Struktur der Atmosphäre - Structure of the Atmosphere
Die Atmosphäre ist eine Lufthülle, die die Erde umgibt und auf ihrer Oberfläche ruht. Sie ist ebenso ein Teil der Erde wie die Meere oder das Land, aber Luft unterscheidet sich von Land und Wasser, da sie eine Mischung aus Gasen ist. Es hat Masse, Gewicht und eine unbestimmte Form.
Die Atmosphäre besteht zu 78 Prozent aus Stickstoff, zu 21 Prozent aus Sauerstoff und zu 1 Prozent aus anderen Gasen wie Argon oder Helium. Einige dieser Elemente sind schwerer als andere. Die schwereren Elemente, wie Sauerstoff, setzen sich an der Erdoberfläche ab, während die leichteren Elemente in den Bereich höherer Höhen gehoben werden. Der meiste Sauerstoff der Atmosphäre ist unterhalb einer Höhe von 35.000 Fuß enthalten.
Luft ist eine Flüssigkeit
Wenn die meisten Menschen das Wort „Flüssigkeit“ hören, denken sie normalerweise an Flüssigkeit. Gase sind jedoch wie Luft auch Flüssigkeiten. Flüssigkeiten nehmen die Form ihrer Behälter an. Flüssigkeiten widerstehen Verformungen im Allgemeinen selbst bei kleinster Belastung nicht oder nur geringfügig. Wir nennen dies leichte Widerstandsviskosität. Flüssigkeiten haben auch die Fähigkeit zu fließen. So wie eine Flüssigkeit fließt und einen Behälter füllt, dehnt sich Luft aus, um das verfügbare Volumen ihres Behälters auszufüllen. Sowohl Flüssigkeiten als auch Gase weisen diese einzigartigen Fluideigenschaften auf, obwohl sie sich in ihrer Dichte stark unterscheiden. Das Verständnis der Fluideigenschaften der Luft ist wesentlich für das Verständnis der Flugprinzipien.
Viskosität
Viskosität ist die Eigenschaft einer Flüssigkeit, die bewirkt, dass sie einem Fließen widersteht. Die Art und Weise, wie einzelne Moleküle der Flüssigkeit dazu neigen, aneinander zu haften oder zu haften, bestimmt, wie stark eine Flüssigkeit dem Fließen widersteht. Hochviskose Flüssigkeiten sind „dick“ und widerstehen dem Fließen; dünnflüssige Flüssigkeiten sind „dünnflüssig“ und fließen leicht. Luft hat eine niedrige Viskosität und fließt leicht.
Am Beispiel von zwei Flüssigkeiten fließen ähnliche Mengen Öl und Wasser, die zwei identische Rampen herunterfließen, aufgrund ihrer unterschiedlichen Viskosität mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Das Wasser scheint frei zu fließen, während das Öl viel langsamer fließt.
Als weiteres Beispiel zeigen unterschiedliche Arten ähnlicher Flüssigkeiten aufgrund unterschiedlicher Viskositäten unterschiedliche Verhaltensweisen. Fett ist sehr zähflüssig. Mit der Zeit fließt Fett, auch wenn die Fließgeschwindigkeit langsam ist. Motoröl ist weniger viskos als Fett und fließt viel leichter, aber es ist dickflüssiger und fließt langsamer als Benzin.
Alle Flüssigkeiten sind viskos und haben einen Fließwiderstand, unabhängig davon, ob wir diesen Widerstand beobachten oder nicht. Wir können die Viskosität von Luft nicht einfach beobachten. Da Luft jedoch eine Flüssigkeit ist und viskose Eigenschaften hat, widersteht sie bis zu einem gewissen Grad der Strömung um jedes Objekt herum.
Reibung
Ein weiterer Faktor, der wirkt, wenn eine Flüssigkeit über oder um ein Objekt fließt, wird als Reibung bezeichnet. Reibung ist der Widerstand, auf den eine Oberfläche oder ein Objekt stößt, wenn sie sich über eine andere bewegt. Zwischen zwei Materialien, die sich berühren, besteht Reibung.
