجة الديناميكية على الكثافة.
وبالتالي، يتألف المعيار من جدول للقيم عند ارتفاعات مختلفة، بالإضافة إلى بعض الصيغ التي استُنتجت منها تلك القيم. ولمراعاة أدنى النقاط على سطح الأرض ، يبدأ النموذج عند ارتفاع جيوبوتنشالي أساسي يبلغ 610 أمتار (2000 قدم) تحت مستوى سطح البحر ، مع ضبط درجة الحرارة القياسية عند 19 درجة مئوية. وبمعدل انخفاض في درجة الحرارة يبلغ -6.5 درجة مئوية (-11.7 درجة فهرنهايت) لكل كيلومتر (ما يقارب -2 درجة مئوية (-3.6 درجة فهرنهايت) لكل 1000 قدم)، يُجري الجدول استيفاءً لقيم مستوى سطح البحر القياسية المتوسطة، وهي : درجة حرارة 15 درجة مئوية (59 درجة فهرنهايت) ، وضغط 101325 باسكال (14.6959 رطل لكل بوصة مربعة ) (1 ضغط جوي)، وكثافة 1.2250 كيلوغرام لكل متر مكعب (0.07647 رطل/ قدم مكعب) . يستمر تعداد طبقة التروبوسفير حتى ارتفاع 11,000 متر (36,089 قدمًا) ، حيث انخفضت درجة الحرارة إلى -56.5 درجة مئوية (-69.7 درجة فهرنهايت) ، والضغط إلى 22,632 باسكال (3.2825 رطل لكل بوصة مربعة) ، والكثافة إلى 0.3639 كيلوغرام لكل متر مكعب (0.02272 رطل لكل قدم مكعب) . وتبقى درجة الحرارة ثابتة بين ارتفاعي 11 كيلومترًا و20 كيلومترًا. [ 3 ] [ 4 ]
| طبقة | أسماء المستويات | الارتفاع الجيوبوتنشالي الأساسي فوق مستوى سطح البحر [ 5 ] ساعة (م) | الارتفاع الهندسي الأساسي فوق مستوى سطح البحر [ 5 ] z (م) | معدل التغير (°م/كم) [أ] | درجة الحرارة الأساسية T (°C[K]) | الضغط الجوي الأساسي p (باسكال) | الكثافة الجوية الأساسية ρ (كجم/ م³ ) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | طبقة التروبوسفير | 0 | 0 | +6.5 | +15.0 (288.15) | 101,325 | 1.225 |
| 1 | التروبوبوز | 11000 | 11,019 | 0.0 | -56.5 (216.65) | 22632 | 0.3639 |
| 2 | طبقة الستراتوسفير | 20,000 | 20,063 | -1.0 | -56.5 (216.65) | 5474.9 | 0.0880 |
| 3 | طبقة الستراتوسفير | 32000 | 32162 | -2.8 | -44.5 (228.65) | 868.02 | 0.0132 |
| 4 | الوقف الطبقي | 47000 | 47,350 | 0.0 | -2.5 (270.65) | 110.91 | 0.0014 |
| 5 | الميزوسفير | 51000 | 51,412 | +2.8 | -2.5 (270.65) | 66.939 | 0.0009 |
| 6 | الميزوسفير | 71000 | 71,802 | +2.0 | -58.5 (214.65) | 3.9564 | 0.0001 |
| 7 | انقطاع الطمث المتوسط | 86000 | 84,852 | — | -86.204 (186.946) | 0 | 0 |
- معدل انخفاض درجة الحرارةلكل كيلومتر منالارتفاع الجيوبوتنشالي (معدل انخفاض درجة الحرارة الموجب (λ > 0) يعني أن درجة الحرارة تنخفض مع الارتفاع)
في الجدول أعلاه، يتم حساب الارتفاع الجيوبوتنشالي من نموذج رياضي يُعدّل الارتفاع ليشمل تغير الجاذبية مع الارتفاع، بينما الارتفاع الهندسي هو المسافة الرأسية المباشرة القياسية فوق مستوى سطح البحر المتوسط . [ 2 ]
- المعادلة التي تربط بين الارتفاعين هي (حيث z هو الارتفاع الهندسي ، و h هو الارتفاع الجيوبوتنشالي ، و r 0 = 6,356,766 م في هذا النموذج):
لاحظ أن معدلات التغير المذكورة في الجدول معطاة بالدرجة المئوية لكل كيلومتر من الارتفاع الجيوبوتنشالي، وليس الارتفاع الهندسي.
