第一章 大气物理学
李幼兰主编《空气动力学和维护技术基础》课件
1.1 大气的重要物理参数
2. 大气温度 【大气温度】大气层内空气的冷热程度，常用单位：摄氏温度（C）、 华氏温度（F）、热力学温度（K）
TC TF 32 5 / 9
TK TC 272.15
温度高低表征空气分子平均动能的大小。 大气层温度分布规律：在大约11km高度以下的大气层内，随高度
1.2 大气层的构造
2）由于空气电离释放热量，这一层温度很高，且随高度增加温度
上升；
3）由于空气密度极小，声波无法传播。 5. 散逸层：大气最外层
特点： 地心引力很小，大气分子不断向星际空间逃逸；
1.3 国际标准大气（ISA）
1.3.1 国际标准大气制定原因
实际大气层随地理位置、高度、季节、时间不同而不同，而人类 各种飞行活动与实验要比较，所以需要一个标准大气作为基准。
增加温度下降。
1.1 大气的重要物理参数
3. 大气压力 【大气压力】大气层内空气的压强，国际单位：Pa（N/m2）。
大气压强产生原因：1）空气重力；2）空
气分子不规则的热运动； 大气层压强分布规律：在大气层内，随高 度增加压强减小。
1.1 大气的重要物理参数
4. 黏性 【黏性】黏性是流体的固有属性，当流体内相邻两层之间流速不同， 或流体与物体间发生相对运动时，两流层接触面上或流体和物体接触 面上便发生相互牵扯的力，这种特性就是流体黏性。 【牛顿黏性定律】黏性切应力与两层流体间的相对速度成正比，与 两层流体间距离成反比，即：
度，还会改变飞机迎角；由下向上的垂直阵风使飞机相对气流速度突 然增大，迎角也突然增大；由上向下的垂直阵风使飞机相对气流速度 突然减小，迎角也突然减小；因此垂直阵风对飞机飞行性能影响比水 平阵风大。 遇到由下向上的垂直阵风时，飞机如是大迎角小速度飞行，应减小迎 角，增大速度；如是小迎角大速度飞行，可适当减小速度，增大迎角
大气物理学
Td Td 0 h 123(Td Td 0 )(m) 2 (0.98 0.17) 10
注意：有时误差很大。
第三节 大气中的湿绝热过程
定义：大气中有相变发生的绝热过程
一、两种极端情况
1、可逆湿绝热过程
水汽相变所产生的水成物不脱离原气块，始终跟随气块上升或 下降，所释放的潜热也全部保留在气块内部。
g dT dz c pd
∴近似为
dT g d 9.8 /1004 0.98K /100m dz c pd
三、位温
1、定义
气块经过干绝热过程气压变为1000hPa时， 气块所具有的温度。用θ表示，其定义式为
1000 T p
在精度要求不高的计算中常用kd代k计算θ。
1、坐标系
x T , y ln p
2、基本线条 等温线、等压线、等θ线（干绝热线）、 等qs线（等饱和比湿线）、等Θse线（假绝热线）。
等温线：平行于纵坐标的一组等间距（黄色）直线，每隔 1 ℃ 一条线，每隔 10 ℃ 标出温度 数值，其中大字体为摄氏温度 ( ℃ ) ，小字体为绝对温度（ K ）。 等压线：平行于横坐标的一组（黄色）直线，从 1050 百帕到 200 百帕之间，每隔 10 百帕一 条线，图左右两侧每隔 100 百帕标出气压数值。 干绝热线：即等位温线，是一组近似于直线的对数曲线，自图右下方向左上方倾斜的黄色实 线，线上每隔 10 ℃ 标出位温（ q ）数值。当气压值低于 200 百帕时，位温使用括号内数值。
• 对位温定义式求对数，
将x = T, y = ln（1000/p) 代入上式得，
1000 ln ln T k ln p
空气动力学基础01大气物理学
1.1.3 大气压力
大气压力
大气层内空气的压强，即物体单位面 积上承受的空气的垂直作用力。
产生原因
上层空气的重力对下层空气造成了压 力 空气分子不规则的热运动
因为大气压力随高度和温度变化， 所以规定在海平面温度为15 ℃时 的大气压力为一个标准大气压