An einem ähnlichen Beispiel wie zuvor lassen sich die Auswirkungen der Reibung demonstrieren. Wenn identische Flüssigkeiten über zwei identische Rampen gegossen werden, fließen sie auf die gleiche Weise und mit der gleichen Geschwindigkeit. Wenn die Oberfläche einer Rampe rau und die andere glatt ist, unterscheidet sich die Strömung an den beiden Rampen erheblich. Die Rampe mit rauer Oberfläche behindert den Fluss des Fluids aufgrund des Widerstands von der Oberfläche (Reibung). Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass alle Oberflächen, egal wie glatt sie erscheinen, auf mikroskopischer Ebene nicht glatt sind und den Fluss einer Flüssigkeit behindern.
Die Oberfläche eines Flügels hat wie jede andere Oberfläche auf mikroskopischer Ebene eine gewisse Rauheit. Die Oberflächenrauheit verursacht einen Widerstand und verlangsamt die Geschwindigkeit der Luft, die über den Flügel strömt.
Luftmoleküle passieren die Oberfläche des Flügels und haften (kleben oder haften) aufgrund von Reibung tatsächlich an der Oberfläche. Luftmoleküle in der Nähe der Oberfläche des Flügels widersetzen sich einer Bewegung und haben eine Relativgeschwindigkeit nahe Null. Die Rauheit der Oberfläche behindert ihre Bewegung. Die Schicht von Molekülen, die an der Flügeloberfläche haften, wird als Grenzschicht bezeichnet.
Sobald die Grenzschicht der Luft durch Reibung am Flügel haftet, wird dem Luftstrom durch die Viskosität, die Neigung der Luft, an sich selbst zu haften, ein weiterer Widerstand entgegengebracht. Wenn diese beiden Kräfte zusammenwirken, um dem Luftstrom über einem Flügel Widerstand zu leisten, wird dies als Luftwiderstand bezeichnet.
Druck
Druck ist die Kraft, die in senkrechter Richtung auf die Oberfläche eines Objekts ausgeübt wird. Oft wird der Druck in Pfund Kraft gemessen, die pro Quadratzoll eines Objekts oder PSI ausgeübt wird. Ein Objekt, das vollständig in eine Flüssigkeit eingetaucht ist, verspürt einen gleichmäßigen Druck auf der gesamten Oberfläche des Objekts. Wenn der Druck auf eine Oberfläche des Objekts geringer wird als der auf die anderen Oberflächen ausgeübte Druck, bewegt sich das Objekt in Richtung des niedrigeren Drucks.
Luftdruck
Obwohl es verschiedene Arten von Druck gibt, beschäftigen sich Piloten hauptsächlich mit dem atmosphärischen Druck. Es ist einer der grundlegenden Faktoren bei Wetteränderungen, hilft beim Anheben eines Flugzeugs und betätigt einige der wichtigen Fluginstrumente. Diese Instrumente sind der Höhenmesser, der Fluggeschwindigkeitsanzeiger, der vertikale Geschwindigkeitsanzeiger und der Ladedruckmesser.
Luft ist sehr leicht, aber sie hat Masse und unterliegt der Anziehungskraft der Schwerkraft. Daher hat es, wie jede andere Substanz, Gewicht, und aufgrund seines Gewichts hat es Kraft. Da Luft ein flüssiger Stoff ist, wirkt diese Kraft in alle Richtungen gleichmäßig. Seine Wirkung auf Körper in der Luft nennt man Druck. Unter Standardbedingungen auf Meereshöhe beträgt der durchschnittliche Druck, der durch das Gewicht der Atmosphäre ausgeübt wird, ungefähr 14,70 Pfund pro Quadratzoll (psi) der Oberfläche oder 1.013,2 Millibar (mb). Die Dicke der Atmosphäre ist begrenzt; Je höher die Höhe, desto weniger Luft ist daher oben. Aus diesem Grund ist das Gewicht der Atmosphäre in 18.000 Fuß Höhe halb so groß wie auf Meereshöhe.
