ISO 14222:2013
(Main)Space environment (natural and artificial) — Earth upper atmosphere
Space environment (natural and artificial) — Earth upper atmosphere
ISO 14222:2013 specifies the structure of Earth's atmosphere above 120 km, provides accepted empirical models that can specify the details of the atmosphere, and uses annexes to describe the details of those models. Its purpose is to create a standard method for specifying Earth atmosphere properties (densities, etc.) in the low Earth orbit regime for space systems and materials users.
Environnement spatial (naturel et artificiel) — Haute atmosphère terrestre
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
j
МЕЖДУНАРОДНЫЙ ISO
СТАНДАРТ 14222
Первое издание
2013-09-15
Космическое окружение Земли
(естественное и искусственное).
Верхние слои атмосферы Земли
Space environment (natural and artificial) – Earth upper atmosphere
.
Ответственность за подготовку русской версии несѐт GOST R
(Российская Федерация) в соответствии со статьѐй 18.1 Устава ISO
Ссылочный номер
ISO 14222:2013(R)
©
ISO 2014
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 14222:2013(R)
ДОКУМЕНТ ЗАЩИЩЕН АВТОРСКИМ ПРАВОМ
© ISO 2013
Все права сохраняются. Если не задано иначе, никакую часть настоящей публикации нельзя копировать или использовать в
какой-либо форме или каким-либо электронным или механическим способом, включая фотокопии и микрофильмы, без
предварительного письменного согласия офиса ISO по адресу, указанному ниже, или членов ISO в стране регистрации
пребывания.
ISO copyright office
Case postale 56 CH-1211 Geneva 20
Tel. + 41 22 749 01 11
Fax + 41 22 749 09 47
E-mail copyright@iso.org
Web www.iso.org
Опубликовано в Швейцарии
ii © ISO 2013 – Все права сохраняются
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 14222:2013(R)
Содержание Страница
Предисловие. iv
Введение . v
1 Область применения . 1
2 Термины и определения . 1
3 Символы и сокращения . 3
4 Общая концепция и предположения . 4
4.1 Использование модели земной атмосферы. 4
4.2 Использование модели ветра Земли . 5
4.3 Надежность стандарта . 6
Приложение A (информативное) Структура земной атмосферы . 7
ПриложениеВ (информативное) Природное электромагнитное излучение и индексы . 29
Библиография . 42
© ISO 2013 – Все права сохраняются iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 14222:2013(R)
Предисловие
Международная организация по стандартизации (ISO) является всемирной федерацией национальных
организаций по стандартизации (комитетов-членов ISO). Разработка международных стандартов
обычно осуществляется техническими комитетами ISO. Каждый комитет-член, заинтересованный в
деятельности, для которой был создан технический комитет, имеет право быть представленным в этом
комитете. Международные правительственные и неправительственные организации, имеющие связи с
ISO, также принимают участие в работах. ISO работает в тесном сотрудничестве с Международной
электротехнической комиссией (IEC) по всем вопросам стандартизации в области электротехники.
Процедуры разработки документа и дальнейшего ведения его установлены в Директивах ISO/IEC,
Часть 1. В частности, следует отметить необходимость других критериев одобрения для различных
типов документов ISO. Данный документ разработан в соответствии с правилами, установленными в
Директивах ISO/IEC, Часть 2. www.iso.org/directives.
Следует иметь в виду, что некоторые элементы данного документа могут быть объектом патентных
прав. Организация ISO не должна нести ответственность за идентификацию какого-либо одного или
всех патентных прав. Детали объекта патентных прав размещаются в разделе Введение и/или на
сайте ISO в разделе Патентных прав. www.iso.org/patents
Любое торговое имя используемое в этом документе является информацией предоставляемой для
удобства пользователей и не является передаточной надписью.
Данный документ разработан Техническим комитетом ISO/TC 20 Авиационные и космические
аппараты, Подкомитетом SC 14, Космические системы и их эксплуатация.
iv © ISO 2013 – Все права сохраняются
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO 14222:2013(R)
Введение
Данный международный стандарт предоставляет руководящие принципы для определения свойств
верхней атмосферы Земли (более 120 км). Хорошее знание температуры, суммарной плотности,
концентраций газовых составляющих, и давления является важным для осуществления многих
космических миссий на низкой околоземной орбите (НОО) примерно ниже 2 500 км высоты. Действие
аэродинамических сил на космический корабль, обусловленное орбитальным движением спутника
через разреженный газ, который сам по себе может обладать переменной высокой скоростью ветра,
имеют важное значение для планирования времени жизни спутника, поддержания орбиты, маневров
для избежания столкновений и мониторинга мусора, и определяют необходимый размер двигательной
системы, дизайн системы ориентации, и оценку пиковых ускорений и крутящих моментов, влияющих на
чувствительные нагрузки спутника. Эффекты коррозии поверхности из-за воздействия больших
потоков атомарного кислорода оцениваются для прогнозирования деградации широкого спектра
покрытий космических аппаратов и инструментов. Реакции атомарного кислорода вокруг аппарата
могут также привести к интенсивному ―сиянию космического аппарата‖.
Структура верхней атмосферы Земли, принятые эмпирические модели, которые могут
конкретизировать детали атмосфера, и детали этих моделей (Приложение А) включены в настоящий
международный стандарт. Приложение В содержит детальное описание нейтрального
электромагнитного излучения и индексы.
© ISO 2013 – Все права сохраняются v
---------------------- Page: 5 ----------------------
МЕЖДУНАРОДНЫЙ СТАНДАРТ ISO 14222:2013(R)
Космическое окружение Земли (естественное и искусственное).
Верхние слои атмосферы Земли
1 Область применения
Этот международный стандарт определяет структуру атмосферы Земли выше 120 км, предоставляет
принятые эмпирические модели, которые могут указать реквизиты атмосферы, и использует
приложения, чтобы описать детали этих моделей. Его целью является создание стандартного метода
для определения свойств земной атмосферы (плотности и др.) в режиме низкой околоземной орбиты
для космических систем и использования материалов.
2 Термины и определения
В этом документе используются следующие термины и определения.
