ISO 5878-1982 Reference atmospheres for aerospace use《航空航天用参考大气》.pdf

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1、. : Norme international6 5878 INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATIONWlEYHAPOHAR OPI-AHMSAl acclration de la pesanteur . Modles atmosphriques jusqu 80 km daltitude . 3.1 Modle annuel pour la latitude 15O. . 3.2 Modlessaisonnierspour30,45,60et80N . 3.3 Rgimes stratosphrique et msosphrique chau

2、ds et froids pour 60 et 80 N en dcembre-janvier . Variations dans le temps et dans lespace. 4.1 Variations saisonnires et latitudinales 4.2 Variations longitudinales Frquence de distributions des relevs de temprature et de masse volumique . Tableaux des caractristiques des atmosphres de rfrence (tab

3、leaux 3 15) Tableaux1622 Figuresl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Page 1 1 2 2 5 6- 18 19-32 33-

4、37 38-39 . . . III Page blanche NORME INTERNATIONALE ISO 58784982 (F) Atmosphres de rfrence pour lapplication arospatiale 1 Objet et domaine dapplication La prsente Norme internationale fournit des informations con- cernant les variations des caractristiques de latmosphre en fonction des saisons, de

5、s latitudes, des longitudes, ou dun jour lautre, des altitudes comprises entre la surface du sol et 80 km. 2 Gnralits Les variations systmatiques des caractristiques de latmos- phre (en fonction des saisons et des latitudes) sont reprsen- tes, jusqu 80 km daltitude, par une famille de modles com- pr

6、enant les atmosphres de rfrence suivantes: Titre Tropical Latitude PAriode de Iannbe 15O Moyenne annuelle I Subtropical 1 30 N 1 Juin-juillet et dcembre-janvier Latitude moyenne I / 45O N Juin-juillet et dcembre-janvier Subarctique 60 N Juin-juillet et dcembre-janvier Rgimes stratosphrique et msosph

7、rique froids et chauds pour dcembre-janvier I Arctique 1 80N 1 C omme pour subarctique Pour la normalisation de cette famille datmosphres de rf- rence, les hypothses suivantes ont t utilises: a) lexception du modle correspondant 15O de lati- tude, on considre que les atmosphres de rfrence sont appli

8、cables seulement dans lhmisphre Nord. Cependant, on estime quelles sont trs proches des conditions corres- pondant aux latitudes moyennes dans lhmisphre Sud. b) Les modles sont dfinis par les profils de temprature - altitude, dans lesquels les gradients verticaux de temp- rature sont constants en fo

9、nction de laltitude gopoten- tielle lintrieur de chacune des couches. c) On suppose que lair est un gaz parfait, exempt dhumi- dit ou de poussire. d) On suppose que la masse molaire de lair sec, iW = 28,964 420 kg 9 kmol- 1 est constante aux altitudes inf- rieures 80 km. La constante spcifique des g

10、az pour lair sec, R, est gale 287,052 87 J 9 K - 1. kg - 1 (tableau 1). e) Les caractristiques telles que linversion sous les tropi- ques, et linversion de surface en hiver dans les rgions arc- tiques et subarctiques sont incluses dans les modles. Tableau 1 - Principales valeurs utiliss pour le calc

11、ul des atmosphres de rfrence Symboles Valeurs Unit acclration de la pesanteur Les valeurs numriques des diverses grandeurs thermodynami- ques et physiques utilises pour la calcul des caractristiques de latmosphre sont les mmes que celles utilises pour IISO 2533 ( Atmosphre type, deux exceptions prs:

12、 les conditions de surface pour chacune des atmosphres de rf- rence sont bases sur les valeurs de temprature, de pression et de masse volumique au niveau de la mer, pour la saison et la latitude appropries, et les valeurs de lacclration de la pesan- teur au niveau de la mer pour les latitudes autres