Der Druck der Atmosphäre variiert mit Zeit und Ort. Aufgrund des sich ändernden atmosphärischen Drucks wurde eine Standardreferenz entwickelt. Die Standardatmosphäre auf Meereshöhe hat eine Oberflächentemperatur von 59 °F oder 15 °C und einen Oberflächendruck von 29,92 Zoll Quecksilber ("Hg) oder 1.013,2 mb.
Eine Standard-Temperaturabfallrate liegt vor, wenn die Temperatur mit einer Rate von ungefähr 3,5 °F oder 2 °C pro tausend Fuß bis zu 36.000 Fuß abfällt, was ungefähr –65 °F oder –55 °C entspricht. Oberhalb dieses Punktes gilt die Temperatur bis zu einer Höhe von 80.000 Fuß als konstant. Eine Standard-Druckabfallrate liegt vor, wenn der Druck mit einer Rate von ungefähr 1 "Hg pro 1.000 Fuß Höhengewinn auf 10.000 Fuß abnimmt. Die Internationale Zivilluftfahrt-Organisation (ICAO) hat dies als weltweiten Standard festgelegt und wird oft als bezeichnet International Standard Atmosphere (ISA) oder ICAO Standard Atmosphere Jede Temperatur oder jeder Druck, die/der von den standardmäßigen Ausfallraten abweicht, gilt als nicht standardmäßige Temperatur und Druck.
Da die Flugzeugleistung in Bezug auf die Standardatmosphäre verglichen und bewertet wird, werden alle Flugzeuginstrumente für die Standardatmosphäre kalibriert. Um die nicht standardmäßige Atmosphäre richtig zu berücksichtigen, müssen bestimmte verwandte Begriffe definiert werden.
Druckhöhe
Druckhöhe ist die Höhe über einer Standard-Datumsebene (SDP), die ein theoretisches Niveau ist, bei dem das Gewicht der Atmosphäre 29,92 "Hg (1.013,2 mb) beträgt, gemessen mit einem Barometer. Ein Höhenmesser ist im Wesentlichen ein empfindliches Barometer, das kalibriert ist, um die Höhe anzuzeigen in der Standardatmosphäre. Wenn der Höhenmesser auf 29,92 "Hg SDP eingestellt ist, ist die angezeigte Höhe die Druckhöhe. Wenn sich der atmosphärische Druck ändert, kann der SDP unter, auf oder über dem Meeresspiegel liegen. Die Druckhöhe ist wichtig als Grundlage für die Bestimmung der Flugzeugleistung sowie für die Zuweisung von Flughöhen an Flugzeuge, die in oder über 18.000 Fuß operieren.
Die Druckhöhe kann mit einer der folgenden Methoden bestimmt werden:
1. Einstellen der barometrischen Skala des Höhenmessers auf 29,92 und Ablesen der angezeigten Höhe
2. Anwenden eines Korrekturfaktors auf die angezeigte Höhe gemäß der gemeldeten Höhenmessereinstellung
Dichtehöhe
SDP ist eine theoretische Druckhöhe, aber Flugzeuge arbeiten in einer nicht standardmäßigen Atmosphäre und der Begriff Dichtehöhe wird verwendet, um die aerodynamische Leistung in der nicht standardmäßigen Atmosphäre zu korrelieren. Die Dichtehöhe ist der vertikale Abstand über dem Meeresspiegel in der Standardatmosphäre, bei dem eine bestimmte Dichte vorzufinden ist. Die Luftdichte hat erhebliche Auswirkungen auf die Leistung des Flugzeugs, da die Luft mit abnehmender Dichte abnimmt:
• Leistung, weil der Motor weniger Luft ansaugt
• Schub, weil ein Propeller in dünner Luft weniger effizient ist
• Auftrieb, weil die dünne Luft weniger Kraft auf die Flügel ausübt
Die Dichtehöhe ist die Druckhöhe, korrigiert um nicht standardmäßige Temperatur. Wenn die Dichte der Luft zunimmt (Höhe mit geringerer Dichte), steigt die Flugzeugleistung; umgekehrt, wenn die Luftdichte abnimmt (Höhe mit höherer Dichte), nimmt die Flugzeugleistung ab. Eine Abnahme der Luftdichte bedeutet eine Höhe mit hoher Dichte; eine Zunahme der Luftdichte bedeutet eine geringere Dichtehöhe. Die Dichtehöhe wird bei der Berechnung der Flugzeugleistung verwendet, da unter normalen atmosphärischen Bedingungen Luft auf jeder Ebene in der Atmosphäre nicht nur eine bestimmte Dichte hat, sondern ihre Druckhöhe und Dichtehöhe dieselbe Ebene identifizieren.