2.1
гомосфера
homosphere
район атмосферы, в котором составляющие хорошо перемешаны, т.е. концентрация составляющих
его газов не зависит от высоты и местоположения
ПРИМЕЧАНИЕ 1 к статье: Этот район простирается от 0 км до 100 км и содержит определяемый температурой
район тропосферы от поверхности Земли до высоты ~8 – 15 км, стратосферу (от ~10 – 12 км до 50 км по высоте),
мезосферу (от 50 км до 90 км по высоте), и нижнюю часть термосферы.
2.2
гетеросфера
heterosphere
часть атмосферы выше 125 км, где уже доминирует диффузионное разделение компонентов и состав
атмосферы зависит от высоты
2.3
термосфера
thermosphere
область атмосферы между температурным минимумом и мезопаузой (около 90 км) и высотой, где
вертикальная шкала высоты примерно равна длине свободного пробега (400 км – 600 км), в
зависимости от уровней солнечной и геомагнитной активности
2.4
экзосфера
exosphere
область атмосферы, которая простирается от верха термосферы до внешних слоев
2.5
NRLMSISE-00
модель Naval Research Labatory Mass Spectrometer, Incoherent Scatter Radar Extended Model
Naval Research Labatory Mass Spectrometer, Incoherent Scatter Radar Extended Model
модель, которая описывает нейтральную температуру и плотность составляющих газов в атмосфере Земли
© ISO 2013 – Все права сохраняются 1
---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO 14222:2013(R)
ПРИМЕЧАНИЕ 1 к статье: Она основана на очень большой базе данных от спутников, ракет и радаров, за
большой период времени и по большому пространству. Модель была тщательно протестирована на соответствие
экспериментальным данным международным научным сообществом. Модель имеет гибкую математическую
формулировку.
ПРИМЕЧАНИЕ 2 к статье: Модель работает от уровня земли до экзосферы. Два индекса используются в этой
модели: F (дневной солнечный поток предыдущего дня и среднее значение потока за 81 день) и A
10.7 P
(геомагнитная дневная норма).
[ ]
1
ПРИМЕЧАНИЕ 3 к статье: См. ссылку
.
2.6
модель Jacchia-Bowman 2008
JB2008
Jacchia-Bowman 2008 Model
модель, которая описывает нейтральную температуру и полную плотность составляющих газов в
термосфере Земли и экзосфере
ПРИМЕЧАНИЕ 1 к статье: Ее новые особенности способствуют более точному модельному представлению
средней суммарной плотности по сравнению с предыдущими моделями, включая NRLMSISE-00.
ПРИМЕЧАНИЕ 2 к статье: Она работает по высоте от 120 км до 2 500 км в экзосфере. В этой модели
используются четыре солнечных индекса и два индекса геомагнитной активности: F (табличное значение
10.7
активности за предыдущий день и среднее за 81 день с центром в день запроса); S (табличное значение
10.7
активности за предыдущий день и среднее за 81 день с центром в день запроса); M (табличное значение
10.7
активности пятью днями раньше и среднее за 81 день с центром в день запроса); Y (табличное значение
10.7
активности пятью днями раньше и среднее за 81 день с центром в день запроса); a (табличное значение за 3
p
часа); и Dst (преобразованное от табличного значения изменения температуры dTc на момент запроса).
[2]
ПРИМЕЧАНИЕ 3 к статье: См. Ссылку .
2.7
модель горизонтального ветра
HWM07
Horizontal Wind Model
глобальная эмпирическая модель горизонтальных ветров в мезосфере и термосфере (средней и
верхней атмосфере).
ПРИМЕЧАНИЕ 1 к статье: Референсное значение индекса a , необходимое для работы модели ветра дано в Приложении A.
p
ПРИМЕЧАНИЕ 2 к статье: HWM07 не содержит в себе зависимости от солнечного ультрафиолетового (EUV)
излучения. Циклы солнечной активности мало влияют на ветры в термосфере в течение дня, но могут превышать
20 м/с в течение ночи.
ПРИМЕЧАНИЕ 3 к статье: В модели HWM07 надо внимательно относиться к трактовке термосферных ветров на
высоких геомагнитных широтах в течение тихих периодов геомагнитной активности.
[3]
ПРИМЕЧАНИЕ 4 к статье: См. ссылку .
2.8
глобальная референсная модель атмосферы Земли
Earth GRAM 2010
глобальная референсная модель атмосферы Земли (последняя версия GRAM 2010) создана по
поручению NASA, она описывает земную атмосферу на уровне поверхности для операционных целей
ПРИМЕЧАНИЕ 1 к статье: GRAM 2010 представляет собой глобальную референсную модель земной атмосферы,
основанную на комбинации эмпирических моделей, которые работают на разных уровнях высоты вплоть до
120 км. В верхних слоях атмосферы выше 120 км работают три различные атмосферные модели, термосфера
Маршала (tht Marshall Thermosphere, MET-07), Naval Research Laboratory Mass Spectrometer, Incoherent Scatter
2 © ISO 2013 – Все права сохраняются
---------------------- Page: 7 ----------------------
ISO 14222:2013(R)
Radar Extended (NRLMISE-00) и модель Jacchia-Bowman (JB-2008). В добавок к NRL1993 применяется и
гармоническая модель ветров (Harmonic Wind Model HWM-93) для использования в сочетании NRLMISE-00.
ПРИМЕЧАНИЕ 2 к статье: эти модели доступны по лицензии от NASA для квалифицированных пользователей,
они обеспечивают качество информации аналогичное NRLMSISE-00. Earth GRAM 2007 содержит в себе опции для
моделей NRLMSIS-00, HMW-93 и JB2006.
[ ]
4
ПРИМЕЧАНИЕ 3 к статье: См. ссылку .
2.9
Модель переноса температуры
DTM-2009
Drag Temperature Model 2009
эта модель описывает нейтральную температуру и плотности главных и незначительных
составляющих в атмосфере Земле на высоте от 120 км до 1 500 км.
ПРИМЕЧАНИЕ 1 к статье: Работа DTM-2009 основана на большой базе данных, которая собиралась с начала 70-х
годов, она аналогична базе данных, на основе которой работает модель NRLMSISE-00 за исключением данных от
радаров. Кроме того, в DTM-2009 включены данные о плотностях от датчиков ускорения высокого разрешения
CHAMP и GRACE.
