جو (اتمسفر)

جو (اتمسفر)

اسلاید 1: 1بسم الله الرحمن الرحيم

اسلاید 2: 2جو (اتمسفر) Atmosphere ارائه كننده : عباس طربي

اسلاید 3: 3جو Atmosphereجو زمين لايه‌اي از گازها است که که زمين را احاطه کرده‌اند که اين گازها بوسيله جاذبه زمين نگهداشته شده‌اند (تا ارتفاع حدود ۹۰ كيلومتري از سطح زمين) . جو زمين شامل نيتروژن (78.1%) و اکسيژن (20.9%) همراه مقدار کمي از آرگون (0.9%) ، دي اکسيد کربن (متغير، ولي حدود 0.035%) ، بخار آب و ديگر گازها مي‌شود. جو زمين موجودات روي زمين را از طريق جذب اشعه فرابنفش خورشيد و کم کردن دماي بالاي بين روز و شب محافظت مي‌کند.

اسلاید 4: 4جو Atmosphereمشخصات پروازي يا مأموريت هواپيما به شرايط اتمسفري كه هواپيما در آن در حال پرواز مي‌باشد، بستگي دارد. چونكه حالت اتمسفر هر روز فرق مي‌كند، امكان ندارد كه بتوان مأموريت پروازي را دقيق تعيين نمود. بدون اولين تعريف دقيق از حالت اتمسفر اين تفكر ما را كاملاً به سمت تعريف اتمسفر استاندارد مي‌برد كه در آن مقادير استاندارد اتمسفر يعني فشار و دما و چگالي (دانسيته) را در هر ارتفاع مي‌دهد.چهار عامل مهم در هوا عبارتند از: فشار، دما، جرم حجمي و لزجت. فشار و جرم حجمي‌هوا با ارتفاع كاهش مي‌يابد. تغييرات دما و لزجت و همچنين سرعت صوت بر حسب دما، روند‌ثابتي ندارند و بسته به ارتفاع، كاهش و افزايش مي‌يابند. اين تغييرات باعث مي‌شود، سازمان‌ها و كشورهاي مختلف جو را به لايه‌هايي با خواص مشترك تقسيم كنند. تقسيم‌بندي جو به طور عمده عبارت است از:1-تروپوسفر(troposphere)2-استراتوسفر(Stratosphere)3-مزوسفر(Mesosphere)4-ترموسفر(Thermosphere) يا يونوسفر (Ionosphere)5-اگزوسفر(Exosphere)

اسلاید 5: 5جو Atmosphere

اسلاید 6: 6جو Atmosphereتروپوسفر از سطح زمين تا ارتفاع تقريبي 6 تا 13 مايل (10 تا 20 كيلومتر) گسترش مي‌يابد.توده‌هاي هوا در تروپوسفر دائما در حال حركت هستند، و اين ناحيه با خصوصيات بادهاي ناپايدار و يا تند باد و توربولانس مشخص مي‌شود. تاثير توربولانس و قيچي باد روي سازه و رفتار پرواز هواپيما يك بخش مهمي از تحقيقات در صنعت هوايي است. بارهاي سازه‌اي كه روي هواپيما در طي روياروي با توربولانس اعمال مي‌شود، عمر ساز را كاهش مي‌دهد و يا توربولانس مقطعي مي‌تواند سبب آسيب رساندن به سازه هواپيما شود. قيچي باد (wind shear)يك پديده مهم اتمسفري است كه براي هواپيما در حين نشست و برخاست پرخطر مي‌باشد. قيچي باد تغييربردار باد در مقدار و مسير است. در قيچي باد عمودي، سرعت و مسير باد با ارتفاع تغيير مي‌كند. ممكن است نشست هواپيما در يك چنين قيچي بادي براي كنترل مشكل باشد. كه سبب انحراف از نقطه مورد نظر نشست شود. قيچي بادها توسط حركت توده‌هاي هوا نسبت به يكديگر يا نسبت به سطح زمين به‌وجود مي‌آيد. در اين لايه دما با افزايش ارتفاع کم مي‌شود. بطور متوسط کاهش درجه حرارت نسبت به ارتفاع در طبقات پايين جو ، 6 درجه سانتيگراد در هر کيلومتر است.ازت، اکسيژن، ازن ، گاز کربنيک ،هيدروژن و گازهاي نادر ترکيبات هوا در تروپوسفر را تشکيل مي‌دهند.

اسلاید 7: 7جو Atmosphereلايه بعدي بالايي تروپوسفر لايه استراتوسفر است. استراتوسفر از سطح زمين تا ارتفاع تقريبي 50 كيلومتر گسترش مي‌يابد. برخلاف تروپوسفر، استراتوسفر نسبتا ناحيه آرام و بدون توربولانس و تندباد مي‌باشد ولي ويژگي آن بادهاي شديد و پايدار مي‌با‌شد. سرعت باد در استراتوسفر 36 متر برثانيه (120 فوت بر ثانيه) اندازه‌گيري شده است. در اين لايه دما با افزايش ارتفاع زياد مي‌شود.