1.1.4 粘性
粘性
流体内两相邻流层的流速不同时，或流体与物体间发生相对 运动时，两个流层接触面上或流体和物体接触面上便产生相 互粘滞和相互牵扯的力，这种特性就是流体的粘性。
1.1.7 音速
音速
小扰动在介质中的传播速度。 不同介质下： 2 p
a1 T
1.2 大气层的构造
大气分为五 层
对流层 平流层 中间层 电离层（ 热层） 散逸层
1.3 国际标准大气（ISA）
1.3.1 国际标准大气的制定
大气的物理性质是变化的，使航空器上产生的空气动力也发 生变化，影响飞行性能； 为便于设计、试验和分析航空器性能，需要建立一个统一的 标准，即标准大气。 国际民航组织（ICAO）根据对北纬40 °～50°区域的地球大 气多年观测的结果，加以模型化，给出的一种假想的大气模 型。
525.95 462.49 405.39 354.16 308.31 267.40 231.02 198.76 170.26 145.50
0.7846
0.6920 0.6085 0.5334 0.4660 0.4057 0.3519 0.3040 0.2615 0.2240 0.1915
1.0066
当大气流过飞行器表面时，在一些部位气流速度增加 ，气流的压力会减小，密度也会随之下降
大气物理学与气候变化
大气物理学与气候变化大气物理学是研究大气环境和大气现象的科学，它是研究气候变化的基础。
气候变化是环境保护的热门话题，也是国际社会关注的重要议题。
随着全球工业化和人口增长的加速，气候变化对人类生存和发展产生了越来越大的影响。
本文将从大气物理学角度探讨气候变化的原因和影响，并介绍一些应对气候变化的方法。
气候变化的原因气候变化是自然环境的变化和人类活动共同作用的结果。
其中，气候系统内部的自然变化是气候变化的基础，而人类活动则加速和放大了气候变化的影响。
下面我们从自然因素和人为因素两个方面分别分析气候变化的原因。
自然因素气候系统内部的自然变化是由多个因素共同作用导致的。
其中最主要的是太阳辐射、地球轨道和海洋循环。
太阳辐射是驱动地球气候变化的主要能量来源，当太阳辐射变化时，地球的气候也会受到影响。
地球轨道的变化会改变太阳辐射的接受量，而海洋循环则是全球气候系统中调节温度和海平面变化的重要因素。
人为因素人类活动是气候变化的重要因素，特别是工业化和城市化进程的加速，导致大量的温室气体排放，使得大气中的温室气体浓度迅速上升。
红外辐射没有被大气层完全吸收，而是被反射回地球表面，从而产生温室效应。
而大气中温室气体的增加，就像给地球“穿上了一件厚厚的毛衣”，使得地球表面的温度升高，从而导致气候变化。
气候变化的影响气候变化对人类生存和发展产生了越来越大的影响，不仅仅是对生态环境造成了极大的危害，而且涉及到人类的一切活动。
下面我们从自然环境、农业和人类健康三个方面分析气候变化的影响。
自然环境气候变化对生态环境造成了很大的危害，导致生物多样性的减少和生态系统的崩溃。
全球气温上升导致冰川消融和海平面上升，这将导致沿海城市和小岛国家面临淹没的风险。
气候变化也会导致干旱、洪涝和风暴等极端天气事件变得更加频繁和严重。
农业气候变化影响了全球农业生产和粮食安全。
温度上升会影响作物的生长和产量，土壤水分、地面水源和灌溉能力将发生变化，造成生产成本增加和经济效益下降。
大气物理学基础知识
大气物理学基础知识大气物理学是一门研究地球大气现象的科学。
它主要研究大气的物理特性、活动、变化和影响因素等方面，并涉及气象学、物理学、化学和地质学等多个学科。
下面就大气物理学的基础知识进行一些探讨。
一、大气组成地球大气主要由氮(N2)和氧气(O2)组成，二者占据了大气中的绝大部分。