ПРИМЕЧАНИЕ 2 к статье: Модель DTM-2009 работает в экзосфере от 120 до 1500 км. В этой модели
используются два индекса: F для солнечного потока (ежедневного для предыдущего дня и среднего за 81 день
10.7
с центром в день запроса) и Kp (величина потока с трехчасовой задержкой и среднее за последние 24 часа).
1
ПРИМЕЧАНИЕ 3 к статье: Коды модели DTM (DTM-94, DTM-2000, DTM-2009) доступны для загрузки с сайта проекта ATMOP .
[ ]
5
ПРИМЕЧАНИЕ 4 к статье: См. ссылку .
3 Символы и сокращения
a Трехчасовой планетарный индекс геомагнитной активности в единицах nT
p
A Ежедневный индекс геомагнитной активности в единицах nT
p
CIRA COSPAR International Reference Atmosphere – референсная модель внешней атмосферы
COSPAR Комитет по космическим исследованиям
Dst Почасовой индекс кольцевых возмущений в единицах nT
-22 -2
F F солнечный прокси в единицах солнечного потока × 10 W m
10 10.7
-22 -2
M M солнечный прокси в единицах солнечного потока × 10 W m
10 10.7
1
(http://www.atmop.eu/downloads.php)
© ISO 2013 – Все права сохраняются 3
---------------------- Page: 8 ----------------------
ISO 14222:2013(R)
-22 -2
S S солнечный индекс в единицах солнечного потока × 10 W m
10 10.7
URSI Международный радиотехнический союз
-22 -2
Y Y солнечный индекс в единицах солнечного потока ×10 W m
10 10.7
4 Общая концепция и предположения
4.1 Использование модели земной атмосферы
[ ]
1
Модель NRLMSISE-00 должна использоваться для вычисления нейтральной температуры и
детального содержания газов в атмосфере.
[ ]
2
Модель JB2008 model должна использоваться для вычисления плотностей в атмосфере на высоте 120 км,
например для определения аэродинамического сопротивления на LEO (низкой околоземной орбите).
[ ]
4
Модель Земля-GRAM 2010 может использоваться для вычисления полной плотности атмосферы
выше 120 км для, например для определения аэродинамического сопротивления на LEO (низкой
околоземной орбите).
[ ]
5
Модель DTM 2009 может использоваться для вычисления полной плотности атмосферы выше
120 км для, например для определения аэродинамического сопротивления на LEO (низкой
околоземной орбите).
Для вычисления плотности воздуха на высоте ниже 120 км должны использоваться модели
NRLMSISE-00 или Earth GRAM 2010.
ПРИМЕЧАНИЕ Приведенные модели использования следуют рекомендациям рабочей группы CIRA,
спонсируемой COSPAR и URSI, а также решениям Ассамблеи COSPAR в Монреале в июле 2008 года.
4.1.1 Руководство по использованию
a) Модель NRLMSISE-00 для конкретных плотностей не должна смешиваться с моделями JB2008,
Earth GRAM 2010 или DTM-2009 для определения полной плотности.
b) Для самого плохого случая высокой солнечной активности и периодов анализа меньше одной
недели ежедневные значения, приведенные в приложении А, должны использоваться в качестве
входной информации для определения ежедневной активности в сочетании с долгосрочными
значениями средней за 81 день активности.
c) Для периодов анализа дольше одной недели данные о долгосрочной активности Солнца,
приведенные в Приложении А, должны использоваться в качестве входной информации как для
определения ежедневных, так и для определения средних за 81 день значений.
d) Для периодов анализа дольше одной недели и условий, определенных в Приложении А, должны
использоваться ежедневные и средние за 81 день активность Солнца, приведенные в Приложении А.
e) Данные о краткосрочной ежедневной солнечной активности не должны использоваться вместе с
информацией о низкой или средней долгосрочной солнечной активности.
4 © ISO 2013 – Все права сохраняются
---------------------- Page: 9 ----------------------
ISO 14222:2013(R)
ПРИМЕЧАНИЕ 1 Модели JB2008, NRLMSISE-00 и Earth GRAM 2010 могут предсказывать только
крупномасштабные и медленные изменения в масштабе около 1 000 км (это высшие гармоники) и трех часов.
Космические корабли могут столкнуться с изменениями плотности гораздо меньшего масштаба и времени,
поскольку они движутся (например, +100 % или -50 % за 30 с), а также потому, что эти возмущения на небольшом
масштабе возникают в периоды повышенной геомагнитной активности.
ПРИМЕЧАНИЕ 2 Референсные значения ключевых индексов для атмосферных моделей предоставлены в
Приложении А.
ПРИМЕЧАНИЕ 3 Средняя солнечная активность за 81 день F может быть оценена через усреднение трех
10.7
последовательных месячных значений.
ПРИМЕЧАНИЕ 4 Сведения о неопределенностях результатов модели плотности можно найти в Приложении А и
[ ] [ ]
1 2
по ссылкам и .
ПРИМЕЧАНИЕ 5 Для высокой солнечной активности атмосферные модели дают реалистичные результаты
только в сочетании высоких краткосрочных значений и высоких средних значений за 81 день.
ПРИМЕЧАНИЕ 6 Высокие значения Dst могут использоваться в случае низкой, средней или высокой солнечной
активности.
4.2 Использование модели ветра Земли
[ ]
3
Следует использовать модель HWM07 .
В худшем случае для определения ежедневной солнечной активности следует использовать высокие
величины ежедневной краткосрочной солнечной активности, но средняя активность за 81 день не
должна превышать высокое долгосрочное значение.
ПРИМЕЧАНИЕ 1 Значения референсных индексов, необходимых для работы модели ветра, приведены в
Приложении А.
ПРИМЕЧАНИЕ 2 Показатель F средней солнечной активности за 81 день можно оценить с помощью
10.7
усреднения трех последовательных месячных предсказаний, которые приведены в Приложении A.
ПРИМЕЧАНИЕ 3 При использовании модели HWM07 для высоких широт и для периодов геомагнитных
возмущений требуется особая тщательность при интерпретации результатов модели.
