标准大气

标准大气相关书籍　　假定大气是静止的、干洁的理想气体，在给定海平面气温、气压、密度以及温度随高度变化的廓线的条件下，由流体静力学方程和气体状态方程计算得到各高度的温度、气压和密度的数据。另外，在标准大气中还对各高度上大气的成分、标高、重力加速度、空气质点数密度、质点平均速度、平均碰撞频率、平均自由程、平均分子量、音速、粘滞系数、热传导率等有所规定。它可作为压力测高表校准、航空器性能计算、飞机和火箭设计、弹道查算表和气象图表制作的依据。

　　中国国家标准规定的标准大气压，采用海平面温度为15℃，气压为101.325千帕，密度为1.2250千克／米3；在11千米以下，高度每增高100米，温度降低0.65℃；在11～20千米，温度保持－56.5℃。这样规定的标准大气压，与中国中纬度（北纬45°）实际大气十分接近。

　　铅直方向温度、气压和密度按一种假定的规律分布的模式大气。它能粗略反映中纬度地区多年的大气年平均状况，并得到一国或国际组织所承认。一种标准大气，除相隔多年发现和实际情况相差较大应做修正外，不许经常变动。如果同时考虑大气参数随纬度和季节等变化而拟订的大气模式，则称为参考大气或标准大气补充。

　　1919年A.图森提出了第一个国际标准大气提案。该模式采用的海平面温度为15℃；在11公里以下，高度每增加100米，温度降低0.65℃；在11～20公里范围内,温度保持-56.6℃。这个标准,在1920年被作为制定早期航空标准大气的基础，1922年被欧洲很多国家所采用。该模式给定的对流层中温度的分布，大气层仍为现代各标准大气所采用。多年来，国际上曾出现过多种大气模式，其中除了有美、苏等国编制的标准大气外，还有为国际标准化组织(ISO)、世界气象组织(WMO)、国际民用航空组织(ICAO)和空间研究委员会(COSPAR)等所采用的标准大气或参考大气，在国际上影响较大的是1962年和1976年的美国标准大气。

　　1962年美国标准大气(USSA-1962)是由美国标准大气推广委员会（COESA）提出的,它能反映太阳黑子数从最小值到最大值期间,中纬度地区在-5～700公里高度范围的大气全年平均状况。1964年国际民用航空组织就采用它作为32公里以下大气的国际标准，1973年也采用它作为50公里以下大气的国际标准。ICAO和WMO参加了ISO的有关标准大气的全部起草过程，这一标准在当时为美、苏、英、法、日等20个成员国所赞成，并取得了国际上的广泛承认。以后，从火箭和卫星探测的丰富资料中人们发现，1962年美国标准大气规定的密度，在70～80公里范围内，约偏大10％,在90公里附近,约偏小10％；所规定的外逸层温度,偏高500K。因此,COESA对USSA-1962进行了修订，编制出1976年美国标准大气。它能代表中等太阳活动期间，中纬度地区由地面到1000公里的理想静态大气的平均结构。这个标准在位势高度51公里以下和USSA-1962完全相同，50～80公里与ISO的暂用国际标准一致。COESA工作组认为，USSA-1976是表示大气平均状况的最佳模式。

　　鉴于多年来中国尚无统一的大气标准,而USSA-1976是一个较为成熟的大气模式,其50公里以下已为ISO选用，且同ICAO和WMO标准大气的相应部分也一致,其30公里以下同中国中纬度(45°N)实际大气又十分接近，故中国国家标准总局已将USSA-1976的30公里以下部分选作中国的国家标准(GB1920-80),自1980年5月1日起实施。当然，在考虑具体问题时，仍应注意纬度和季节对实际大气的影响。

　　包围整个地球的空气总称为大气。在大气层内温度、压强等随高度发生变化。按其变化特征，可将大气分为若干层。

对流层　　（1）对流层------从海平面起算的最低一层大气，高度8-12km。在这一层内密度最大，所含空气质量约占整个大气质量的3/4。空气存在上下流动，雷雨和风暴等气象变化均发生在这一层内，温度随高度直线下降。

　　（2）平流层----高度从12—32km，所含空气质量占整个大气的1/4。大气只有水平方向的运动，没有雷雨等气象变化。从12-20km，温度不变T=216.65K（同温层）；从20-32km，温度随高度而上升。

　　（3）中间大气层---高度从32-80km，在这一层温度先是随高度上升，在53km处达到282.66K，以后下降，在80km处降低到196.86K。这一层的空气质量约占总质量的1/3000。

　　（4）高温层---高度80-400km，温度随高度上升，到400km处达1500-1600K。在150km以上，由于空气过分稀薄，可闻声已经不存在。

　　（5）外层大气—高度400—1500-1600km，空气分子有机会逸入太空而不与其它分子碰撞。空气质量占总质量的10-11。

　　空气主要成分：N2占78%，O2占21%。

　　普通飞机主要在对流层和平流层里活动。

　　机最大高度39km，探测气球44km，人造卫星100-1000km。大多数陨石消灭在40-60km。

曲线图　　气象条件逐日都有些变化，更不用说不同的季节了,并且不同地区气象也不相同。无论做飞行器设计，还是做实验研究，都要用到大气的条件，为了便于比较，工程上需要规定一个标准大气。这个标准是按中纬地区的平均气象件定出来的。这样做计算时，都依此标准进行计算；做实验时，也都换算成标准条件下的数据。

　　标准大气规定在海平面上，大气温度为15℃或T0=288.15K，压强p0=760毫米汞柱=101325牛/米2，密度ρ0=1.225千克/米3

　　从基准面到11km的高空称为对流层，在对流层内大气密度和温度随高度有明显变化，温度随高度增加而下降，高度每增加1km，温度下降6.5K，即：

　　从11km到21km的高空大气温度基本不变，称为同温层，在同温层内温度保持为216.5K。

　　高度大于21km以上时大气温度随高度的变化参见下图，大气温度随高度变化的原因复杂，主要因素有：地表吸收太阳热量、臭氧吸热与电离放热、空气或宇宙尘埃受短波辐射升温等。

　　我们可以用静平衡微分方程把压强随高度而下降的变化规律推导出来。出发点只能是平衡微分方程，因为大气的密度ρ是变量。

　　某个高度上的大气压强可以看作是单位面积上一根上端无界的空气柱的重量压下来的结果，如图所示。

　　在如图坐标系中，考虑某高度上的单位质量空气微元，其受到的质量力分量为：

　　代入平衡微分方程：

　　根据状态方程，密度写为压强和温度的表达即，代入平衡微分方程得：

　　T是高度y的已知函数，严格说来g也随y有所变化，但在对流层这个范围内，其影响极小，这里就把它当作常数看了，其值为9.80665米/秒2。将T的式子代入，即可分离变数。