Normatmosphäre

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Die Normatmosphäre, Normalatmosphäre oder Standardatmosphäre ist ein Begriff aus der Luftfahrt und bezeichnet idealisierte Eigenschaften der Erdatmosphäre.

Die Internationale Standardatmosphäre (engl. International Standard Atmosphere, ISA) ist von der International Civil Aviation Organization (ICAO) definiert worden. Sie stellt eine Atmosphäre dar, bei der die Größen Luftdruck, Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit sowie Temperaturabnahme je 100 m Höhenstufe Werte haben, die ungefähr gleich den auf der Erde herrschenden Mittelwerten sind. Damit entspricht die internationale Standardatmosphäre etwa den in mittleren Breiten von 40° nördlicher Breite herrschenden Druck- und Temperaturverhältnissen (15 °C und 1013,25 hPa).

Beabsichtigt ist die Schaffung einer international einheitlichen Bezugsgröße und nicht die genaue Beschreibung der aktuellen, lokalen Atmosphäre. Die internationale Standardatmosphäre entspricht bis 32 km Höhe der US-Standardatmosphäre 1976. Zuvor wurde ein Standard verwendet, der als Internationale Normatmosphäre bekannt war. In Deutschland gab es zudem die DIN-5450-Normatmosphäre, 1975 wurde die Normatmosphäre in der DIN ISO 2533 festgelegt.

Anwendung[Bearbeiten]

Luftfahrt[Bearbeiten]

Die definierten Eigenschaften werden z. B. benötigt, um bei einem Triebwerkslauf in einem Teststand die Leistungswerte auf einen neutralen Standard zu korrigieren und eine Aussage darüber treffen zu können, ob dieses Triebwerk ausreichend Schub produziert, um ein Flugzeug auf der Startbahn ausreichend beschleunigen zu können.

Die Verwendung einer Normatmosphäre ist notwendig, um Leistungsdaten von Fluggeräten, Triebwerken und Raketen zu berechnen. Außerdem dient sie zum Kalibrieren von Druckmessgeräten wie z. B. Höhenmesser und Geschwindigkeitsmesser.

Für diese gelten folgende Bedingungen auf mittlerem Meeresniveau:

Parameter metrisches Maßsystem imperiales Maßsystem
Feuchtigkeit /H2O 0 rel. % 0
Druck p0 1013,25 hPa 29,92 inHg
Dichte ρ0 1,225 kg/m3 0,002378 slug/ft3
Temperatur T0 15 °C / 288,15 K 59 °F / 518,67 °R
Schallgeschwindigkeit a0 340 m/s 1116,4 ft/s
Gravitation 9,80665 m/s2 32,174 ft/s2

Zudem ist auch die Einteilung der Atmosphäre beschrieben. Hierbei gilt:

  • Der Temperaturgradient von Meereshöhe bis zur Tropopause beträgt −6,5 K/1.000 m (-3,564 °F/1.000 ft).
  • Die Tropopause befindet sich auf einer Höhe von 11.000 m (36.089 ft).
  • In der Stratosphäre ist eine konstante Temperatur von −56,5 °C (216,65 K; –69,7 °F) gegeben.−

Die Temperatur T in einer Höhe h unterhalb der Tropopause lässt sich mit folgender Formel berechnen:

Metrisches System: T = T_0 - \frac{6{,}5{K}}{1000\,\mathrm{m}}\cdot h

Imperiales System: T = T_0 - \frac{3{,}564^{\circ}\mathrm{F}}{1000\,\mathrm{ft}}\cdot h

Die Einheit der Höhe h (Meter bzw. Fuß) kürzt sich mit der Längeneinheit des Temperaturgradienten oder ergibt einen zusätzlichen Umrechnungsfaktor.