© ISO 2013 – Все права сохраняются 5
---------------------- Page: 10 ----------------------
ISO 14222:2013(R)
4.3 Надежность стандарта
Модели верхних слоев земной атмосферы, описанные в данном Международном стандарте, должны с
течением времени адаптироваться и улучшаться, по мере того, как международное научное
сообщество получает и оценивает высококачественные данные о верхних слоях атмосферы. Таким
образом, пользователи описанных моделей должны убедиться, что они используют новейшие версии
соответствующих моделей.
6 © ISO 2013 – Все права сохраняются
---------------------- Page: 11 ----------------------
ISO 14222:2013(R)
Приложение A
(информативное)
Структура земной атмосферы
A.1 Структура земной атмосферы
Атмосферу Земли можно разделить на несколько регионов на основе различия в их температуре, составе
или количеством соударений между атомами и молекулами. В целях этого документа атмосфера делится
на три больших региона на основе указанных свойств, как показано на Рисунке A.1:
i) Гомосфера – это часть атмосферы, состав которой хорошо перемешан, т.е. концентрация
основных составляющих не зависит от высоты и местоположения. Она простирается от поверхности
Земли до 100 км и включает в себя регионы, определяемые температурой: тропосфера (от
поверхности до высоты 8-15 км), стратосфера (от 10-12 км до высоты 50 км), мезосфера (от 50 км до
90 км высоты) и часть термосферы.
ii) Термосфера – это область атмосферы между температурным минимумом и мезопаузой (около
90 км) и высотой, где вертикальная шкала высоты примерно равна длине свободного пробега (400 км –
600 км), в зависимости от уровней солнечной и геомагнитной активности.
iii) Экзосфера простирается от верхней части термосферы во внешнее пространство.
На практике границы между этими регионами, определенные по высоте или давлению, меняются в
зависимости от солнечной активности, сезонных, широтных и других условий.
Из-за ветра и турбулентного перемешивания гомосфера имеет почти однородный состав около 78,1 %
азота, 20,9 % кислорода и 0,9 % аргона. Профиль температуры в термосфере быстро возрастает от
минимума ~180 K в мезопаузе, затем постепенно слабее выше ~200 км до асимптотического значения,
известного как температура экзосферы.
© ISO 2013 – Все права сохраняются 7
---------------------- Page: 12 ----------------------
ISO 14222:2013(R)
Рисунок A.1 — Температурный профиль Земной атмосферы
Экзосфера
Термосфера
Мезосфера
Стратосфера
Тропосфера
A.2 Развитие моделей Земной атмосферы
―Стандартная атмосфера‖ определяется как вертикальное распределение температуры атмосферы,
давления и плотности, которые по международному соглашению считаются представлением земной
атмосферы. Первая ―стандартная атмосфера‖, учрежденная международным соглашением, была
разработана в 1920-е годы прежде всего для целей калибровки барометрического высотомера, летно-
технических расчетов, конструирования самолетов и ракет, баллистических таблиц и т. д. Позже,
некоторые страны, в частности США, также разработали и опубликовали ―Атмосферный стандарт‖.
Термин ―Референсная атмосфера‖ используется для определения вертикального описания
атмосферы в конкретных географических точках или в глобальном масштабе. Они были разработаны
специальными организациями для специфических применений, особенно на предприятиях
космической отрасли, которая начала развиваться после Второй Мировой Войны. Термин
―Стандартная атмосфера‖ в последние годы также используется национальными и международными
организациями для описания вертикального распределения атмосферных микросоставляющих,
ионосферы, атомарного кислорода, аэрозолей, озона, ветра, водяного пара, планетных атмосфер и др.
Наиболее часто используемые сегодня примеры Стандартной и Референсной атмосферы включают в
[ ]
6
себя : Стандартная Атмосфера ISO 1975, 1982; the U. S. Standard Atmosphere Supplements
(дополнения к стандартной атмосфере), 1962, 1966, 1976; COSPAR International Reference Atmosphere
(Международная референсная атмосфера) (CIRA), 1986 (ранее обозначаемый, как CIRA 1961, CIRA
1965 и CIRA 1972); NASA/MSFC Global Reference Atmosphere Model (Глобальная модель референсной
атмосферы), Земля GRAM 2010 (ранее обозначалась как GRAM-86, GRAM-88, GRAM-90, GRAM-95,
GRAM-99 и GRAM-07); NRLMSISE-00 Thermospheric Model, 2000 (ранее обозначаемая как MSIS-77, -83,
-86 и MSISE-90); и самые последние модели плотности JB2006 и JB2008.
8 © ISO 2013 – Все права сохраняются
---------------------- Page: 13 ----------------------
ISO 14222:2013(R)
А.3 NRLMSISE-00 и JB2008 — дополнительная информация
A.3.1 Серия моделей MSIS (The Mass Spectrometer and Incoherent Scatter), разработанная между 1977
и 1990 гг. активно используется научным сообществом для описания нейтральных составляющих
атмосферы. Эти модели используют данные об атмосферном составе и ее температуре от спутников и
наземных радаров. Первая модель MSIS 1977 использовала температурный профиль Бейтса-Валкера
(Bates-Walker) (который интегрировался аналитически в определение плотности) и давала
возможность плотности до 120 км меняться в зависимости от времени и других геофизических
параметров, чтобы обеспечить соответствие измерениям. Параметры температуры и плотности,
описывающие вертикальный профиль атмосферы, распространяются в виде сферических гармоник,
чтобы отразить географические изменения. Следующие версии модели включают в себя изменения по
долготе, более точно учитывают эффекты геомагнитных штормов, учитывают изменения в высоких
широтах, данные о потоках солнечного ветра и переход к нижним слоям атмосферы до уровня моря.
Модель NRLMSISE-00 дает информацию о составе атмосферы, ее температуре и распределению
плотности от поверхности Земли до экзосферы. Ее формулы накладывают физические ограничения
гидростатического равновесия, чтобы произвести самосогласованные оценки температуры и
плотности. NRLMSISE-00 включает в себя следующие улучшения по сравнению с MSISE-90:
i) данные, полученные на основе определения орбиты,
ii) самые последние данные от акселерометров,
iii) новые данные о температуре, полученные от наблюдений радаров в Millstone Hill и Arecibo,
iv) данные о концентрации O c помощью Solar Maximum Mission (SMM) во время солнечных
2
затмений,
v) новая информация об ―аномальном кислороде‖, которая позволяет оценить вклад О+ и горячего
атомарного кислорода в общую плотность на больших высотах.