يعتمد نموذج ISA على متوسط الظروف عند خطوط العرض المتوسطة، كما حددته اللجنة الفنية TC 20/SC 6 التابعة للمنظمة الدولية للمعايير. وقد تم تنقيحه من حين لآخر منذ منتصف القرن العشرين.
الاستخدام في ظروف نهارية غير عادية
يُقدّم نموذج الغلاف الجوي الدولي (ISA) نموذجًا ليوم قياسي افتراضي لتوفير مرجع هندسي قابل للتكرار لحساب واختبار أداء المحرك والمركبة على ارتفاعات مختلفة. ولا يُقدّم هذا النموذج نموذجًا دقيقًا للأرصاد الجوية يُحاكي الظروف الجوية الفعلية (مثل تغيرات الضغط الجوي نتيجةً لظروف الرياح ). كما أنه لا يأخذ في الحسبان تأثيرات الرطوبة ؛ إذ يُفترض أن الهواء جاف ونظيف وثابت التركيب. ويتم احتساب تأثيرات الرطوبة في تحليل المركبة أو المحرك بإضافة بخار الماء إلى الحالة الديناميكية الحرارية للهواء بعد الحصول على الضغط والكثافة من نموذج الغلاف الجوي القياسي.
تُحاكى الأيام غير القياسية (الحارة أو الباردة) بإضافة فرق درجة حرارة محدد إلى درجة الحرارة القياسية عند الارتفاع، بينما يُعتمد الضغط كقيمة الضغط في اليوم القياسي. ويُعاد حساب الكثافة واللزوجة عند درجة الحرارة والضغط الناتجين باستخدام معادلة حالة الغاز المثالي. وقد حُددت بيانات درجات الحرارة للأيام الحارة والباردة والاستوائية والقطبية مع الارتفاع لاستخدامها كمرجع للأداء، مثل معيار وزارة الدفاع الأمريكية MIL-STD-210C، وخليفته MIL-HDBK-310. [ 6 ]
الغلاف الجوي القياسي لمنظمة الطيران المدني الدولي
نشرت منظمة الطيران المدني الدولي (ICAO) معيارها الجوي "ICAO Standard Atmosphere" تحت رقم Doc 7488-CD في عام 1993. وهو يتبع نفس نموذج معيار الغلاف الجوي الدولي (ISA)، ولكنه يوسع نطاق تغطية الارتفاع إلى 80 كيلومترًا (262,500 قدم). [ 7 ]
إن الغلاف الجوي القياسي لمنظمة الطيران المدني الدولي، مثل الغلاف الجوي القياسي الدولي، لا يحتوي على بخار الماء.
بعض القيم التي حددتها منظمة الطيران المدني الدولي (ICAO) هي:
| الارتفاع بالكيلومتر والقدم | درجة الحرارة °م | الضغط بالهكتوباسكال | معدل التغير °م/1000 قدم | معدل التغير C/1000 م |
|---|---|---|---|---|
| 0 كم فوق مستوى سطح البحر | 15.0 | 1013.25 | +1.98 (طبقة التروبوسفير) | +6.5 (طبقة التروبوسفير) |
| 11 كم 36000 قدم | - 56.5 | 226.00 | 0.00 (ستراتوسفيري) | 0.00 (ستراتوسفيري) |
| 20 كم 65000 قدم | - 56.5 | 54.70 | -0.3 (في طبقة الستراتوسفير) | -0.1 (ستراتوسفيري) |
| 32 كم 105000 قدم | -44.5 | 8.68 |
تستند معايير الطيران وقواعد الطيران إلى الغلاف الجوي القياسي الدولي. وتُعاير مؤشرات سرعة الهواء على افتراض أنها تعمل عند مستوى سطح البحر في الغلاف الجوي القياسي الدولي حيث تبلغ كثافة الهواء 1.225 كجم/ م³ .
