Atmósfera estándar internacional

El International Standard Atmosphere ()ISA) es un modelo estático atmosférico de cómo la presión, temperatura, densidad y viscosidad de la atmósfera de la Tierra cambian sobre una amplia gama de alturas o elevaciones. Se ha establecido para proporcionar una referencia común a la temperatura y la presión y consta de tablas de valores a diversas alturas, además de algunas fórmulas por las que se derivaron esos valores. La Organización Internacional para la Normalización (ISO) publica la ISA como norma internacional, ISO 2533:1975. Otras organizaciones de normas, como la Organización de Aviación Civil Internacional (OACI) y el Gobierno de los Estados Unidos, publican extensiones o subconjuntos del mismo modelo atmosférico bajo su propia autoridad normativa.

Descripción

El modelo matemático de la ISA divide la atmósfera en capas con una distribución lineal supuesta de la temperatura absoluta T frente a la altitud geopotencial h. Los otros dos valores (presión P y densidad ρ) se calculan resolviendo simultáneamente las ecuaciones resultantes de:

• el gradiente de presión vertical resultante del balance hidrostático, que relaciona la tasa de cambio de presión con la altitud geopotencial:

${displaystyle {frac {dh}=-rho G}$, y

• la ley de gas ideal en forma molar, que relaciona densidad de presión y temperatura:

${displaystyle P=rho R_{rm {specific}T}$

a cada altitud geopotencial, donde g es la aceleración estándar de la gravedad, y R_específico es la constante de gas específica para el aire seco (287.0528J⋅kg⁻¹⋅K⁻¹). La solución es dada por la fórmula barométrica.

La densidad del aire debe calcularse para resolver la presión y se utiliza para calcular la presión dinámica de vehículos en movimiento. La viscosidad dinámica es una función empírica de la temperatura y la viscosidad cinemática se calcula dividiendo la viscosidad dinámica por la densidad.

Así, la norma consiste en una tabulación de valores a varias altitudes, además de algunas fórmulas mediante las cuales se derivaron esos valores. Para adaptarse a los puntos más bajos de la Tierra, el modelo comienza en una altitud geopotencial base de 610 metros (2000 pies) bajo el nivel del mar, con una temperatura estándar establecida en 19 °C. Con una tasa de caída de temperatura de −6,5 °C (-11,7 °F) por km (aproximadamente −2 °C (-3,6 °F) por 1000 pies), la tabla interpola los valores estándar del nivel medio del mar de 15 °C (59 °F) de temperatura, 101.325 pascales (14,6959 psi) (1 atm) de presión y una densidad de 1,2250 kilogramos por metro cúbico (0,07647 lb/pie cúbico). La tabulación troposférica continúa hasta los 11.000 metros (36.089 pies), donde la temperatura ha caído a -56,5 °C (-69,7 °F), la presión a 22.632 pascales (3,2825 psi) y la densidad a 0,3639 kilogramos por metro cúbico (0,02272 lb/pie cúbico). Entre 11 km y 20 km, la temperatura se mantiene constante.

a tasa de lapso por kilómetro altitud geopotencial (Una tasa de lapso positiva (λ ≤ 0) significa disminución de la temperatura con altura)

En la tabla anterior, la altitud geopotencial se calcula a partir de un modelo matemático que ajusta la altitud para incluir la variación de la gravedad con la altura, mientras que la altitud geométrica es la altitud directa estándar. distancia vertical sobre el nivel medio del mar (MSL). Tenga en cuenta que las tasas de lapso citadas en la tabla se dan en °C por kilómetro de altitud geopotencial, no en altitud geométrica.

El modelo ISA se basa en condiciones promedio en latitudes medias, según lo determinado por el comité técnico TC 20/SC 6. Se ha revisado de vez en cuando desde mediados del siglo XX.

Uso en condiciones diurnas no estándar

La ISA modela un día estándar hipotético para permitir una referencia de ingeniería reproducible para el cálculo y prueba del rendimiento del motor y del vehículo a diversas altitudes. No proporciona un modelo meteorológico riguroso de las condiciones atmosféricas reales (por ejemplo, cambios en la presión barométrica debido a las condiciones del viento). Tampoco tiene en cuenta los efectos de la humedad; Se supone que el aire es seco, limpio y de composición constante. Los efectos de la humedad se tienen en cuenta en el análisis de vehículos o motores agregando vapor de agua al estado termodinámico del aire después de obtener la presión y la densidad del modelo de atmósfera estándar.

Los días no estándar (fríos o calurosos) se modelan sumando un delta de temperatura específico a la temperatura estándar en altitud, pero la presión se toma como el valor del día estándar. La densidad y la viscosidad se recalculan a la temperatura y presión resultantes utilizando la ecuación de estado del gas ideal. Se han definido perfiles de temperatura de día caluroso, día frío, tropical y polar con altitud para su uso como referencias de rendimiento, como el MIL-STD-210C del Departamento de Defensa de los Estados Unidos y su sucesor MIL-HDBK-310.

OACI Atmósfera estándar

La Organización de Aviación Civil Internacional (OACI) publicó su "Atmósfera estándar de la OACI" como Doc 7488-CD en 1993. Tiene el mismo modelo que el ISA, pero extiende la cobertura de altitud a 80 kilómetros (262,500 pies).

La atmósfera estándar de la OACI, al igual que la ISA, no contiene vapor de agua.

Algunos de los valores definidos por la OACI son:

Los estándares de aviación y las reglas de vuelo se basan en la atmósfera estándar internacional. Los indicadores de velocidad del aire se calibran asumiendo que funcionan al nivel del mar en la atmósfera estándar internacional, donde la densidad del aire es de 1,225 kg/m³.

Otras atmósferas estándar

La atmósfera estándar de EE. UU. es un conjunto de modelos que definen valores de temperatura, densidad, presión y otras propiedades atmosféricas en un amplio rango de altitudes. El primer modelo, basado en una norma internacional existente, fue publicado en 1958 por el Comité de Extensión a la Atmósfera Estándar de los Estados Unidos y fue actualizado en 1962, 1966 y 1976. La Atmósfera Estándar de los Estados Unidos, la Atmósfera Estándar Internacional y la OMM (World M Las atmósferas estándar de la organización) son las mismas que la atmósfera estándar internacional ISO para altitudes de hasta 32 km.

NRLMSISE-00 es un modelo más nuevo de la atmósfera terrestre desde la tierra al espacio, desarrollado por el Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. teniendo en cuenta datos reales de arrastre de satélites. Un uso principal de este modelo es ayudar a predecir la desintegración orbital de los satélites debido a la resistencia atmosférica. Tanto la atmósfera de referencia internacional COSPAR (CIRA) 2012 como la norma ISO 14222 sobre densidad de la atmósfera terrestre recomiendan NRLMSISE-00 para usos de composición.

JB2008 es un modelo más nuevo de la atmósfera terrestre de 120 km a 2000 km, desarrollado por el Comando Espacial de la Fuerza Aérea de EE. UU. y Space Environment Technologies teniendo en cuenta irradiancias solares realistas y la evolución temporal de las tormentas geomagnéticas. Es más útil para calcular la desintegración orbital de los satélites debido a la resistencia atmosférica. Tanto CIRA 2012 como ISO 14222 recomiendan JB2008 para densidad de masa en usos de arrastre.