此外，其他成分还包括氢(H2)、氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氖(Kr)、氙(Xe)、气态水(H2O)和温室气体等，它们的存在对于大气物理学的研究具有重要意义。
二、大气结构大气的结构分为四层，自地球表面向上分别为对流层、平流层、中间层和热层。
对流层即人们所说的大气层，它从地球表面向上延伸约16公里，这一层的温度逐渐降低。
平流层位于对流层之上，这里温度逐渐升高，高度达到60千米以上。
中间层是连接平流层和热层的过渡层，这里的温度在-60到0℃之间。
热层位于大气层最高处，高度达到100千米以上，这里的温度非常高，甚至能够使气体变成离子。
三、大气运动大气系统的运动有大尺度和小尺度之分。
大尺度运动像气流和风一样，可以覆盖数百公里到几千公里的范围，与全球气候和天气有密切关系。
小尺度运动则主要研究雷暴、涡旋和涡流等现象，它们通常比大尺度运动时间和空间尺度更小。
四、大气辐射和温室效应大气中的辐射产生于太阳射线的入射和地球的自然热辐射。
对于太阳辐射，大气吸收了其中的紫外线、可见光和近红外线；对于自然热辐射，大气吸收了其中的远红外线。
大气中温室气体的存在可以吸收和辐射这些辐射，同时也使得地球表面的温度升高，形成了温室效应。
温室效应也是大气物理学研究的重要内容之一。
以上就是关于大气物理学的一些基础知识的介绍。
大气性质和大气活动对于我们的生活和工作都有着深刻的影响，因此了解大气物理学的基础知识也是必要的。
气象学中的大气物理学和大气化学
气象学中的大气物理学和大气化学气象学是一门研究大气环境和天气变化的学科，它主要涉及到大气物理学和大气化学两个方面。
在这篇文章中，我们将对这两个方面进行深入探讨。
一、大气物理学大气物理学是研究大气环境的运动、热力学和动力学特性的学科。
它主要研究大气的温度、压力、湿度、风力等参数以及它们之间的关系。
大气物理学中最基本的概念是大气层，它是指从地球表面到大气的最高点之间的那一部分大气。
大气层可以分成若干个不同的层次，其中最底层是对人类最重要的，也是人们居住和工作的层次。
这个层次被称为对流层，它的厚度大约为10至15公里。
大气物理学中的另一个重要概念是大气循环。
大气循环是指大气中水汽、气体和气溶胶在不同地区和高度之间发生的流动。
这种流动形成了大气的环流系统，它是一个由多个环流组成的复杂系统。
这个系统的形成和运动方式是受许多因素影响的，包括太阳辐射、地球的自转、地球表面的地形和大气中的气体成分等。
大气物理学还研究风、气旋和台风等现象，它们对人类活动产生着重大的影响。
例如，强热带气旋可以造成巨大的破坏，而气温变化会对人类的生产和生活造成很大的影响。
二、大气化学大气化学是研究大气的化学成分及其在大气中的地球化学过程和作用的学科。
大气化学主要涉及到大气中的气态化学反应、大气有机化学、大气生物化学以及大气中化学物质的分布和迁移等。
大气化学主要研究大气中的气体、电离、化学反应等方面。
例如，大气中的氧、氮、氢、二氧化碳等气体成分的化学反应对大气的化学特性和气体分布等有着重要的作用。
此外，大气中也存在着许多有机物和无机物，这些物质将会对人与环境产生潜在的威胁。
大气化学在人类活动中也扮演着重要的角色。
例如，工业排放和交通尾气等都会大量释放大气污染物，这些污染物不仅会对大气本身产生影响，还会影响人类健康和生产活动。
此外，一些化学物质在大气中的迁移和分布也成为科学家们研究的重点。
总之，大气物理学和大气化学分别研究了大气环境的运动和化学特性，它们在人类活动中都扮演着重要的角色。
大气物理学课件
p2
p1
dp gdz
z1
z2
P Rd Tv
p2
p1
z2 dp g dz z1 R T p d v
z2
p 2 p1e
z1
g dz Rd Tv
二、大气标高 大气标高表示气压、密度随高度的变化趋势。
Tv 0 z （等温大气）时，
H
Tv 0
为等温大气