А.3.2 Модель плотности Jacchia-Bowman (JB2008) базируется на предшествующей модели Jacchia.
Она включает в себя два ключевых новшества. Во-первых, появилась новая формулировка,
касающаяся полугодовых вариаций плотности, наблюдающихся в термосфере, которые ранее не были
включены в любую полуэмпирическую модель атмосферы. Во-вторых, появилась новая формулировка
солнечных индексов, связанная с более реалистичной оценкой зависимости тепла и энергии от
солнечного излучения в конкретных регионах по высоте и от тепловых процессов в верхней
атмосфере. Индекс DST (экваториальное магнитное возмущение) используется в JB2008 как индекс,
представляющий отклик геомагнитной активности. JB2008 вставляет улучшенную формулировку
температуры J70 в модель CIRA1972 для разрешения интегрирования уравнения диффузии в каждой
точке, чтобы не полагаться на просмотровые таблицы (интеграция должна осуществляться численно, в
отличие от аналитически интегрируемых формулировок Бейтс-Уокер, используемыз в MSIS). Для того,
чтобы оптимально представлять орбитально полученные данные о массе и плотности, на которых
основывается JB2008, формулировка модели жертвует физическим ограничением гидростатического
равновесия, поскольку оно не включает в себя все физические процессы, которые могут реально
присутствовать в термосфере, влияя на температуры и плотности.
A.4 Последовательность атмосферных моделей GRAM
Глобальная модель NASA/MSFC – Глобальная модель референсной атмофсеры (Global Reference
Atmospheric Model версия 2007, Earth GRAM 2010) – это результат работы Natural Environments Branch,
NASA Marshal Space Flight Center. Эти модели можно по лицензии получить заинтересованным
пользователям, они по простоте работы с ними и предоставляемому качеству информации аналогичны
модели NRLMSISE-00. Как и предыдущие версии GRAM, модель предоставляет оценки средних и
стандартных отклонений для таких параметров атмосферы, как плотность, температура и скорость
ветра, для любого месяца, любой высоты и места в атмосфере Земли. GRAM может также
© ISO 2013 – Все права сохраняются 9
---------------------- Page: 14 ----------------------
ISO 14222:2013(R)
предоставить статистически обоснованные отклонения параметров (со спектральной плотностью
энергии по Драйдену), вычисленные по любой конкретной траектории. Эти возможности учета
различных отклонений делают GRAM особенно полезной для Монте-Карло анализа отклонений в
системах контроля и управления, системах термической защиты и аналогичных приложениях. У GRAM
обнаружилось много пользователей, как внутри, так и за пределами NASA. Большинство из них
используют возможности моделирования GRAM для дисперсионного анализа Монте-Карло. Некоторые
из приложений рассчитывают решения для Шаттла, другие обеспечивают работу моделирующего ПО
для X-33 и других аппаратов, а также траектории входа и дисперсионный анализ приземления для
таких миссий, как Stardust и Genesis, планы для аэрозахвата и аэродинамического торможения при
возвращении на Землю из полетов на Луну и на Марс, возможен и дисперсионный анализ входа с
шестью степенями свободы для эксперимента многократного перевоза на орбиту Земли (Multiple
Experiment Transporter to Earth Orbit and Return - METEOR), а совсем недавно – и для Crew Exploration
Vehicle (CEV). Earth GRAM 2010 сохраняет в себе все возможности предыдущих версий, но также
содержит и новые функции. Модель термосферы недавно была обновлена в новом варианте модели
Air Force JB2008, но пользователи по-прежнему могут выбирать между моделью NASA Marshall
Engineering Thermosphere (MET) и моделью Naval Research Laboratory (NRL) Mass Spectrometer,
Incoherent Scatter (MSIS) Radar Extended.
A.5 Ограничения и неопределенности модели атмосферы
Для средних условий активности неопределенность плотности составляющих веществ в NRLMSISE-00
равна 15 %. Для краткосрочных и местных вариаций неопределенность плотности веществ в
NRLMSISE-00 равна 100 %. В гомосфере (ниже 90 км) неопределенность не превышает 5 %. В
гомосфере модель Earth GRAM 2010 имеет аналогичные неопределенности.
Для средних условий активности стандартная неопределенность плотности веществ в термосфере в
модели JB2008 порядка 10 % (в зависимости от высоты). Для экстремальных условий (очень высокой
солнечной или геомагнитной активности) эта неопределенность может значительно вырасти из-за
недостатка соответствующих экспериментальных данных. Вариации общей плотности могут достигать
+/- 100 % на высоте 400 км – 500 км для некоторых мест и ситуаций.
Стоит отметить, что точность предсказаний плотности атмосферы и других параметров в моделях
ограничивается сложностями в поведении атмосферы и причинами, их вызывающими. В то время, как
некоторые аспекты изменчивости атмосферы можно предсказать, метеорологические изменения
гомосферы можно предсказать не более, чем за 3-5 дней, они влияют и на термосферу. В термосфере
очень сложно оценить отклик на изменения солнечной и геомагнитной активности. Модели плотности
для верхних слоев атмосферы могут использоваться для прогнозирования срока жизни будущих
орбитальных систем, либо для определения высоты орбиты, чтобы обеспечить заданный срок службы,
или для оценки потребности в эне
...
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 14222
First edition
2013-09-15
Space environment (natural and
artificial) — Earth upper atmosphere
Environnement spatial (naturel et artificiel) — Haute atmosphère
terrestre
Reference number
ISO 14222:2013(E)
©
ISO 2013
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 14222:2013(E)
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO 2013
All rights reserved. Unless otherwise specified, no part of this publication may be reproduced or utilized otherwise in any form
or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting on the internet or an intranet, without prior
written permission. Permission can be requested from either ISO at the address below or ISO’s member body in the country of
the requester.
