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Standardatmosphäre

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

Achtung: Die in der Luftfahrt verwendeten Werte weichen zum Teil leicht von der Norm ab [1] [2]. Die in der Luftfahrt verwendeten Werte sind auf dieser Seite aufgelistet.

Die internationale Standardatmosphäre (engl. International Standard Atmosphere, ISA) ist von der International Civil Aviation Organization (ICAO) definiert worden. Sie stellt in etwa einen Mittelwert des auf der Erde herrschenden Luftdrucks, Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit sowie Temperaturabnahme je 100 m Höhenstufe dar. Damit entspricht die internationale Standardatmosphäre in etwa den in mittleren Breiten um 40° Nord (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.

In der internationalen Luftfahrt werden alle barometrischen Höhenmesser nach der Standardatmosphäre geeicht. Oberhalb einer bestimmten Flughöhe über Meer (USA: 18 000 ft; Deutschland: 5000 ft) fliegen alle Flugzeuge nach dem Flugflächen-System mit einer standardisierten Höhenmessereinstellung (Deutschland: QNH 1013 mBar; USA: 29,92 inHg - Zoll Quecksilbersäule).

US-Standardatmosphäre 1976

Als einheitliche Bedingungen auf Meereshöhe, die einem mittleren Niveau gemässigter Breiten entsprechen, werden definiert:

Temperatur T0 = 288,15 K (entspricht 15 °C)
Luftdruck p0 = 101 325 Pa = 1013,25 hPa = 1013,25 mBar
Erdbeschleunigung g0 = 9,806 65 m/s2
Erdradius RErde = 6 356 766 m
Molare Masse Luft M = 0,028 9644 kg/mol (die Standardatmosphäre enthält keinen Wasserdampf)
Universelle Gaskonstante R = 8,314 32 J/K/mol [Note-1]
Spezifische Gaskonstante RS = R / M = 287,053 J/K/kg [Note-2]
Luftdichte auf Meereshöhe ρ0 = p0 / (RS · T0) = 1,225 kg/m3

Der Temperaturverlauf mit der Höhe wird gemäss folgender Tabelle definiert [3], wobei zwischen den explizit definierten Ebenen linear interpoliert wird. Die oberste Ebene ist zugleich die Obergrenze dieses Modells.

geopot. Höhe
h [m]
geometr. Höhe
z [m]
Temperatur
T [°C] / [K]
Luftdruck
p [Pa]
Temp-Gradient
α [K/m]
0 0 15,0 / 288,15 101 325 −0,006 5
11 000 11 019 −56,5 / 216,65 22 632,1 0,000 0
20 000 20 063 −56,5 / 216,65 5 474,89 0,001 0
32 000 32 162 −44,5 / 228,65 868,019 0,002 8
47 000 47 350 −2,5 / 270,65 110,906 0,000 0
51 000 51 413 −2,5 / 270,65 66,938 9 −0,002 8
71 000 71 802 −58,5 / 214,65 3,956 42 −0,002 0
84 852 86 000 −86,2 / 186,95 0,373 4 ---

Der Temperatur-Gradient α ist wiefolgt definiert:

(1)
\alpha = {dT \over dh} = {T - T_\mathrm{ref} \over h - h_\mathrm{ref}} \qquad \Leftrightarrow \qquad T(h) = T_\mathrm{ref} + \alpha\, (h-h_\mathrm{ref})
wobei'
T ' =' 'Temperatur in der Höhe h in Kelvin
T_\mathrm{ref} ' =' 'Temperatur in einer Bezugshöhe (z.B. Meereshöhe)
h ' =' 'Höhe in m
h_\mathrm{ref} ' =' 'Bezugshöhe (z.B. Meereshöhe = 0 m)
(Klick: Zoom)
ZoomInformationen zum BildStandardatmosphäre 1976 bis 90 km Höhe

Es wird angenommen, dass die Luft bestimmte Gesetzmässigkeiten in idealer Weise erfüllt, insbesondere die allgemeine Gasgleichung. Mit der barometrischen Höhenformel lässt sich der höhenabhängige Luftdruck berechnen.

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 folgende Gleichung gegeben:

(2)
z(h) = {R_\mathrm{Erde} \cdot h \over R_\mathrm{Erde} - h}

Notes

Der in der Luftfahrt verwendete Wert für R = 8,314 32 weicht vom Normwert R = 8,314 4598 J/K/mol ab, siehe Gaskonstante; Wikipedia
https://de.wikipedia.org/wiki/Gaskonstante
Der in der Luftfahrt verwendete Wert für RS = 287,053 weicht vom Normwert RS = 287,058 J/K/kg ab

Quelle

U.S. Standard Atmosphere - Wikipedia (Englisch)
http://en.wikipedia.org/wiki/U.S._Standard_Atmosphere
Standard conditions for temperature and pressure - Wikipedia (Englisch)
http://en.wikipedia.org/wiki/Normal_temperature_and_pressure
Barometric formula - Wikipedia (Englisch)
http://en.wikipedia.org/wiki/Barometric_formula
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