Какая температура на высоте
Привет, друзья!
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 :-)).
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.
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.
Строение атмосферы Земли.
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-25РБ – 23000 м.
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.
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…
Источник
Температура за бортом самолета на высоте 10000 метров будет определяться соотношением субтропических широт со временем года. Средние показатели данной высоты достигают -55 °С.
Рассуждая логически, можно заключить: чем выше от земли, тем теплее, потому что ближе к солнцу. Ведь солнце — это источник тепла, а оно вверху. Однако, происходит обратное, чем выше взлететь, тем холоднее будет. А всё потому, что тепло поднимается от земли, прогретой солнечными лучами.
Что такое атмосфера?
Атмосфера — это воздушная масса, которая окружает землю и вращается вместе с ней с определённой скоростью. Атмосфера состоит из смеси газов (азот, озон, кислород, углекислый газ, гелий), а также примесей — замёрзшие частички влаги, пыль, морская соль, капельки воды, вещества горения. Некоторые погодные явления формируются высоко в атмосфере. Благодаря ей люди, животные, растения могут дышать. Проще говоря, земная жизнь возможна благодаря кислороду, содержащемуся в атмосфере.
Температурные показатели за бортом самолета на высоте 10000
Летом атмосфера охлаждается с каждым километром приблизительно на 6°С. Поэтому можно легко подсчитать: если около земли +15 °С, значит, на расстоянии 10 км от земли показатели термометра будут составлять -45°С.
Зимой температура высчитывается по-другому. На расстоянии 10 км она будет значительно ниже, чем летом. Температурные данные воздуха зимой на расстоянии 10000 км труднее вычислить, чем в летнее время.
Температурные показатели за бортом самолета на разной высоте полета
Зависимо от высоты полёта плотность воздуха будет отличаться. Воздух верхних слоёв тропосферы разряжен. А чем более разряжена газовая среда, тем меньше способна проводить и удерживать тепло. Поэтому солнечные лучи, проходя сквозь, не прогревают верхние слои атмосферы. Однако земная поверхность (суша и вода), поглощает тёплые солнечные излучения. Затем земля источает полученное тепло. Чем ближе к ней, тем больше тепла. Таким неравномерным образом прогревается весь слой тропосферы.
Излучение тепла, идущее от земной поверхности вверх, способно прогреть воздух всего лишь до 15–18 км. Выше этой границы температурные показатели значительно уменьшаются. Но пассажирские авиалайнеры так высоко не летают.
Структура атмосферы за бортом
Верхняя часть тропосферы варьируется от 8 до 18 км. Такая разница объясняется различием тропических, полярных и умеренных широт. Нижняя часть атмосферы вмещает 80% всей воздушной массы и почти все водяные пары, которые содержаться в воздухе.
В тропосфере образуются облака всех ярусов, формируются циклоны, антициклоны, выпадают осадки. Нижние её слои плотнее, что является причиной турбулентности. Содержание газов верхних слоёв тропосферы ограниченно, из-за чего снижается атмосферное давление и плотность. На больших высотах полёты проходят более комфортно.
Температурные данные за бортом авиалайнера
Какая температура за бортом самолета? На этот вопрос сложно дать конкретный ответ. Многое зависит от того, какое время года выбрано для полёта, а также местоположение лайнера относительно климатических поясов. От этих данных будет зависеть воздушная плотность, а значит, и формула, по которой рассчитываются показатели термодатчиков. В разных климатических поясах метеорологические данные будут сильно отличаться.
Для чего нужно знать температуру воздуха при полёте? Эти данные позволяют рассчитать тягу двигателя, подъёмную силу крыла, расход топлива и нагрузку на разные элементы самолёта. От этого зависит безопасность полёта.
Источник
Что вы знаете о небе над головой? Поговорим о воздушном океане, на дне которого мы с вами живем, и только очень изредка «всплываем» на его поверхность. Но это не точно! Ведь, уже утверждают, что он простирается до Луны.
© Коллаж «Познавательная копилка»
Часть первая. Подъем до линии Теодора фон Кармана. Первые 100 километров.
5–5,5 километров – Осторожно, физиологическая зона атмосферы заканчивается
На высоте 5 тыс. метров и атмосферное давление, и содержание кислорода в воздухе падает вдвое. Без предварительной и долгой акклиматизации вы не выдержите в таких условиях и пары часов.
Но, практически под «потолком» этой отметки, в Андах, на высоте 5 100 метров расположен самый высокогорный город в мире – Ла-Ринконада (Перу).