اسلاید 8: 8جو Atmosphereمزوسفر لايه‌اي از جو زمين است که درست در بالاي استراتوسفر قرار دارد. اين لايه در ارتفاع 50 تا 80 کيلومتري بالاي سطح زمين قرار دارد. در اين لايه دما با افزايش ارتفاع کاهش مي‌يابد. دما در بالاي مزوسفر به اندازه 200 درجه کلوين افت مي‌کند. روزانه ميليونها شهاب سنگ در اثر برخورد با ذرات داخل مزوسفر مي‌سوزند. اين برخورد باعث مي‌شود که اجسام آسماني قبل از رسيدن به زمين بسوزند.

اسلاید 9: 9جو Atmosphereترموسفر لايه‌اي از جو زمين است که درست در بالاي مزوسفر و زير اگزوسفر قرار دارد. اين لايه در ارتفاع 80 تا 600 کيلومتري بالاي سطح زمين قرار دارد.در اين لايه اشعه فرابنفش باعث يونيزاسيون مي‌شود. دماي ترموسفر به شدت به فعاليت خورشيد وابسته است و مي‌تواند به 2000 درجه سانتيگراد هم برسد.تابش در اين لايه مي‌تواند باعث پخش ذرات هوا و باردار شدن آنها شود و قادر است امواج راديوي را به دورتر از فضا برساند. در اين لايه دما با افزايش ارتفاع زياد مي‌شود.

اسلاید 10: 10جو Atmosphereاگزوسفر در 500 تا 1000 کيلومتري بالاي سطح زمين قرار دارد.آخرين لايه اتمسفر اگزوسفر ناميده مي‌شود. اگزوسفر دورترين ناحيه اتمسفر مي‌باشد و گازها در اين ناحيه رقيق هستند. در نتيجه اين قلمرو بين جو زمين و فضاي واقع در سيارات مي‌باشد. براي بيشتر كاربردها از مقاومت هوا در اگزوسفر ‌مي‌توانيم صرفنظر كنيم. ذرات ناچيز گازهاي اين منطقه در طول روز مي‌تواند به 2500 درجه سانتيگراد برسد.

اسلاید 11: 11جو Atmosphereدر اينجا سه نكته قابل ذكر است: 1-ارتفاع 18000 پايي، ارتفاعي است كه پس از آن، فشار اكسيژن براي تنفس كافي نيست و بايد اكسيژن مورد نياز خلبان و سرنشينان هواپيما، به صورت مكانيكي به داخل هواپيما دميده شود. اغلب جتهاي مسافري در ارتفاعي پرواز مي كنند كه فشار حدود 2/0 تا 3/0 اتمسفر مي‌باشد. سيستم تهويه آنها فشار داخل كابين را به حدود 85/0 اتمسفر مي رساند. 2-در ارتفاع بالاتر از 120000 پايي، اكسيژن كافي براي فرايند سوختن در محفظه احتراق بيشتر موتورهاي جت امروزي موجود نيست. بر اين اساس اين ارتفاع مي‌تواند سقف پرواز تمام هواپيما هاي امروزي به شمار آيد. 3-به اين دليل وسايل پرنده‌اي كه قرار است در ارتفاعاتي بالاتر از اين ارتفاع پرواز كنند، بايد علاوه بر سوخت، اكسيژن مورد نياز را با خود حمل كنند. موتور موشك براي پرواز در ارتفاعات بسيار زياد مناسب است و اكسيژن موجود در داخل كپسول‌هاي داخلي موشك را مصرف مي‌كند.

اسلاید 12: 12جو Atmosphereتا به حال چندين تعريف از اتمسفر استاندارد شده است و دوتا از آنها توسط كشورهاي عضو ناتو استفاده مي‌شود. كه عبارتند از اتمسفر استاندارد NACA [1] كه در ايالات متحده امريكا استفاده مي‌شود و اتمسفر استاندارد [2]ICAN كه بيشتر كشورهاي اروپائي از آن استفاده مي‌كنند. [1] National Advisory Committee for Aeronautics[2] International Commission for Aerial Navigationاتمسفر استاندارد ICAN بيشتر كشورهاي اروپائي از آن استفاده مي‌كنند. دو استاندارد اتمسفر اساسا يكسان هستند و اختلاف جزيي با‌هم دارند. اين اختلاف بين كميته بين‌المللي و استاندارد بين‌المللي اتمسفر با تاسيس سازمان ايكائو( سازمان بين المللي هوانوردي غير‌نظامي يا ICAO[3] ) در سال 1952 حل گرديد. اتمسفر استاندارد پروفيل دما يكساني را فرض مي‌كند كه با برنامه جامعي حساب مي‌شود. پروفيل دما شامل يك ناحيه تغييرات خطي دما با ارتفاع، و ناحيه پروفيل ثابت دما (منطقه ايزوترمال) است. [3] -International Civil Aviation Organization

اسلاید 13: 13جو Atmosphereشكل1-7 تغييرات پروفيل دما در اتمسفر استاندارد

اسلاید 14: 14جو Atmosphereشرايط اتمسفر در سطح دريا در جدول 1 آمده است.