2、当 ℃/100m（均质大气）,设 则 H 7996 米为均质大气的上界。
T0 Tz 3、当 Z
Tv0 273K ，
（多元大气）
z2
将公式
p 2 p1e
z1
g dz Rd Tv
中的虚温看作常数
g z2 z1 Rd Tv
p2 p1e
写成对数形式
p2 g ln ( z 2 z1 ) p1 Rd Tv
取消负号
Rd Tv p1 z 2 z1 ln g p2
z 2 z1 184001 (
在同样的温度和压力条件下，气温直减率越大，气压 随高度降低越快。 当求大气的最高极限高度时，将P=0代入多元大气 的气压——高度公式中得到：
H T0
说明γ为常数时，多元大气有确定的上界。
从多元大气的压高公式中可知： 1、当 的上界，即等温大气无确定的上界。
g 3.41 Rd
气压标高 密度标高
ln p 1 H p ( ) z
ln 1 H ( ) z
三、几种特殊大气模式的气压——高度公式
大气物理学课件完整PPT
d t x y z （1）大陆型：一年中气压最高值 出现在冬季，最低值出现在夏季，气压年变化值很大，并由低纬向高纬逐渐增大。
程
2、不同密度气团的移动
（二）辐散、辐合与垂直运动
u , v , w x y z
u 0 x u 0 x
空气的散度 辐散 辐合
立方体中的总散度等于三个偏导数之和 1ddtuxyvw z
( ) （3） 2、不同密度气团的移动
x y z t 气压梯度是一个空间矢量，它垂直于等压面，由高压指向低压，数值等于两等压面间的气压差（ΔP）除以其间的垂直距离（ΔN），可
用下式表示：
一、气压梯度（pressure gradient)
水平气压梯度力的大小为
当或
时
((u)(v)(w ))0 （4）
( t )z
g
dz
z t
对于地面，有
(p0 ) t
g
0
dz
t
[(u)(v)(w )] 连续方程
x y z t
代入
(
p0
)
g
dz
t
0 t
得到
( p 0) g( u v )d zg (u v )d zg (w )dz t 0 x y 0 x y 0 z
水平方向上的 速度辐散、辐 合
气压梯度力（ pressure gradient force) 气压梯度存在时，单位质量的空气所受的力叫气压梯度力，其大小与气压梯度成正比，与空气
密度成反比。
或 则在 时间内，流入这小立方体中总净质量为：
（三）引起局地气压变化的原因
方
二、水平气压梯度力的大小和方向 可以分为以下三种类型：
1duvw0 （9） 将（7）式代入（5）式，得到：
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1.2 大气层的构造
若以气温变化为基准，则可将大气分 为对流层、平流层、中间层、电离层、和散 逸层等五层。
大气的分层
Km Kft hPa
Kg/m3
温度
kg/m
3
电离层(暖层) 中间层 平流层(同温 层) 对流层
对流层(变温层)的特点
对流层的平均高度在地球中纬度地区约11公里， 在赤道约17公里，在两极约8公里。 在对流层内几乎包含了全部大气质量的四分之 三。大气中含有大量的水蒸气及其它微粒，所 以云、雨、雪、雹及暴风等气象变化也仅仅产 生在对流层中。 对流层内不仅有空气的水平流动，还有垂直流 动，形成水平方向和垂直方向的突风。 对流层内的空气温度、密度和气压随着高度的 增加而下降。在11km以下，每上升1km，温度 下降6.5度。
本章小结
大气的重要物理参数 大气层的构造 国际标准大气（ISA） 气象对飞行活动的影响 大气状况对飞机机体腐蚀的影响
粘性是流体的固有属性之一。它与物体在介质 中的运动密切相关。 流体的粘性是指流体微团间发生相对滑移时产 生切向阻力的性质。 大气的粘性主要由于气体分子不规则运动造成 的。
1.1 大气的重要物理参数