Нехватка кислорода хорошо «компенсируется» другим химическим элементом – золотом. Золотые рудники привлекают сюда массу людей. В 2012 году население города составило около 50 тыс. человек.
Для справки: 99 % населения планеты проживает до высоты 2 км.
9 километров – «дышите глубже»
9 тыс. метров – предел приспособляемости к кратковременному дыханию атмосферным воздухом. Вершина горы Эверест (Джомолунгма), что в Гималаях, немного не дотягивает до этого показателя. Она находится на высоте 8 848 метров над уровнем моря.
Подъем на Джомолунгму занимает от 2-х месяцев. Из них около месяца уходит на акклиматизацию.
Выше пешком человек подняться не может. А птицы, подняться могут?
10–11 километров – верхний эшелон пернатых
Как высоко летают птицы? Да и что их может заставить подняться на большие высоты? Ответ: Те же самые Гималаи – высочайшая горная система Земли. Через эти горы проходят миграции многих птиц. И понятно, что им приходится перелетать их на больших высотах.
Горные гуси Anser indicus обитают в высокогорных озерах по всей Центральной Азии. На зиму они мигрируют на юг через Гималаи. Это одни из самых высоко летающих птиц. Зафиксирован случай полета горных гусей на высоте 10 175 метров. Они способны пролететь над Гималаями всего за 8 часов. Серый журавль пока на втором месте – зафиксирован перелет через Гималаи на высоте 10 050 метров.
© theadventuremedic.com
Можно ли выше?
Африканский сип, он же гриф Рюппеля живет в саваннах на севере (южнее Сахары) и востоке Африки. В 1973 году зафиксирован случай столкновения птицы с самолетом на высоте 11 277 метров. Правда, не понятно, что заставило птицу так высоко подняться.
10–12 километров – «над погодой»
Здесь заканчивается тропосфера, «погодный» слой (страта) атмосферы, и начинается стратосфера. Граница между ними называется тропопауза (в средних широтах она находится на высоте 10–12 км).
Чтобы был понятен смысл выделения тропосферы в отдельный слой скажем: Практически все погодные явления протекают в тропосфере (нижней части атмосферы), и только отчасти, с некоторой условностью в стратосфере (до 50 километров). Тропопауза это граница подъема обычных облаков.
Прогноз погоды, который вы смотрите по телевизору, касается, прежде всего, тропосферы. В тропосфере сосредоточено более 80 % всей массы атмосферного воздуха. Здесь сосредоточена преобладающая часть водяного пара, образуются облака, формируются атмосферные фронты, развиваются циклоны и антициклоны, происходят многие другие процессы, определяющие погоду и климат.
Все это осталось под нами, а нам еще есть куда подниматься..
12 км – потолок дозвуковых пассажирских авиалайнеров
Чтобы было понятно: сверхзвуковые пассажирские самолеты Ту-144 и «Конкорд» отличаются от простых «Эрбасов» и «Боингов» не только скоростью полет, но и высотой.
Обычные (дозвуковые) пассажирские самолеты летают на высотах 9-12 км. Ту-144 осуществлял полеты на высоте 16000-17000 метров со скоростью 2000 км/ч. Его практический потолок (максимальная высота реального применения летательного аппарата) с двигателем РД-36-51А составлял 20 километров.
20 км – «Ближний космос» начинается
Идеальное место для космического туризма. Вид из иллюминатора почти как на орбите, но спутники здесь еще не летают. Небо от темно-фиолетового до черно-лилового (на больших высотах). Горизонт имеет характерный изгиб.
20–22 км – верхняя граница биосферы
Жизнь сюда поднимается ветром. Но это, как правило, только споры и бактерии.
20–25 км – тот самый озоновый слой
Для справки (если вдруг кто-то не знает): озон это газ, состоящий из трехатомных молекул кислорода. Молекулы того кислорода, которым мы дышим, имеют только два атома. Трехатомные молекулы образующегося в результате воздействия ультрафиолетового излучения Солнца на обычный двухатомный кислород.
Озоновый слой появился в атмосфере только 500—600 млн лет назад, когда в ней вследствие фотосинтеза накопилось достаточно кислорода.
25–26 км — максимальная высота реального применения существующих реактивных самолетов
А вот здесь уже практический потолок и для реактивных самолетов военного назначения. Практический потолок стратегического сверхзвукового самолета-разведчика ВВС США Lockheed SR-71 «Blackbird» 25910 метров.
Но это совсем не значит, что самолеты не летают выше. Как же так? Читаем дальше.