13、 que 45O, ont t obtenues partir de lquation de Lambertll, dans laquelle lacclration de la pesanteur est une fonction de la latitude cp: gou, = 9,806 16 (1 - 0,002 637 3 COS 2 + 0,000 005 9 cos22p) m+r21 Les valeurs obtenues partir de cette relation, ainsi que les tempratures et pressions au sol sont

14、 donnes dans le tableau 2. Pour la latitude 45 N, les valeurs de gou, et de rV sont tires de IISO 2533. 2.2 quation dquilibre statique et loi des gaz parfaits Latmosphre, immobile par rapport la Terre, est soumise la pesanteur. La condition dquilibre statique de lair est dtermi- ne par lquation dqui

15、libre statique suivante, liant la pression de lair p, la masse volumique Q, lacclration de la pesanteur g et laltitude gomtrique h : - dp=ggdh . . . (1) La loi ds gaz parfaits lie la pression de lair la masse volumi- que et la temprature, comme suit: ,gR*T PM . . . (2) Pour les altitudes considres d

16、ans la prsente Norme inter- R* nationale, G = constante = R, do p=eRT . . . (3) Dans ltude de la rpartition de la pression dans latmosphre, il convient dintroduire le potentiel de la force de la pesanteur ou le gopotentiel qui dfinit lnergie potentielle dune parti- cule dair situe en un point donn.

17、Tout point de coordonnes X, y, z peut tre caractris par une valeur unique du gopotentiel IX, y, z). La surface reprsen- te par lquation (x, y, z) = constante a le mme potentiel en tous les points et est appele surface isopotentielle ou sur- face gopotentielle. Si lon passe, suivant la normale ext- r

18、ieure, dun point quelconque situ sur la surface GI, un point infiniment voisin, sur une seconde surface, dont le gopotentiel est G2 = QI + d, pour transfrer lunit de masse de la pre- mire surface la seconde, il est ncessaire deffectuer un tra- vail d = g(h)dh . . . (4) do, en intgrant, = s hg(hMh .

19、. . (5) 0 En divisant le gopotentiel par la valeur conventionnelle de lacclration due la pesanteur gn, on obtient H, ayant les dimensions dune longueur: f cette valeur sera donc dnomme (altitude gopotentielle). Le niveau moyen de la mer est pris comme rfrence pour les lectures des altitudes gopotent

20、ielle et gomtrique. Lquation (6) montre que pour tablir la correspondance exis- tant entre laltitude gopotentielle et laltitude gomtrique, il faut connatre la valeur de lacclration due la pesanteur g en fonction de laltitude gomtrique h. On sait que la force de la pesanteur est la somme vectorielle

21、de la force dattraction terrestre et de la force centrifuge due la Tableau 2 - Acclration de la pesanteur gocp, au niveau de la mer, rayon terrestre nominal rV tirs de lquation Il et temprature et pression au niveau de la mer, pour chaque modle latitudinal et saisonnier Latitude Acclration Rayon ter

22、restre Temprature T, K Pression p, kPa, mbar de la pesanteur nominal 0 gocp, m*s2 rvI km Dcembre-janvier Juin-juillet Dcembre-janvier Juin-juillet 15O 9,783 81 6 337,84 299,650 299,650 1,013250 x 103 1,013 250 x 103 30 N 9,793 24 6 345,65 283,150 297,150 1,020 500 1,014 ooo 45O N 9,806 65 6356,77 27

23、2,650 291,150 1,018 000 1,013 500 60 N 9,819 11 6 367,lO 256,150 282,150 1,013 ooo 1,010 200 80 N 9,830 51 6 376,56 248,950 276,650 1,013 800 1,012 ooo ISO 58784982 (F) rotation de la Terre; elle est donc une fonction complique de la latitude et de la distance radiale au centre de la Terre, et lexpr

24、ession de lacclration de la pesanteur est gnralement peu pratique lutilisation. Toutefois, une tolrance peut tre considre pour la force centrifuge, avec une prcision suffi- sante pour ces atmosphres de rfrence, en utilisant une valeur fictive ou nominale du rayon terrestre, r, chaque lati- tude. Lac