اسلاید 15: 15جو Atmosphereشكل 1 ارتباط بين ارتفاع مطلق[1] و ارتفاع هندسي[2] را نشان مي‌دهد. ارتفاع مطلق فاصله از مركز زمين تا نقطه مورد نظر، درحاليكه ارتفاع هندسي فاصله عمودي تا سطح زمين است.[1] -Absolute Altitude[2] -Geometric Altitudeارتفاع هندسي و مطلق با رابطه زير در ارتباط هستند: (1)در رابطه 1 ، و به ترتيب معرف ارتفاع مطلق، ارتفاع هندسي و شعاع كره زمين است. مقدار شعاع متوسط زمين برابر با 6350 كيلومتر است.

اسلاید 16: 16جو Atmosphereبطور تاريخي، اندازه‌گيري‌ ويژگي‌هاي اتمسفر براساس اين فرضيه بوده است كه شتاب ناشي از جاذبه ثابت است. اين فرضيه منجر به يك ارتفاع ساختگي مي‌‌‌شود كه ارتفاع ژئوپتانيسل نام دارد. ارتباط بين ارتفاع هندسي و ژئوپتانيسل از معادله هيدرواستاتيك مي‌تواند تعيين شود. با نوشتن معادله هيدرو‌استاتيك داريم: (2)معادله‌هاي 3 و 4 براي برقراري ارتباط بين ارتفاع هندسي و ژئوپتانيسل استفاده مي‌شود. با استفاده از اين معادله‌ها داريم: (5) از معادله (2) مشاهده مي‌كنيم كه تغييرات فشار تابعي از چگالي سيال است، و اگر شتاب ناشي از جاذبه را در سطح دريا بكارببريم سپس ارتفاع ژئوپتانيسل خواهد بود. بنابراين داريم: (3)زماني كه ارتفاع ژئوپتانيسل باشد، و (4)

اسلاید 17: 17جو Atmosphereعلاوه بر اين، مي‌توان نشان داد كه: (6)با جاگذاري معادله 6 در معادله 5 داريم: (7)با انتگرال‌گيري از معادله 7 بين دو ارتفاع داريم: (8)يا (9)اختلاف بين ارتفاع هندسي و ژئوپتانيسل در زير ارتفاع 2/15 كيلومتر (50000 فوت ) كم مي‌باشد.

اسلاید 18: 18جو Atmosphereبراي تغييرات فشار با ارتفاع داريم: (10)و (11) با تقسيم كردن معادله 11 بر معادله 10 داريم: (12)اگر تغييرات دما با ارتفاع خطي باشد، حاصل معادله 12 به‌صورت زير خواهد بود (13)با انتگرال‌گيري از معادله بالا، داريم: (14)

اسلاید 19: 19جو Atmosphereكه فشار، دما و ارتفاع در شروع ناحيه خطي و نرخ تغييرات دما با ارتفاع كه به نرخ كاهش (lapse rate) ناميده مي‌شود. معادله 14 را بفرم مناسب‌ زير مي‌نويسيم، (15)با انتخاب مناسب ثابت‌هاي و ،معادله 15 براي محاسبه فشار در ارتفاع در هر يك از ناحيه پروفيل خطي دما مي‌تواند مورد استفاده قرار گيرد. تغييرات خطی دما:

اسلاید 20: 20جو Atmosphereمتغيرچگالي از معادله (16)به‌دست مي‌آيد. (16)و بنابر اين (17)

اسلاید 21: 21جو Atmosphereتغييرات چگالي در ناحيه ايزوترمال از رابطه رابطه زير به‌دست مي‌آيد. (20) در ناحيه ايزوترمال(Isothermal)، رژيمي كه دما با افزايش ارتفاع ثابت است. با استفاده از معادله 2 مي‌توان به معادله زير رسيد: (18)يا (19)كه فشار، دما و ارتفاع در شروع ناحيه ايزوترمال هستند.

اسلاید 22: 22جو Atmosphereمعادله‌هاي (15)، (17)، (19) و (20) تغييرات فشار و چگالي را در اتمسفر استاندارد تا ارتفاع 57 مايل(91 كيلومتر) با دقت خوبي تخمين مي‌زنند. (15) (17) (19) (20)

اسلاید 23: 23مثال 1-1دما از سطح دريا تا ارتفاع 30000 فوتي به‌صورت خطي كاهش مي‌يابد. دما و فشار در سطح دريا است.اگر دما در ارتفاع 30000 فوتي باشد، فشار و دانسيته(چگالي) در ارتفاع 20000 فوتي چقدر مي‌باشد. حل: دما با معادله خطي زير به‌دست مي‌آيددما در ارتفاع 20000 فوتي از رابطه زير به‌دست مي‌آيد.وقتي كه ، .

اسلاید 24: 24مثال 1-1فشار از رابطه 15 به‌دست مي‌آيد.چگالي با استفاده از معادله 16 به‌دست مي‌آيد:

اسلاید 25: 25پايان