30 км – мечта космических туристов: «В космос на воздушном шаре»
Американская компания World View планировала отправлять туристов на высоту около 30 километров. Но не в ракете или самолете, а в капсуле, прикрепленной к воздушному шару размером с футбольное поле. Полет 6 часов, из них 4 на заданной высоте. Напомню, внешне здесь практически космос. Только невесомости нет. Фантастика! Но пока не сложилось.
©World View
34,4 километров – прилетели на Марс
Шутка, но с долей истины. Этой высоте соответствует среднее давление у поверхности Марса. Парашютные системы посадки на Красную планету, NASA испытывает именно здесь.
Хотя «Аэродинамический надувной замедлитель сверхзвуковой скорости» (Supersonic Inflatable Aerodynamic Decelerators) не сильно похож на привычный нам парашют. Он больше похож на «летающую тарелку». Надувной замедлитель поднимали на воздушном шаре на высоту 36 км, а потом с помощью ракетных двигателей еще до высоты в 55 км. После чего сбрасывали.
37 км – динамический потолок для самолетов
Кроме практического потолка (см. выше) есть еще динамический. Для достижения динамического потолка летательный аппарат разгоняется до максимальной скорости, а затем выполняет маневр с набором высоты (горку).
Рекорд высоты полета для самолетов установлен 21 августа 1977 года летчиком-испытателем Александром Федотовым на МиГ-25 – 37 650 метров.
41 км – почему бы не спрыгнуть с парашютом?
41 425 метров — рекорд высоты стратостата, управляемого одним человеком, а также рекорд высоты прыжка с парашютом. 24 октября 2014 года Алан Юстас, на тот момент один из топ-менеджеров Google, был привязан к воздушному шару и таким образом добрался до стратосферы. От туда и сброшен. Все было добровольно и Алан был в скафандре.
«Естественно» это произошло в городе Розуэлл. Местным жителям так давно на голову ничего не падало.
50–55 км — Все стратосфера закончилась. Дальше только на ракете
Дальше мезосфера. Граница между стратосферой и мезосферой называется стратопауза. Известна мезосфера своими «подкосмическими» серебристыми облаками (75—85 км). Да, космос уже близко.
«Подкосмические» облака / © Подборка ЯндексКартинки
Кроме того, мезосфера это «святая инквизиция» для «пришельцев из космоса». Это, то самое место, где сгорают практически все «небесные камни» не сумевшие избежать притяжения нашей планеты. Видите в ночном небе метеор – значит наблюдаете действие очищающего огня мезосферы.
Мезосфера известна еще и тем, что в ней зажигают звезды. Искусственные. Кому и зачем это нужно мы разбираем здесь.
Воздух на такой высоте слишком разрежен, чтобы поддерживать полет самолетов или аэростатов, и в то же время слишком плотен для полетов искусственных спутников. Чтобы изучить этот слой атмосферы, сюда запускают только суборбитальные метеорологические ракеты. 20 сентября 2013 года к мезосфере подобрался (53,7 км) японский метеозонд BS13-08, и это рекорд высоты полета беспилотного газового аэростата.
► Если вы «поднялись» с нами до этого места, значит Вам интересно. Не забудьте поставить «лайк», он же «большой палец вверх», этой статье.
80 км — над США начинается космос
На самом деле граница между космосом и атмосферой чистая условность. Да и весь мир, пока, придерживается границы в 100 км. Но для ВВС США граница атмосферы и космоса — 50 миль (80,45 км) над уровнем моря. Преодолевшие эту высоту пилоты получают звание астронавта. То же делает и NASA.
100 км — космос начинается над остальным миром
Это официальная международная граница между атмосферой и космосом рубеж между аэронавтикой и космонавтикой (астронавтикой).
Считается, что на этой высоте атмосфера становится настолько разреженной, что аэродинамическая авиация становится невозможной, так как скорость летательного аппарата, необходимая для создания достаточной подъемной силы, становится больше первой космической скорости. Для достижения еще больших высот необходимо пользоваться средствами космонавтики.
Эту границу вычислил еще американский ученый венгерского происхождения Теодор фон Карман, в честь него она и названа.
Теперь, нужна небольшая передышка и автору и читателям. В любом походе и экскурсии нужен привал. Тем более, что далее нам предстоит подъем до Луны.
Чтобы продолжить экскурсию подпишитесь на канал и поставьте «лайк». Продолжение статьи, как только оно выйдет, появится в вашей ленте публикаций.
Пока можете почитать другие статьи серии «3 минуты чтения и все понятно» (Например: «Как устроены ракетные двигатели» и ее продолжение: «Фау-2, Розуэлл и бензиновые ракеты доктора Годдарда») и еще много чего интересного в каталоге канала.
Источник