25、clration de la pesanteur g,(h) peut tre trouve pour chaque latitude et altitude en utilisant r, avec Iacclra- tion dattraction newtonienne. et, partir de lquation (7): ag, ( 2 gofp ah h=o= - . . . r, (12) En galant les parties droites de (Il ) et (12), on obtient: 2 r, = gosp . . . (13) 3,085 462 x

26、10-S + 2,27 x 10-g COS 2 o ry, est re. exprim en mtres et g, en mtres Par seconde car- Dans ce cas, CO ( 2 Ch) = QI r . . . v (7) Les valeurs de r, pour nes dans le tableau 2 les latitudes des a tmosphres sont don- o % fig est le rayon terrestre urant dans le tableau 2; nominal une latitude donne 3

27、Modles atmosphriques jusqu 80 km daltitude goq est lacclration mer la latitude p. due la pesanteur au niveau de la Les atmosphres de rfrence sont dfinies par les profils verti- caux de temprature pour chaque latitude et chaque saison voir chapitre 2, alina bl. Les distributions verticales de pres- s

28、ion et de masse volumique ont t calcules partir des profils de temprature-altitude, en utilisant lquation dquilibre stati- que (1) et la loi des gaz parfaits (3) dfinies au chapitre 2, ainsi que les valeurs moyennes appropries des pressions au niveau de la mer. Les tableaux 3 15 des tempratures et d

29、es autres caractristiques des atmosphres de rfrence sont donns au chapitre 6. De brves descriptions des variations de tempra- ture et de masse volumique en fonction des saisons, des latitu- des, des longitudes, et du jour sont donnes au chapitre 4. Aprs intgration de lquation (61, et en remplacant g

30、,(h) donn par lquation (71, on obtient les relations suivantes, entre laltitude gopotentielle et laltitude gomtrique : H= rph goql -.- r, + h g, . . . (8) SS h= CO H gP . . . g,cp -H (9) 3.1 Modle annuel pour la latitude 15O Le rayon rv est une grandeur fictive, dont la signification peut tre expliq

31、ue de la facon suivante: la force de pesanteur tant la somme vectorielle de la force dattraction terrestre et de la force centrifuge due la rotation de la Terre, prsente un cer- tain potentiel, le gopotentiel. Ce potentiel peut tre remplac par le potentiel dune sphre homogne, non rotative, de telle

32、sorte que la force dattraction terrestre la surface de la sphre soit gale celle qui existe la surface de la Terre, en grandeur et en direction. Une atmosphre annuelle moyenne a t adopte pour la lati- tude de 15O, du fait que les observations disponibles ont mon- tr que la variation saisonnire des pr

33、ofils verticaux de tempra- ture est relativement faible sous les tropiques. Un profil de tern- prature annuel moyen, reprsent la figure 1, est bas sur des observations faites Ascension (8 S, 14 W), Natal (6O S, 35O W), Fort Sherman (9” N, 80 W), Kwajalein (9” N, 168O E), Antigua (17O N, 62O W), Guam

34、 (14 N, 145O E), Grand Turk (21 N, 71 W), et par les navires de recherche Voyeikov and Shokalsky (20 S). Cette condition est remplie lorsque les drives partielles de g, par rapport h, pour h = 0 dans lquation (7) et dans Iqua- Les caractristiques typiques de la structure thermique de latmosphre trop

35、icale sont donnes la figure 1 et au tableau 3. Par exemple, en faisant systmatiquement la moyenne des donnes mensuelles de temprature-altitude, on constate lexistence dune couche isothermique denviron 2 km dpaisseur entre 15 et 18 km daltitude. Un examen des obser- vations journalires, rvle toutefoi