ISO copyright office
Case postale 56 • CH-1211 Geneva 20
Tel. + 41 22 749 01 11
Fax + 41 22 749 09 47
E-mail copyright@iso.org
Web www.iso.org
Published in Switzerland
ii © ISO 2013 – All rights reserved
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 14222:2013(E)
Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Terms and definitions . 1
3 Symbols and abbreviated terms . 3
4 General concept and assumptions . 3
4.1 Earth atmosphere model use. 3
4.2 Earth wind model use . 4
4.3 Robustness of standard . 4
Annex A (informative) Neutral atmospheres . 5
Annex B (informative) Natural electromagnetic radiation and indices .25
Bibliography .38
© ISO 2013 – All rights reserved iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 14222:2013(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2. www.iso.org/directives
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of any
patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or on
the ISO list of patent declarations received. www.iso.org/patents
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
The committee responsible for this document is ISO/TC 20, Aircraft and space vehicles, Subcommittee
SC 14, Space systems and operations.
iv © ISO 2013 – All rights reserved
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO 14222:2013(E)
Introduction
This International Standard provides guidelines for determining the Earth’s upper atmosphere
properties (above 120 km). A good knowledge of temperature, total density, concentrations of gas
constituents, and pressure is important for many space missions exploiting the low-earth orbit (LEO)
regime below approximately 2 500 km altitude. Aerodynamic forces on the spacecraft, due to the
orbital motion of a satellite through a rarefied gas, which itself can have variable high velocity winds,
are important for planning satellite lifetime, maintenance of orbits, collision avoidance maneuvering
and debris monitoring, sizing the necessary propulsion system, design of attitude control system, and
estimating the peak accelerations and torques imposed on sensitive payloads. Surface corrosion effects
due to the impact of large fluxes of atomic oxygen are assessed to predict the degradation of a wide
range of sensitive coatings of spacecraft and instruments. The reactions of atomic oxygen around a
spacecraft can also lead to intense “vehicle glow”.
The structure of Earth’s upper atmosphere, accepted empirical models that can specify the details of
the atmosphere, and the details of those models (Annex A) are included in this International Standard.
Annex B provides a detailed description of the Neutral Electromagnetic Radiation and Indices.
© ISO 2013 – All rights reserved v
---------------------- Page: 5 ----------------------
INTERNATIONAL STANDARD ISO 14222:2013(E)
Space environment (natural and artificial) — Earth
upper atmosphere
1 Scope
This International Standard specifies the structure of Earth’s atmosphere above 120 km, provides
accepted empirical models that can specify the details of the atmosphere, and uses annexes to describe
the details of those models. Its purpose is to create a standard method for specifying Earth atmosphere
properties (densities, etc.) in the low Earth orbit regime for space systems and materials users.
2 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
2.1
homosphere
region of the atmosphere that is well mixed, i.e. the major species concentrations are independent of
height and location
Note 1 to entry: This region extends from 0 to ~100 km, and includes the temperature-defined regions of
the troposphere (surface up to ~8 - 15 km altitude), the stratosphere (~10 - 12 km up to 50 km altitude ), the
mesosphere (~50 km up to about 90 km altitude), and the lowest part of the thermosphere.
2.2
heterosphere
portion of the atmosphere, above ~125 km, where diffusive separation of species dominates and
atmospheric composition depends on height
2.3
thermosphere
region of the atmosphere between the temperature minimum at the mesopause (~90 km) and the
altitude where the vertical scale height is approximately equal to the mean free path (400 - 600 km)
altitude, depending on solar and geomagnetic activity levels
2.4
exosphere
region of the atmosphere that extends from the top of the thermosphere outward
2.5
NRLMSISE-00
Naval Research Labatory Mass Spectrometer, Incoherent Scatter Radar Extended Model
model that describes the neutral temperature and species densities in Earth’s atmosphere
Note 1 to entry: It is based on a very large underlying set of supporting data from satellites, rockets, and radars,
with extensive temporal and spatial distribution. It has been extensively tested against experimental data by the
international scientific community. The model has a flexible mathematical formulation.
Note 2 to entry: It is valid for use from ground level to the exosphere. Two indices are used in this model: F
10.7
(both the daily solar flux value of the previous day and the 81-day average centred on the input day) and A
p
(geomagnetic daily value).
[1]
Note 3 to entry: See Reference
© ISO 2013 – All rights reserved 1
---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO 14222:2013(E)
2.6
JB2008
Jacchia-Bowman 2008 Model
model that describes the neutral temperature and the total density in Earth’s thermosphere and exosphere
Note 1 to entry: Its new features lead to a better and more accurate model representation of the mean total
density compared with previous models, including the NRLMSISE-00.
Note 2 to entry: It is valid for use from an altitude of 120 km to 2 500 km in the exosphere. Four solar indices and
two geomagnetic activity indices are used in this model: F (both tabular value one day earlier and the 81-day
10.7
average centred on the input time); S (both tabular value one day earlier and the 81-day average centred on
10.7
the input time); M (both tabular value five days earlier and the 81-day average centred on the input time); Y
10.7 10.7
(both tabular value five days earlier and the 81-day average centred on the input time); a (3 hour tabular value);
p
and Dst (converted and input as a dTc temperature change tabular value on the input time).
[2]
Note 3 to entry: See Reference
2.7
HWM07
Horizontal Wind Model
Comprehensive empirical global model of horizontal winds in the mesosphere and thermosphere
(middle and upper atmosphere).
Note 1 to entry: Reference values for the a index needed as input for the wind model are given in Annex A.
p
Note 2 to entry: HWM07 does not include a dependence on solar EUV irradiance. Solar cycle effects on thermospheric
winds are generally small during the daytime, but can exceed 20 m/s at night.
Note 3 to entry: HWM07 thermospheric winds at high geomagnetic latitudes during geomagnetically quiet
periods should be treated cautiously.
[3]
Note 4 to entry: See Reference
2.8
Earth GRAM 2010
Earth Global Reference Atmosphere Models (latest version is GRAM 2010) produced on behalf of NASA,
that describe the terrestrial atmosphere from ground level upward for operational purposes
Note 1 to entry: GRAM 2010 provides a global reference terrestrial atmosphere model based on a combination of
empirically based models that represent different altitude ranges up to ~120 km. The upper atmosphere section
above ~120 km has the option of three different atmosphere models, the Marshall Thermosphere (MET-07),
the Naval Research Laboratory Mass Spectrometer, Incoherent Scatter Radar Extended (NRLMISE-00) and the
Jacchia-Bowman (JB-2008) model. In addition the NRL1993 Harmonic Wind Model (HWM-93) is included for use
in conjunction with the NRLMISE-00.
