Воздушный океан

Воздушный океан простирается над землей на огромную высоту. У поверхности земли (на уровне моря) давление и плотность воздуха достигают наибольшего значения. С высотой давление и плотность воздуха уменьшаются и на высоте 800 - 1300 км атмосфера постепенно, незаметно переходит в очень разреженный межпланетный газ, плотность которого крайне ничтожна и составляет всего несколько десятков молекул  на 1 см3.

Плотность воздуха в движении тела играет значительную роль, а именно: чем больше плотность воздуха, тем больше величина воздействия воздуха на движущееся тело.

В аэродинамике принято различать весовую и массовую плотности.

Весовая плотность есть вес единицы объёма воздуха.

Массовая плотность — это масса воздуха, находящегося в единице объёма 1. Насколько быстро падает плотность с высотой, видно из того, что на высоте 5 км плотность меньше, чем у земли в 1,6 раза, на высоте 20 км — меньше, чем у земли, в 15,6 раза. Из-за уменьшения плотности сопротивление всякого тела на высоте меньше, [1] чем у земли. Так, ракета, летящая на высоте 12 км, где плотность в 4 раза меньше, чем на уровне моря, будет испытывать в 4 раза меньшее сопротивление, чем у земли, а на высоте 32 км сопротивление уменьшится в 100 раз. Отсюда видно, как выгодно летать на больших высотах.

Воздух, как всякое газообразное тело, обладает незначительными силами взаимодействия между молекулами, много меньшими, чем силы взаимодействия молекул жидких тел.

Молекулы воздуха всегда находятся в непрерывном беспорядочном движении. Давление газа принято рассматривать как суммарное действие ударов движущихся молекул о препятствие. Скорость движения молекул и число ударов о препятствие зависят от температуры газа и количества молекул в единице объёма газа. В технике давление измеряют в кило- граммах-силы на 1 кв. см (кГ/см2). Давление в 1 кГ/см2  называется технической атмосферой и обозначается 1 ат. В физике за давление в 1 атмосферу (физическая атмосфера обозначается атм) принимается давление воздуха на уровне моря, равное давлению столба воздуха высотой во всю толщу атмосферной оболочки. Давление такого столба уравновешивается давлением столба ртути высотой 760 мм при 0°С (рис. 1).

Приборы для измерения давления называются манометрами. Манометры, измеряющие только атмосферное давление, называются барометрами.

Воздушный океан

Рис. 1. Давление атмосферы уравновешивается столбом ртути высотой 760 мм.

Как частицы воды у дна океана испытывают давление, большее, чем в верхних слоях, так и частицы воздуха в «воздушном океане» у поверхности земли подвержены большему давлению, чем частицы в вышележащих слоях. Нижние слои атмосферы сжаты весом всего воздуха, расположенного над ними.

Для практических целей можно принять, что в нижних слоях тропосферы на каждые 100 м высоты давление уменьшается на 0,01 атм.

Свойства атмосферы на одной и той же высоте не остаются постоянными. Давление воздуха у земли в наших широтах может колебаться примерно от 730 мм рт. ст. до 780 мм рт. ст., а температура от —45° до +35° С. Меняется плотность воздуха, а с ней и аэродинамические силы, действующие на тело. Из-за этого результаты испытаний одних и тех же самолётов или моделей, произведённых в различное время и в различных местах, будут сильно отличаться друг от друга. Поэтому для удобства аэродинамических расчётов и для возможности сравнения результатов испытаний условились считать, что для данной высоты давление, температура, плотность и скорость распространения звука остаются постоянными, независящими от времени и места проведения испытания. В соответствии с этим была выработана таблица Международной стандартной атмосферы (MCA), в которой давление, температура, плотность воздуха, скорость звука, хотя и искусственны, но всё же остаются близкими к осреднённым данным, соответствующим летнему состоянию атмосферы средних широт. По таблице MCA на уровне моря принято: давление 760 мм пт. ст.. температура t=15°C. плотность Воздушный океанскорость распространения звука 341 м/сек.

Изменение этих величин по высотам видно из приводимой ниже сокращённой таблицы MCA.

Атмосфера делится на тропосферу, стратосферу и ионосферу. Нижний слой атмосферы в умеренных широтах до высоты в среднем 9 - 11 км называется тропосферой — в ней большое обилие облаков, ветров и гроз. Там происходят все метеорологические явления — это кузница погоды. Температура и давление в тропосфере по мере удаления от земли падают. Та часть атмосферы, которая расположена над тропосферой и поднимается до высоты около 80 ч- 90 км, называется стратосферой.

Воздушный океан

Воздушный океан

Температура в ней на высоте 11--30 км около минус 50 - 60°, на высоте 30 - 55 км повышается, достигая плюс 40 - 50° С, а затем вновь понижается и в верхних слоях стратосферы доходит до минус 70 -80° С. В стратосфере водяные пары присутствуют в совершенно ничтожных количествах. Изредка в ней появляются облака. В стратосфере наблюдаются сильные ветры. Верхние слои атмосферы, начиная приблизительно с высоты 80 - 90 км и до высоты 800 - 1300 км называются ионосферой. В этом слое газ ионизирован.

Тропосфера и нижние слои стратосферы достаточно изучены, особенно советскими аэронавтами и метеорологами. Всем известны героические полёты советских стратостатов «СССР» в 1933 г. на высоту 19 км, «Осоавиахим-1» в 1934 г. на высоту 22 км; полёты радиозондов конструкции проф. Молчанова на высоту 40-42 км с автоматически регистрирующей аппаратурой.

В последнее время сильно возрос интерес к ионосфере, куда начинают проникать современные ракеты дальнего действия и искусственные спутники Земли.

Для исследования высоких слоёв атмосферы прибегают к различным методам. К ним относятся полёты метеорологических ракет, наблюдения за «падающими звёздами»-метеорами (130 - 80 км) и полярными сияниями, полыхающими иногда на высотах до 1000-1200 км и радиофизические методы.

 

[1] Очевидно, весовая и массовая плотность это не что иное, как удельный вес и плотность вещества, выраженные в технической системе единиц. В дальнейшем все расчёты и выводы, приводимые в книге, будут также даваться в технической системе единиц (м—кГ—сек).

Смотрите также