Земля окружена газовой оболочкой, которая создает условия жизни живых существ и защищает их от губительного действия космической радиации, идущей из глубин космоса и Солнца, ультрафиолетовых лучей и мощного теплового потока. Атмосферой принято считать ту область вокруг Земли, в которой газовая среда вращается вместе с Землей как единое целое. Полеты ЛА происходят в атмосфере и поэтому в большой степени зависят от ее характеристик и строения. Воздух, как и любой газ, обладает неограниченной способностью расширяться и равномерно заполнять предоставленный ему объем, в то же время воздух, находясь в гравитационном поле Земли, обладает большим весом. Считают, что вес атмосферы составляет примерно 51,7-Ю18 Н. Благодаря этому плотность воз-
дсха и атмосферное давление максимальные у Земли по мере подъема на высоту постепенно уменьшаются. На высоте в несколько тысяч километров плотность принимают равной Ю-24 г/см3.
Воздух, составляющий атмосферу, представляет собой механическую смесь га.юв, содержание которых (по объему) в Аижних слоях следующее: азот ~78%, кислород ~21%, аргон <~0,93%, другие газы (углекислый газ, водород, неон, гелий) ~0,07%. Относительный состав
постоянных компонентов атмосферы практически не изменяется до высоты 90 км. До высоты 400—600 км сохраняет преи- ммдество кислородно-азотный состав атмосферы. Однако постепенно (из-за того, ч1′о высокие слои атмосферы мало защищены от космического воздействия и в них идут процессы диссоциации и ионизации) преобладающим становится атомарный кислород, появляется и атомарный азот. С высоты 600 км и до высоты — 1 600 км в атмосфере начинает преобладать гелий, а далее на высоте 3 000 км п более — водород. Так, постепенно, газовая оболочка, окружающая Землю, переходит в межзвездный газ, состоящий из 76% (по массе) водорода и 23% гелия В нижних слоях атмосферы содержится большое количество паров воды, составляющих ~1% от общей массы атмосферы, продуктов сгорания и пыли, концентрация которой колеблется в широких пределах (от 10 пылинок на литр над лесными массивами до 20-104 в городах и промышленных центрах). В отдельных районах и особенно над промышленными центрами обнаружены в сравнительно больших количествах сернистый и угарный газ, ванадий, алюминий, хлор, цинк, железо н др.
Неравномерное нагревание отдельных участков Земли и атмосферы в разных районах земного шара и на различных высотах, а также вращение Земли способствуют развитию воздушных течений. Многочисленные наблюдения показывают, что атмосфера имеет четко выраженное слоистое строение. В слоях атмосферы изменяется не только состав воздуха, но и его температура. Как и сама Земля, атмосфера под влиянием вращения нашей планеты тоже несколько сплю- |И1′!К1 над полюсами и разбухает над экватором.
Нижний слой атмосферы, простирающийся до высоты 8 км у полюса и 18 км на экваторе, называется тропосферой (рис. 2.2). Этот слой атмосферы характеризуется интенсивным перемещением воздуха, на-личном облачности, осадков, устойчивым понижением температуры воздуха с увеличением высоты (в среднем па каждые 1 000 м температура Уменьшается на 6,5°С). Вертикальный температурный градиент подвержен ссю:(ным и суточным колебаниям, значение его может изменяться от 3° до 7л» С на каждые 1000 м. Температуря воздуха у Земли может изменяться в широких пределах: от —70° С в районах Якутии до +55° С в средне- а.1;птски пустынях.
В верхнем слое тропосферы тем- чор |тпа воздуха стабилизируется и становится равной 1 —56,5° С. Для средних шпрот высота, на которой температура воздуха практически остается неизменной, равна 11 км.
связи с тем, что плотность воздуха быстро убивает с вьсотой, в тропо-сфере сосредоточено около 80% всей иассы атмосферы.
Выше слоя тропосферы, пример- Но До высоты 55 км, простирается Стратосфсра, которая в нижних слоях
(до 25 км) характеризуется постоянной температурой воздуха. На больших вЛ сотах температура повышается, достигая +0,8° С. Причину
возникновения этоЛ теплого слоя атмосферы объясняют явлением абсорбции — поглощением молеку! лами озона н кислорода ультрафиолетового излучения Солнца. В верхней тропа сфере и нижней стратосфере встречаются струйные течения шириной в сотш километров, в пределах которых ветер достигает скоростей 100—150 м/с.
На высотах 55—80 км расположена мезосфера, в которой снова проио ходит постепенное понижение температуры воздуха до —88° С. В мезосфере с© держится ~0,3% всей массы воздуха.
Вышележащий слой — термосфера простирается до высоты ~800 км В этом слое под воздействием излучения Солнца происходит диссоциация и иони аацяя молекул воздуха, что приводит к повышению его температуры до 750° С Однако из-за большой разреженности воздуха находящиеся в нем тела нагре; ваются крайне медленно, причем большая часть тепла, сообщаемого телу, будел рассеиваться излучением.
На высоте более 800 км находится экзосфера, которая является пере ходной зоной к космическому пространству.
Вследствие сильной ионизации воздуха верхняя область атмосферы (40— 800 км) получила название ионосферы.,
Паузы — переходные зоны между основными слоями атмосферы. Наиболь ший интерес для авиации представляет тропопауза, отделяющая тропосферу а стратосферы, так как эта зона — основная область полета современных само летов. Толщина тропопаузы на различных широтах колеблется от нескольким сотен до нескольких тысяч метров.
Основными параметрами, характеризующими состояние воздуха, являете? давление, температура и плотность. Они значительно изменяются не только п4 высоте, но и колеблются в зависимости от широты и долготы места наблюдеч яия, времени года и суток. Для удобства аэродинамических расчетов и сравнения результатов испытаний JIA, проведенных в различных местах и в разное врем^| была введена стандартная атмосфера (СА)—условная атмосфем с осредненными значениями параметров воздуха по высотам. Стандартная аТ мосфера, принятая в СССР, находится в соответствии с международной стай дартной атмосферой (МСА). Для стандартной атмосферы приняты следующ» условия на нулевом уровне (уровне моря): fo=15°C, Ро=760 мм рт. ст., р0=а = 1,225 кг/м9.
Для тропосферы, толщина которой в стандартной атмосфере составляв II км, характерные параметры воздуха на различных высотах можно подсчитав по следующим формулам:
В стратосфере до высоты 20 км температура воздуха сохраняется неизмев мой, равной /н=— 56,5° С. Давление воздуха и плотность с подъемом на высот] продолжают уменьшаться таким образом::