Note 2 to entry: These models are available via license from NASA to qualified users and provide usability and
information quality similar to that of the NRLMSISE-00 Model. Earth GRAM 2007 includes options for NRLMSIS-00,
HMW-93, and JB2006 models.
[4]
Note 3 to entry: See Reference .
2.9
DTM-2009
Drag Temperature Model 2009
model that describes the neutral temperature and major and some minor species densities in Earth’s
atmosphere between an altitude of 120 km to approximately 1 500 km
Note 1 to entry: DTM-2009 is based on a large database going back to the early ‘70s, essentially the same that was
used for NRLMSISE-00 except for the radar data. In addition, high-resolution CHAMP and GRACE accelerometer-
inferred densities are assimilated in DTM-2009.
Note 2 to entry: DTM-2009 is valid from an altitude of 120 km to approximately 1 500 km in the exosphere. Two
indices are used in this model: F solar flux (both daily solar flux of the previous day and the 81-day average
10.7
centred on the input day) and Kp (3-hour value delayed by three hours, and the average of the last 24 hours).
2 © ISO 2013 – All rights reserved
---------------------- Page: 7 ----------------------
ISO 14222:2013(E)
Note 3 to entry: The DTM model codes (DTM-94, DTM-2000, DTM-2009) are available for download on the ATMOP
1)
project website .
[5]
Note 4 to entry: See Reference
3 Symbols and abbreviated terms
a the 3-hour planetary geomagnetic index, in units nT
p
A the daily planetary geomagnetic index, in units nT
p
CIRA COSPAR International Reference Atmosphere
COSPAR Committee on Space Research
Dst the hourly disturbance storm time ring current index, in units nT
-22 -2
F the F solar proxy, in units of solar flux, × 10 W m
10 10.7
-22 -2
M the M solar proxy, in units of solar flux, × 10 W m
10 10.7
-22 -2
S the S solar index, in units of solar flux, × 10 W m
10 10.7
URSI International Union of Radio Science
-22 -2
Y the Y solar index, in units of solar flux, ×10 W m
10 10.7
4 General concept and assumptions
4.1 Earth atmosphere model use
[1]
The NRLMSISE-00 model should be used for calculating both the neutral temperature and the detailed
composition of the atmosphere.
[2]
The JB2008 model should be used for calculating the total atmospheric density above an altitude of
120 km, for example as used in determining satellite drag in LEO.
[4]
The Earth-GRAM model 2010 may be used for calculating the total atmospheric density above an
altitude of 120 km, for example as used in determining satellite drag in LEO.
[5]
The DTM-2009 may be used for calculating the total atmospheric density above an altitude of 120 km,
for example as used in determining satellite drag in LEO.
For altitudes below 120 km, NRLMSISE-00 or Earth GRAM 2010 should be used for calculating the
total air density.
NOTE This usage follows the advice of the CIRA Working Group, sponsored by COSPAR and URSI, and
following the resolution of the Assembly of COSPAR in Montreal in July 2008.
4.1.1 Application guidelines
a) The NRLMSISE-00 model for species densities should not be mixed with the JB2008, Earth GRAM
2010 or DTM-2009 model for total density.
b) For worst-case high solar activity results and analysis periods not exceeding 1 week, high daily
short-term values given in Annex A should be used as input for daily activity together with the high
long-term values for the 81-day average activity.
1) http://www.atmop.eu/downloads.php
© ISO 2013 – All rights reserved 3
---------------------- Page: 8 ----------------------
ISO 14222:2013(E)
c) For analysis periods longer than 1 week the long-term solar activities given in Annex A should be
used as input for both the daily and the 81-day averaged values.
d) For analysis periods longer than 1 week and conditions specified in Annex A, the daily and 81-day
averaged solar activities given in Annex A should be used.
e) Short-term daily high solar activity values should not be used together with low or moderate long-
term solar activity values.
NOTE 1 The JB2008, NRLMSISE-00, and Earth GRAM 2010 models can only predict large scale and slow
variations in the order of 1 000 km (given by the highest harmonic component) and 3 hours. Spacecrafts can
encounter density variations with smaller temporal and spatial scales partly since they are in motion (for
example, +100% or -50% in 30 s), and partly because smaller-scale disturbances certainly occur during periods
of disturbed geomagnetic activity.
NOTE 2 Reference values for the key indices needed as inputs for the atmosphere models are given in Annex A.
NOTE 3 The F 81-day average solar activity can also be estimated by averaging three successive monthly
10.7
predicted values.
[1] [2]
NOTE 4 Information on density model uncertainties can be found in Annex A and in References and.
NOTE 5 For high solar activities, the atmosphere models only give realistic results if high short-term values are
combined with high 81-day averaged values.
NOTE 6 High Dst values can be used corresponding to low, moderate or high solar activities.
4.2 Earth wind model use
[3]
The HWM07 wind model should be used.
High daily short-term solar activity values should be used as worst-case for the daily activity but the 81-
day average activity should not exceed the high long-term value.
NOTE 1 Reference values for the key indices needed as inputs for the wind model are given in Annex A.
NOTE 2 The F 81-day average solar activity can also be estimated by averaging three successive monthly
10.7
predicted values as given in Annex A.
NOTE 3 The use of the HWM07 model at high geomagnetic latitudes and for disturbed geomagnetic periods
necessitates caution in the interpretation of model results.
4.3 Robustness of standard
The Earth’s upper atmosphere models described in this International Standard are intended to be
adapted and improved over time as the international scientific community obtains and assesses high
quality data on the upper atmosphere. Therefore, the users of the models described should ensure they
are utilizing the latest version of the respective models.