36、s une nette inversion a la tropopause. Cette inversion, qui est une caractristique de latmosphre tropicale, a t releve et apparat 165 km, ce qui correspond laltitude moyenne annuelle de la tropopause la latitude 15O. tion plus complexe (10) de la rfrence ll, sont gales. g,(h) = goql - (3,085 462 x 1

37、0-6 + 2,27 x x 10-g COS 2p)h + (7,254 x JO-13 + 1,0 x x 10-15 COS 2tp)h2 - (1,517 x 10-19 + 6,0 x x 10-z COS 2iplh3, . . . (10) o h est exprim en mtres et g en mtres par seconde carre. Les drives partielles de g, par rapport h , pour h = 0, sont, partir de lquation (10) : Laltitude moyenne et le mod

38、ule de linversion du vent, qui caractrisent la structure de temprature entre 2 et 3 km, au-dessus des zones des ocans tropicaux, ont t galement inclus dans le profil de temprature-altitude correspondant 3 15 de latitude. = -3,085462 x x 10-S - 2,U x 10-902 . . . (11) 3 ISO 5878-1982 (FI 3.2 Modles s

39、aisonniers pour 30, 45, 60 et BO0 N Les profils de temprature-altitude pour les atmosphres moyennes, en dcembre-janvier et en juin-juillet aux latitudes 30,45, 60 et 80 N sont reprsents la figure 1 et au tableau 16. Ils sont bass sur les sections transversales de temprature-altitude reprsentes la fi

40、gure 2. Les distribu- tions de tempratures reprsentes la figure 2 pour des altitu- des infrieures 30 km sont drives des observations de rou- tine par radiosondes. Les valeurs moyennes pour Ihemisphre Nord ont t calcules diffrentes latitudes partir des don- nes disponibles2 en donnant la mme importan

41、ce aux temp- ratures observes et interpoles, tous les 10 degrs de longi- tude. Les pressions initiales (valeurs au niveau de la mer pour chaque atmosphre) ont t obtenues partir de relevs men- suels normaux31 41 dans lhmisphre Nord. Le domaine de tempratures, entre 30 et 50 km daltitude, est bas sur

42、des mesures mtorologiques par fuses, effectues dans les stations indiques au tableau 7. Linstrumentation comprend principalement des tlmtres ports par parachutes et munis de capteurs de temprature (thermistors ou fils de rsistance). Les mesures par thermistors sont lobjet dimpor- tantes corrections

43、et incertitudes au-dessus de 50 km dalti- tude. En consquence, les donnes obtenues laide de ther- mistors ne sont utilises que pour des altitudes infrieures 50 km. Les distributions de tempratures entre 50 et 80 km daltitude sont principalement bases sur des essais la gre- nade, ou avec chute dune s

44、phre et mesures de pressions, effectus dans les stations indiques au tableau 18. On utilise des valeurs mdianes plutt que des valeurs moyen- nes, du fait que des distributions bimodales des tempratures ont lieu aux hautes latitudes en hiver, dans la stratosphre et la msosphre suprieure. Pendant les

45、autres saisons, les distri- butions sont pratiquement normales. Les dates dobservation dans lhmisphre Sud ont t dcales de six mois, pour se conformer aux saisons dans lhmisphre Nord. 3.3 Rgimes stratosphrique et msosphrique chauds et froids pour 60 et 80 N en dcembre-janvier Dans les rgions arctique

46、s et subarctiques, de brusques rchauffements et refroidissements de la stratosphre et de la msosphre en hiver, provoquent dimportantes modifications de la structure verticale de latmosphre. Le module et laltitude de la variation maximale de temprature pendant les plus importants rchauffements et ref

47、roidissements varient consid- rablement. Certaines des modifications les plus importantes ont t observes dans la stratosphre suprieure. La distribution des tempratures dans cette zone, en hiver, est bimodale, et les tempratures sont gnralement bien plus basses ou bien plus leves que la moyenne saisonniere. Par exemple, les tempra- tures releves 35 km daltitude varient de 75 K en hiver, et de 20 K en t. En consquence, les modle