3. Физико-химические параметры и свойства атмосферы. Структура атмосферы.

Понятие турбулентности. Модель стандартной атмосферы.

Наиболее характерными особенностями земной атмосферы являются:

— слоистость строения и выраженная нестационарность;

— сосредоточение более 3/4 всей ее массы в относительно тонком околоземном слое и

высокий уровень разреженности ее вне этого слоя;

— изменение по мере удаления от поверхности Земли физических параметров воздуха, его

химического состава и электрических свойств;

— инерционность, вязкость и сжимаемость воздуха как и любого реального газа.

Атмосфера Земли представляет собой сложную смесь газов, которая содержит до 78% азота и

до 21% кислорода, а также очень незначительное количество других газов (аргона, гелия,

углекислого газа, водорода, неона, криптона, метана, озона и пр.).

На высотах до 100...110 км наблюдается сильное перемешивание газов и состав воздуха

меняется мало.

Физические параметры воздуха (барометрическое давление, температура, плотность,

удельный вес и др.), его химический состав и электрические свойства существенно изменяются

по мере удаления от земной поверхности. По сравнению со средним уровнем моря (Н=0)

плотность воздуха и барометрическое давление уменьшаются: примерно в 14 раз на высоте 20

км, в 70 раз — на 30 км, в 1140 раз — на 50 км и в 2000000 раз — на 100 км. По существу вся

масса земной атмосферы сосредоточена в очень узком приземном слое.

Атмосфера Земли весьма неоднородна и нестационарна. Она имеет слоистое строение по

высоте. В зависимости от характера изменения температуры воздуха с высотой (рис. 1. 3) обычно

выделяют следующие пять характерных слоев:

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

Границы указанных слоев: тропопаузи, стратопаузи, мезопауза и термопауза

условны. Они меняются в зависимости от времени и места и представляют собой

переходные слои атмосферы толщиной от нескольких сотен метров до нескольких

километров.

Особо выделяется также область высот от 10 до 50 км с повышенной концентрацией

атомарного и трехатомного кислорода (озона) — озоносфера. Максимальная концентрация

озона обычно наблюдается на высотах 25...28 км. Озоносфера выполняет важную

защитную роль, так как в значительной мере поглощает губительную для биологических

форм жизни на Земле ультрафиолетовую часть солнечного спектра.

Характерная для атмосферы Земли нестационарность проявляется обычно как в виде

постоянно происходящих в ней различных по силе циклических (регулярных суточных,

сезонных, годовых) и случайных отклонений поясных значений физических параметров

воздуха от своих средних значений для каждой точки околоземного пространства, так и в

виде локальных изменений направления и скорости движения относительно земной

поверхности отдельных воздушных масс.

Турбулентность, явление, наблюдаемое во многих течениях жидкостей и газов и

заключающееся в том, что в этих течениях образуются многочисленные вихри различных

размеров, вследствие чего их гидродинамические и термодинамические характеристики

(скорость, температура, давление, плотность) испытывают хаотические флуктуации и

потому изменяются от точки к точке и во времени нерегулярно. Этим турбулентные

течения отличаются от так называемых ламинарных течений.

При этом атмосферная турбулентность является обычным состоянием нижних слоев

атмосферы Земли. Такому ее состоянию свойственно беспорядочное изменение давления и

температуры воздуха, скорости и направления ветра. Эти изменения обусловливаются как

топографической неоднородностью поверхности Земли, ее теплофизическими свойствами,

приводящими к неравномерному в пространстве нагреванию и охлаждению, так и

особенностями вертикальных профилей температуры и скоростей воздушных потоков. На

очень малых высотах (порядка 50 — 150 м) наблюдаются значительные градиенты скорости

ветра, порождающие в летние месяцы динамическую турбулентность, или большие

вертикальные градиенты температуры, вызывающие термическую турбулентность. В этих

условиях обычно наблюдаются сильные горизонтальные и вертикальные порывы ветра,

существенно влияющие на взлет и посадку ЛА. Интенсивная атмосферная турбулентность

вызывает болтанку, является одним из основных возмущающих движение ЛА внешних

факторов.

Поскольку температура и плотность воздуха оказывают большое влияние на

аэродинамические характеристики ЛА и работу его силовой установки, результаты летных

испытаний каждого ЛА должны приводиться к единым для всех ЛА эталонным

атмосферным условиям, не зависящим от географических координат места проведения

испытании, времени года и времени суток, а также от фактического состояния погоды в

момент проведения полета. Только таким образом может быть обеспечена возможность

сравнивать между собой как характеристики различных ЛА (отечественных и зарубежных),

так и результаты летных испытаний одного и того же ЛА, полученные в разное время из

многих полетов.