粘性力计算公式：
F ( / y) S
μ表示横向速度梯度为 1时，在流层单位接触 面积上产生的粘性力。 称为流体的粘度系数 （动力粘度系数）， 单位是Pa· S。
低空风切变对飞行的影响
什么叫风切变
风向和风速在特定方向上的变化称为风切变,一 般特指在短时间、短距离内的变化。包括水平风 切变和垂直风切变。 低空风切变严重威胁飞行安全。
1.4 气象对飞行活动的影响
云对飞行的影响
影响视线 积雨云 积冰
1.5 大气状况对飞机机体腐蚀的影响
大气湿度
a
(米/秒)
340 336 332 329 325 320 316 312 308 304 299 295 295 295 295 295 295 295 295 295 295 295 355 372 325
p10-4 (牛顿/ 米2)
10.132 8.987 7.948 7.010 6.163 5.400 4.717 4.104 3.558 3.073 2.642 2.261 1.932 1.650 1.409 1.203 1.027 0.785 0.749 0.640 0.546 0.117 0.017 0.003 0.0006
空气的可压缩性如何体现？ 在低速飞行时忽略空气可压缩性的影响（Ma<0.4） 在高速飞行时大气的可压缩性不可忽略（Ma>0.4）
1.1 大气的重要物理参数
湿度
大气的潮湿程度，通常用相对湿度来表示。
相对湿度指大气中所含水蒸汽的量与同温度下大 气能含有的水蒸汽最大量之比。 露点温度：使大气的相对湿度达到100%时的温 度。
国际标准大气表
H (千米)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 18 20 30 45 60 75
T
(℃)
15.0 8.5 2.0 -4.5 -11.0 -17.5 -24.0 -30.5 -37.0 -43.5 -50.0 -56.5 -56.5 -56.5 -56.5 -56.5 -56.5 -56.5 -56.5 -56.5 -56.5 -56.5 40.0 70.0 -10.0
气体 粘度系数随温度变化情况
液体
1.1 大气的重要物理参数
可压缩性
流体在压强或温度改变时，能改变其原来体积及密度 的特性。 流体的可压缩性用单位压强所引起的体积变化率表示。 即在相同压力变化量的作用下，密度（或体积）的变 化量越大的物质，可压缩性就越大。
V Vp p
大气湿度对金属在大 气中的腐蚀有着重要 的影响。 大气污染物质 温差影响比温度影响 大。 一般随温度的升高， 腐蚀加快。
大气的温度和温差
1.5 大气状况对飞机机体腐蚀的影响
大气的污染物质
空气中的粉尘、颗粒对金属的大气腐蚀的影响 主要有三种形式：
颗粒本身具有腐蚀性：如铵盐颗粒，溶于金属表 面水膜内，提高了导电率或酸度，促进了金属的 腐蚀。 颗粒本身没有腐蚀性，但能吸收空气中的水分， 或吸附腐蚀性物质，加速腐蚀。 既无腐蚀性又不具有吸附性，但落在金属表面， 与金属表面之间形成缝隙，形成氧浓差腐蚀条件， 也会加速金属腐蚀。
1.4 气象对飞行活动的影响
阵风对飞机飞行的影响
大气层中空气短时间强烈对流产生的扰动称为阵风。 水平阵风和侧向阵风 垂直阵风 主要是改变迎角。
1.4 气象对飞行活动的影响
稳定风场对飞机飞行的影响
逆风起飞着陆 有侧风时起飞和着陆
●侧风中的着陆过程
● 航线法进近
● 带坡度接地
国际标准大气的应用
设计飞机时应该按此标准计算飞机的飞行 性能，飞机试飞结果也应该换算成标准大 气条件下的结果，以便分析和比较。 飞机飞行手册中列出的飞行性能数据是在 国际标准大气条件下得出的，要得出实际 大气情况下飞机的飞行性能必须根据实际 大气情况对性能数据进行修正。 这种换算的主要工作是要确定实际大气和 国际标准大气的温度偏差（ISA偏差）。