Die Berechnung der Dichtehöhe beinhaltet die Berücksichtigung von Druck (Druckhöhe) und Temperatur. Da die Leistungsdaten des Luftfahrzeugs auf allen Ebenen auf der Luftdichte unter normalen Tagesbedingungen basieren, gelten diese Leistungsdaten für Luftdichtewerte, die möglicherweise nicht mit den Höhenmesserangaben identisch sind. Unter Bedingungen, die über oder unter dem Standard liegen, können diese Pegel nicht direkt vom Höhenmesser bestimmt werden.
Die Dichtehöhe wird bestimmt, indem zuerst die Druckhöhe ermittelt wird und diese Höhe dann für nicht standardmäßige Temperaturschwankungen korrigiert wird. Da sich die Dichte direkt mit dem Druck und umgekehrt mit der Temperatur ändert, kann eine bestimmte Druckhöhe für einen weiten Temperaturbereich bestehen, indem zugelassen wird, dass sich die Dichte ändert. Für jede Temperatur- und Druckhöhe tritt jedoch eine bekannte Dichte auf. Die Dichte der Luft hat einen ausgeprägten Einfluss auf die Flugzeug- und Triebwerksleistung. Unabhängig von der tatsächlichen Höhe des Flugzeugs verhält es sich so, als ob es in einer Höhe betrieben würde, die gleich der vorhandenen Dichtehöhe ist.
Die Luftdichte wird durch Höhen-, Temperatur- und Feuchtigkeitsänderungen beeinflusst. Höhe mit hoher Dichte bezieht sich auf dünne Luft, während sich Höhe mit geringer Dichte auf dichte Luft bezieht. Die Bedingungen, die zu einer Höhe mit hoher Dichte führen, sind große Erhebungen, niedriger atmosphärischer Druck, hohe Temperaturen, hohe Luftfeuchtigkeit oder eine Kombination dieser Faktoren. Niedrigere Erhebungen, hoher atmosphärischer Druck, niedrige Temperaturen und niedrige Luftfeuchtigkeit weisen eher auf eine Höhe mit geringer Dichte hin.
Auswirkung des Drucks auf die Dichte
Da Luft ein Gas ist, kann sie komprimiert oder expandiert werden. Wenn Luft komprimiert wird, kann eine größere Luftmenge ein gegebenes Volumen einnehmen. Umgekehrt, wenn der Druck auf ein bestimmtes Luftvolumen verringert wird, dehnt sich die Luft aus und nimmt einen größeren Raum ein. Bei einem niedrigeren Druck enthält die ursprüngliche Luftsäule eine kleinere Luftmasse. Die Dichte wird verringert, da die Dichte direkt proportional zum Druck ist. Wird der Druck verdoppelt, verdoppelt sich die Dichte; wenn der Druck verringert wird, wird die Dichte verringert. Diese Aussage gilt nur bei konstanter Temperatur.
