International Standard Atmosphere


International Standard Atmosphere
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Die Normatmosphäre 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 (Deutschland) herrschenden Druck- und Temperaturverhältnissen (15° C, 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-Norm-Atmosphäre, 1975 wurde die Norm-Atmosphäre in der DIN ISO 2533 festgelegt.

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 in kurzer Zeit ausreichend beschleunigen zu können um das Fluggerät zu starten.

Inhaltsverzeichnis

Luftfahrt

In der internationalen Luftfahrt werden alle barometrischen Höhenmesser nach der Standardatmosphäre geeicht.

Oberhalb einer bestimmten Flughöhe (USA: 18.000 Fuß; Deutschland: 5.000 Fuß) fliegen alle Flugzeuge nach dem Flugflächen-System mit einer standardisierten Höhenmessereinstellung (Deutschland: QNH 1013 hPa; USA: 29,92 inHg - Zoll Quecksilbersäule).

US-Standardatmosphäre 1976

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
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
Standardatmosphäre 1976 bis 90 km Höhe

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

  • Erdbeschleunigung g0: 9,80665 m/s² (entspricht in etwa dem realen Wert auf 45° geographischer Breite in Meereshöhe)
  • Erdradius RErde: 6 356 766 m (kleiner als der wahre mittlere Erdradius, um bei der Umrechnung von geopotentiellen in geometrische Höhen die infolge der Zentrifugalkraft der rotierenden gegenüber einer ruhenden Erde etwas steilere Abnahme der Erdbeschleunigung zu berücksichtigen)
  • Molare Masse M der Luft: 28,9644 g/mol (die Standardatmosphäre enthält keinen Wasserdampf)
  • Universelle Gaskonstante R*: 8,31432 J/(mol·K)

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) = g0 entsprechende geopotentielle Höhe h einsetzen. Die Beziehung zwischen beiden ist durch die Gleichung

z(h)=\frac{R_\mathrm{Erde} \cdot h}{R_\mathrm{Erde}-h}

gegeben.

Jacchia-Referenzatmosphäre

Die 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.

Siehe auch

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