大气的重要物理参数 大气层的构造 国际标准大气（ISA） 气象对飞行活动的影响 大气状况对飞机机体腐蚀的影响
飞机是在大气的海洋里航行的飞行器。飞机的空气 动力、发动机工作状态都与大气密切相关。
1.1 大气的重要物理参数
大气的组成
大气主要有三种成分：纯 干空气、水蒸气以及尘埃颗 粒。纯干空气含有78%的氮 气和21%的氧气，余下的1% 由各种其他气体组成。
在标准大气压下，100 纯水的沸点 在标准大气压下，0 纯水的冰点
1.1 大气的重要物理参数
5 Tc (TF 32 ) 9 Tk Tc 273 .15
Tc——摄氏温度 Tf——华氏温度 Tk——绝对温度
1.1 大气的重要物理参数
Km Kft hPa
Kg/m3
温度
kg/m
3
电离层(暖层) 中间层
平流层(同温 层) 对流层
1.1 大气的重要物理参数
大气压力
大气层内空气的压强， 即单位面积上承受的 空气的垂直作用力。 空气重力 空气分子的热运动 度量单位 标准大气压 101325Pa 大气压随高度增大而 减小。
1.1 大气的重要物理参数
粘性
大气的分层
Km Kft hPa
Kg/m3
温度
kg/m
3
电离层(暖层) 中间层 平流层(同温 层) 对流层
中间层、电离层的特点
中间层的特点
中间层从离地面50公里到80公里为止。 空气十分稀薄，温度随高度增加而下降。 空气在垂直方向有强烈的运动。
电离层(热层)的特点
中间层以上到离地面800公里左右就是电离层。 空气处于高度的电离状态，带有很强的导电性， 能吸收、反射和折射无线电波。空气温度很高， 并随着高度的增加而上升，所以又称为热层。空 气密度极小，声音已无法传播。
105 (千克/ 米秒)
1.780 1.749 1.717 1.684 1.652 1.619 1.586 1.552 1.517 1.482 1.447 1.418 1.418 1.418 1.418 1.418 1.418 1.418 1.418 1.418 1.418 1.418 1.912 2.047 1.667
ISA偏差
例2 飞机巡航压力高度为2000m，该高 度处气温-6C。求该高度处ISA偏差。
解 高度为2000m处的ISA标准温度应该为 T标准=15C（6.5C/1000m）2000m=2C 而实际温度为： T实际=-6C， 所以，ISA偏差即温度差为： ISA偏差= T实际T标准=-6C2C=-8C， 表示为：ISA-8C
大气的分层
Km Kft hPa
Kg/m3
温度
kg/m
3
电离层(暖层) 中间层
平流层(同温 层) 对流层
平流层(同温层)的特点
从对流层顶起到离地面约50公里之间称为平流 层。该层下半部（大约20km以下）的空气温度 几乎不变，在同一纬度处可以近似看作常数， 常年平均值为摄氏零下56.5度，所以又称为同 温层。 在平流层中，空气只有水平方向的流动。几乎 没有水蒸汽，故没有雷雨等现象，故得名为平 流层。空气质量占整个大气的四分之一不到。 现代喷气式客机多在11~12km的平流层底层 （巡航）飞行。
空气动力学基础（ME、AV）
第一章 第二章 第三章 第四章 大气物理学 空气动力学 飞行理论 飞机的稳定性和操纵性
空气动力学的应用
空气动力学基础（ME、AV）
第一章 第二章 第三章 第四章 大气物理学 空气动力学 飞行理论 飞机的稳定性和操纵性
第一章 大气物理学
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
1.1 大气的重要物理参数
大气密度
单位体积内空气质量，
m V 大气密度随高度的增
加而减小。
1.1 大气的重要物理参数
大气温度
温度高低表明空气分子不规则热运动平均速度 的大小。 在11km以下，随高度的增加气温下降，线性 变化。