Einfluss der Temperatur auf die Dichte
Die Erhöhung der Temperatur eines Stoffes verringert seine Dichte. Umgekehrt erhöht eine Verringerung der Temperatur die Dichte. Somit ändert sich die Dichte der Luft umgekehrt mit der Temperatur. Diese Aussage gilt nur bei konstantem Druck.
In der Atmosphäre nehmen sowohl Temperatur als auch Druck mit der Höhe ab und haben widersprüchliche Auswirkungen auf die Dichte. Ein ziemlich schneller Druckabfall mit zunehmender Höhe hat jedoch normalerweise eine dominierende Wirkung. Daher können Piloten erwarten, dass die Dichte mit der Höhe abnimmt.
Einfluss der Feuchtigkeit (Feuchtigkeit) auf die Dichte
Die vorstehenden Absätze beziehen sich auf vollkommen trockene Luft. In Wirklichkeit ist es nie ganz trocken. Die geringe Menge an in der Atmosphäre schwebendem Wasserdampf kann unter bestimmten Bedingungen fast vernachlässigbar sein, aber unter anderen Bedingungen kann die Feuchtigkeit ein wichtiger Faktor für die Leistung eines Flugzeugs werden. Wasserdampf ist leichter als Luft; folglich ist feuchte Luft leichter als trockene Luft. Wenn der Wassergehalt der Luft zunimmt, wird die Luft daher weniger dicht, wodurch die Dichtehöhe zunimmt und die Leistung abnimmt. Es ist am leichtesten oder am wenigsten dicht, wenn es unter bestimmten Bedingungen die maximale Menge an Wasserdampf enthält.
Die Luftfeuchtigkeit, auch relative Luftfeuchtigkeit genannt, bezieht sich auf die in der Atmosphäre enthaltene Wasserdampfmenge und wird als Prozentsatz der maximalen Wasserdampfmenge ausgedrückt, die die Luft aufnehmen kann. Diese Menge variiert mit der Temperatur. Warme Luft hält mehr Wasserdampf, während kalte Luft weniger hält. Vollkommen trockene Luft, die keinen Wasserdampf enthält, hat eine relative Luftfeuchtigkeit von null Prozent, während gesättigte Luft, die keinen Wasserdampf mehr aufnehmen kann, eine relative Luftfeuchtigkeit von 100 Prozent hat. Die Luftfeuchtigkeit allein wird normalerweise nicht als wichtiger Faktor bei der Berechnung der Dichtehöhe und der Flugzeugleistung angesehen, ist jedoch ein beitragender Faktor.
Mit steigender Temperatur kann die Luft größere Mengen an Wasserdampf aufnehmen. Beim Vergleich zweier separater Luftmassen, der ersten warm und feucht (beide Qualitäten neigen dazu, die Luft aufzuhellen) und der zweiten kalt und trocken (beide Qualitäten machen sie schwerer), muss die erste weniger dicht sein als die zweite. Druck, Temperatur und Feuchtigkeit haben aufgrund ihrer Auswirkung auf die Dichte einen großen Einfluss auf die Flugzeugleistung. Es gibt keine Faustregeln, die einfach angewendet werden können, aber der Einfluss der Feuchtigkeit kann mit mehreren Online-Formeln bestimmt werden. Im ersten Beispiel wird der Druck in der Höhe benötigt, für die Dichtehöhe gesucht wird. Wählen Sie mit Figure den barometrischen Druck aus, der der zugehörigen Höhe am nächsten liegt. Beispielsweise beträgt der Druck bei 8.000 Fuß 22,22 "Hg. Geben Sie unter Verwendung der Website der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) (www.srh.noaa.gov) für die Dichtehöhe 22,22 für 8.000 Fuß in das Stationsdruckfenster ein. Geben Sie eine Temperatur von 80° und einen Taupunkt von 75° ein. Das Ergebnis ist eine Dichtehöhe von 11.564 Fuß. Ohne Feuchtigkeit wäre die Dichtehöhe fast 500 Fuß niedriger.