الخصائص الفيزيائية للغلاف الجوي القياسي لمنظمة الطيران المدني الدولي هي: [ 8 ]
| المعلمة | قيمة |
|---|---|
| كثافة | 1.225 كجم/ م³ |
| اللزوجة الحركية | 1.4607 × 10⁻⁵ م² ث⁻¹ |
| اللزوجة الديناميكية | 1.7894 × 10 −5 كجم م −1 ث −1 |
| الحجم المولي | 2.3645 × 10 −2 م 3 مول −1 |
| الوزن الجزيئي | 28.966 |
| الموصلية الحرارية | 2.5339 × 10⁻² واط / م⁻¹ كلفن⁻¹ |
| متوسط المسار الحر | 6.6317 × 10 −8 م |
| معدل التصادم | 6.9204 × 10⁹ ثانية⁻¹ |
| سرعة الجسيمات | 4.5894 × 10² مللي ثانية⁻¹ |
| كثافة العدد | 2.5475 × 10²⁵ م⁻³ |
الأجواء القياسية الأخرى
الغلاف الجوي القياسي الأمريكي عبارة عن مجموعة من النماذج التي تحدد قيم درجة حرارة الغلاف الجوي وكثافته وضغطه وخصائصه الأخرى على نطاق واسع من الارتفاعات. نُشر النموذج الأول، المستند إلى معيار دولي قائم، عام 1958 من قِبل اللجنة الأمريكية المعنية بتوسيع نطاق الغلاف الجوي القياسي، [ 9 ] وجرى تحديثه في أعوام 1962، [ 5 ] و 1966، [ 10 ] و1976. [ 11 ] يتطابق الغلاف الجوي القياسي الأمريكي، والغلاف الجوي القياسي الدولي، والغلاف الجوي القياسي للمنظمة العالمية للأرصاد الجوية مع الغلاف الجوي القياسي الدولي ISO للارتفاعات التي تصل إلى 32 كيلومترًا. [ 12 ] [ 13 ]
يُعدّ NRLMSISE-00 نموذجًا حديثًا للغلاف الجوي للأرض من سطحها إلى الفضاء، طوّره مختبر الأبحاث البحرية الأمريكي مع الأخذ في الاعتبار بيانات مقاومة الهواء الفعلية للأقمار الصناعية. ويُستخدم هذا النموذج بشكل أساسي للمساعدة في التنبؤ بانخفاض مدارات الأقمار الصناعية نتيجةً لمقاومة الهواء . وتوصي كلٌّ من معيار COSPAR الدولي المرجعي للغلاف الجوي (CIRA) لعام 2012 ومعيار ISO 14222 لكثافة الغلاف الجوي للأرض باستخدام NRLMSISE-00 في تطبيقات تحليل التركيب.
يُعدّ JB2008 نموذجًا أحدث للغلاف الجوي للأرض من ارتفاع 120 كم إلى 2000 كم، طُوّر بواسطة قيادة الفضاء التابعة للقوات الجوية الأمريكية وشركة تقنيات البيئة الفضائية ، مع مراعاة الإشعاع الشمسي الواقعي والتطور الزمني للعواصف المغناطيسية الأرضية. [ 14 ] وهو مفيدٌ للغاية لحساب اضمحلال مدارات الأقمار الصناعية نتيجةً لمقاومة الغلاف الجوي . وتوصي كلٌّ من CIRA 2012 وISO 14222 باستخدام JB2008 لحساب كثافة الكتلة في تطبيقات مقاومة الغلاف الجوي.
انظر أيضاً
مراجع
- ↑ المنظمة الدولية للتوحيد القياسي ، الغلاف الجوي القياسي ، ISO 2533:1975، 1975.
- 1 2 غيات، غراهام (14 يناير 2006): "الغلاف الجوي القياسي" مؤرشف في 10 مارس 2007 على موقع Wayback Machine . نموذج رياضي للغلاف الجوي القياسي الأمريكي لعام 1976.
- ↑ أولد، دي جيه؛ سرينيفاس، ك. (2008). "خصائص الغلاف الجوي" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 2013-06-09 . تم الاسترجاع بتاريخ 2008-03-13 .
- ↑ باتشيلور، جي كي، مقدمة في ديناميكا الموائع ، مطبعة جامعة كامبريدج، 1967.
- 1 2 3 الغلاف الجوي القياسي الأمريكي، 1962، مكتب الطباعة الحكومي الأمريكي، واشنطن العاصمة، 1962
- ↑ Mathworks atmosnonstd
- ↑ دليل الغلاف الجوي القياسي لمنظمة الطيران المدني الدولي (ممتد إلى 80 كيلومترًا (262500 قدمًا)) ( الطبعة الثالثة). منظمة الطيران المدني الدولي . 1993. ISBN 92-9194-004-6. Doc 7488-CD.