Terrestrische Refraktion[Bearbeiten]

Ähnliche Modelle[Bearbeiten]

US-Standardatmosphäre 1976[Bearbeiten]

Die ICAO (International Civil Aviation Organization) hat 1976 mit ICAO-Dokument 7488[1] für die Luftfahrt eine allgemein gültige und verbindliche Normatmosphäre definiert.[2] Diese ersetzt eine Vorläuferversion von 1962. Als einheitliche Bedingungen auf Meereshöhe, die einem mittleren Niveau gemäßigter Breiten entsprechen, werden definiert:

Der Temperaturverlauf mit der Höhe wird gemäß folgender Tabelle definiert, wobei zwischen den explizit definierten Ebenen linear interpoliert wird. Die oberste Ebene ist zugleich die Obergrenze dieses Modells.

Standardatmosphäre 1976 bis 90 km Höhe

Außerdem werden u. a. folgende Werte als Konstanten definiert:

Standardatmosphäre 1976
geopot. Höhe h
in m
geometr. Höhe z
in m
Temperatur T
in °C
Luftdruck p
in Pa
0 0 15 101.325
11.000 11.019 −56,5 22.632
20.000 20.063 −56,5 5.474,9
32.000 32.162 −44,5 868,02
47.000 47.350 −2,5 110,91
51.000 51.413 −2,5 66,939
71.000 71.802 −58,5 3,9564
84.852 86.000 −86,2 0,3734

Die Luftdichte auf Meereshöhe errechnet sich daraus zu 1,225 kg/m³.

Es wird angenommen, dass die Luft bestimmte Gesetzmäßigkeiten in idealer Weise erfüllt, insbesondere die allgemeine Gasgleichung. Damit lässt sich der höhenabhängige Luftdruck berechnen. Für die unterste Schicht erhält man so die internationale barometrische Höhenformel.

Die Standardatmosphäre arbeitet mit geopotentiellen Höhen, nachdem die Erdbeschleunigung als höhenunabhängig angenommen wird. In niedrigen Höhen stimmen diese mit den sonst üblichen geometrischen Höhen ziemlich gut überein, aber für höhere Genauigkeit in größeren Höhen muss man anstelle der geometrischen Höhe z die einem gedachten homogenen Gravitationsfeld mit g(h)=g_0 entsprechende geopotentielle Höhe h einsetzen. Die Beziehung zwischen beiden ist durch die Gleichung

z(h) = \frac{R_\text{Erde} \cdot h}{R_\text{Erde}+h}

gegeben.

Jacchia-Referenzatmosphäre[Bearbeiten]

Die insbesondere in der Raumfahrt verwendete Jacchia-Referenzatmosphäre beschreibt ein Atmosphärenmodell, das für Höhen von 90 bis 2.500 km Atmosphärenwerte wie Temperatur, Dichte, Druck und weitere Werte definiert ist. Im Unterschied zur Internationalen Standardatmosphäre werden zusätzlich aber auch noch unterschiedliche Werte in Abhängigkeit von Breitengrad und Jahreszeit sowie geomagnetische und solare Effekte mit berücksichtigt. Als Ergänzung muss für niedrigere Höhen ein weiteres Atmosphärenmodell hinzugezogen werden.

Das Jacchia-Referenzatmosphären-Modell wurde erstmals 1970 veröffentlicht und 1971 und 1977 aktualisiert. Es basiert auf Luftwiderstandsmessdaten von Raumflügen und wird hauptsächlich für die Raumfahrt verwendet.

NRLMSISE-00-Modell[Bearbeiten]

Das neuere NRLMSISE-00-Modell aus dem Jahr 2000 bietet Referenzwerte für Höhen von der Erdoberfläche bis in den Weltraum.

Siehe auch[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. ICAO-Originaldokument 7488, 3. Auflage von 1993 (bis 80 km Höhe)
  2. ICAO-Standardatmosphäre 1976 (PDF; 89 kB)[1] (PDF; 480 kB)

Weblinks[Bearbeiten]

 Wikibooks: Formelsammlung Hydrostatik – Lern- und Lehrmaterialien