- ↑ تينانت، آر إم (1971). كتاب بيانات العلوم . هارلو: أوليفر وبويد. ص 79. ISBN 0050024876.
- ↑ ملحق الولايات المتحدة لمعيار الغلاف الجوي لمنظمة الطيران المدني الدولي، مكتب الطباعة الحكومي الأمريكي، واشنطن العاصمة، 1958
- ↑ ملاحق الغلاف الجوي القياسي الأمريكي، 1966، مكتب الطباعة الحكومي الأمريكي، واشنطن العاصمة، 1966
- ↑ الغلاف الجوي القياسي الأمريكي ، 1976، مكتب الطباعة الحكومي الأمريكي، واشنطن العاصمة، 1976 (حجم الملف المرفق 17 ميجابايت)
- ↑ ناسا ، "الغلاف الجوي القياسي الأمريكي 1976" ، مؤرشف بتاريخ 13 مايو 2006 في أرشيف الإنترنت
- ↑ توماسي، سي.؛ فيتاكي، في.؛ دي سانتيس، إل في (1998). "دوال الكتلة الضوئية النسبية للهواء وبخار الماء والأوزون وثاني أكسيد النيتروجين في نماذج الغلاف الجوي التي تعرض ظروفًا عرضية وموسمية مختلفة". الأرصاد الجوية وفيزياء الغلاف الجوي . 65 (1): 11-30 . Bibcode : 1998MAP....65...11T . doi : 10.1007/BF01030266 . S2CID 123129752. ...
الغلاف الجوي القياسي للمنظمة الدولية للتوحيد القياسي (ISO)، 1972. هذا النموذج مطابق للأغلفة الجوية القياسية الحالية لمنظمة الطيران المدني الدولي (ICAO) والمنظمة العالمية للأرصاد الجوية (WMO) حتى ارتفاع 32 كم
- ↑ "JB2008" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 15-07-2023 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 10-08-2021 .
- ديفيز، مارك (2003). الدليل القياسي لمهندسي الطيران والفضاء . نيويورك: ماكجرو هيل. ISBN 0-07-136229-0.
- ملاحظات مرجعية من مختبر الدفع النفاث التابع لناسا
- منظمة الطيران المدني الدولي (ICAO)، دليل الغلاف الجوي القياسي لمنظمة الطيران المدني الدولي (ممتد إلى 80 كيلومترًا (262500 قدمًا)) ، الوثيقة 7488-CD، الطبعة الثالثة، 1993، رقم ISBN 92-9194-004-6.
روابط خارجية
- حاسبة الغلاف الجوي القياسي لعام 1976 عبر الإنترنت مع جداول ورسوم بيانية. رقمي هولندي
- حاسبة ويندوز متعددة اللغات تحسب خصائص الغلاف الجوي (القياسي وغير القياسي!) وفقًا لـ "معيار الغلاف الجوي لعام 1976" وتحول بين سرعات جوية مختلفة (حقيقية / مكافئة / معايرة) وفقًا لظروف الغلاف الجوي المناسبة
- نسخة مجانية لنظام أندرويد لنموذج الغلاف الجوي القياسي الدولي الكامل
- حاسبة الغلاف الجوي القياسي ومحول السرعة من نيو بايت
- حاسبة الغلاف الجوي لمنظمة الطيران المدني الدولي (ICAO) - مؤرشفة بتاريخ 11 أكتوبر 2008 على موقع Wayback Machine
- معايير منظمة الطيران المدني الدولي (ICAO) مؤرشفة بتاريخ 16 سبتمبر 2009 على موقع Wayback Machine
- آلة حاسبة كاملة بنظام التوفير الفردي (طراز 1976)
- شفرة المصدر والمراجع الخاصة بـ JB2008، مؤرشفة بتاريخ 15 يوليو 2023 على موقع Wayback Machine.
- حاسبة الغلاف الجوي القياسي لمنظمة الطيران المدني الدولي لعام 1993
- غلاف الأرض الجوي
- الديناميكا الحرارية للغلاف الجوي
- علم الأرصاد الجوية للطيران
- معايير ISO