4 © ISO 2013 – All rights reserved
---------------------- Page: 9 ----------------------
ISO 14222:2013(E)
Annex A
(informative)
Neutral atmospheres
A.1 Structure of the Earth’s atmosphere
The Earth’s atmosphere can be classified into different regions based on temperature, composition, or
collision rates among atoms and molecules. For the purposes of the document, the atmosphere is broadly
divided into three regimes based on all three properties, as shown in Figure A.1:
i) The homosphere is the portion of the atmosphere that is well mixed, i.e. the major species
concentrations are independent of height and location. This region extends from 0 to ~100 km, and
includes the temperature-defined regions of the troposphere (surface up to ~8 - 15 km altitude), the
stratosphere (~10 - 12 km up to 50 km altitude ), the mesosphere (~50 km up to about 90 km altitude),
and part of the thermosphere.
ii) The thermosphere is the region between the temperature minimum at the mesopause (~90 km) and
the altitude where the vertical scale height is approximately equal to the mean free path (400 - 600 km
altitude, depending on solar and geomagnetic activity levels).
iii) The exosphere extends from the top of the thermosphere into space.
In practice, the boundaries between these regions, whether determined in altitude or in a pressure co-
ordinate system, vary with solar, seasonal, latitudinal, and other conditions.
Due to winds and turbulent mixing the homosphere has a nearly uniform composition of about 78,1%
N , 20,9% O , and 0,9% Ar. The temperature profile of the thermosphere increases rapidly above a
2 2
minimum of ~180 K at the mesopause, then gradually relaxes above ~200 km to an asymptotic value
known as the exospheric temperature.
© ISO 2013 – All rights reserved 5
---------------------- Page: 10 ----------------------
ISO 14222:2013(E)
Figure A.1 — Representative temperature profile of the Earth’s atmosphere
A.2 Development of models of the Earth’s atmosphere
A “Standard Atmosphere” is defined as a vertical distribution of atmospheric temperature, pressure,
and density, which by international agreement is taken to be representative of the Earth’s atmosphere.
The first “Standard Atmospheres” established by international agreement were developed in the 1920s
primarily for purposes of pressure altimeter calibrations, aircraft performance calculations, aircraft
and rocket design, ballistic tables, etc. Later, some countries, notably the United States, also developed
and published “Standard Atmospheres”. The term “Reference Atmosphere” is used to identify vertical
descriptions of the atmosphere for specific geographical locations or globally. These were developed
by organizations for specific applications, especially as the aerospace industry began to mature after
World War II. The term “Standard Atmosphere” has in recent years also been used by national and
international organizations to describe vertical descriptions of atmospheric trace constituents, the
ionosphere, atomic oxygen, aerosols, ozone, winds, water vapour, planetary atmospheres, etc.
[6]
Currently some of the most commonly used Standard and Reference Atmospheres include: the ISO
Standard Atmosphere 1975, 1982; the U. S. Standard Atmosphere Supplements, 1962, 1966, 1976; the
COSPAR International Reference Atmosphere (CIRA), 1986 (previously issued as CIRA 1961, CIRA 1965
and CIRA 1972); the NASA/MSFC Global Reference Atmosphere Model, Earth GRAM 2010 (previously
issued as GRAM-86, GRAM-88, GRAM-90, GRAM-95, GRAM-99 and GRAM-07); the NRLMSISE-00
Thermospheric Model, 2000 (previously issued as MSIS-77, -83, -86 and MSISE-90); and most recently
the JB2006 and JB2008 density models.
6 © ISO 2013 – All rights reserved
---------------------- Page: 11 ----------------------
ISO 14222:2013(E)
A.3 NRLMSISE-00 and JB2008 — Additional information
A.3.1 The Mass Spectrometer and Incoherent Scatter (MSIS) series of models developed be-
tween 1977 and 1990 are used extensively by the scientific community for their superior de-
scription of neutral composition. The models utilized atmospheric composition and temperature
data from instrumented satellites and ground-based radars. The initial MSIS 1977 model utilized
a Bates-Walker temperature profile (which is analytically integrable to obtain density), and al-
lowed the density at 120 km to vary with local time and other geophysical parameters to fit the
measurements. The temperature and density parameters describing the vertical profile were ex-
panded in terms of spherical harmonics to represent geographic variations. Subsequent versions
of the model include the longitude variations, a refined geomagnetic storm effect, improved high
latitude, high solar flux data, and an extension of the lower boundary down to sea level.
The NRLMSISE-00 model represents atmospheric composition, temperature, and total mass density from
the ground to the exosphere. Its formulation imposes a physical constraint of hydrostatic equilibrium
to produce self-consistent estimates of temperature and density. NRLMSISE-00 includes the following
enhancements compared to MSISE-90:
i) drag data based on orbit determination,
ii) more recent accelerometer data sets,
iii) new temperature data derived from Millstone Hill and Arecibo incoherent scatter radar observations,
iv) observations of O by the Solar Maximum Mission (SMM), based on solar ultraviolet occultation,
2
v) a new species, “anomalous oxygen,” primarily for drag estimation, allows for appreciable O+ and hot
atomic oxygen contributions to the total mass density at high altitudes.
A.3.2 The Jacchia-Bowman density (JB2008) model is based on the Jacchia model heritage.
It includes two key novel features. Firstly, there is a new formulation concerning the semi-
annual density variation observed in the thermosphere, but not previously included in any of
the semi-empirical atmospheric models. Secondly, there is a new formulation of solar indices,
relating more realistically the dependence of heat and energy inputs from the solar radiation
to specific altitude regions and heating processes within the upper atmosphere. The Dst index
(equatorial magnetic perturbation) is used in JB2008 as the index representing the geomagnet-
ic activity response. JB2008 inserts the improved J70 temperature formulations into the CIRA
1972 model to permit integrating the diffusion equation at every point rather than relying on
look-up tables (the integration must be done numerically, in contrast to the analytically integra-
ble Bates-Walker temperature formulation used in MSIS). In order to optimally represent the
orbit-derived mass density data on which JB2008 is based, the model formulation sacrifices the
physical constraint of hydrostatic equilibrium since it does not include all physical processes
that may actually be present in thermosphere affecting temperatures and densities.
A.4 The series of GRAM atmospheric models
The National Aeronautics and Space Administration’s NASA/MSFC Global Reference Atmospheric Model
version 2007 (Earth GRAM 2010) is a product of the Natural Environments Branch, NASA Marshal
Space Flight Center. These models are available via license to qualified users and provide usability and
information quality similar to that of the NRLMSISE-00 Model. Like the previous versions of GRAM, the
model provides estimates of means and standard deviations for atmospheric parameters such as density,
temperature, and winds, for any month, at any altitude and location within the Earth’s atmosphere. GRAM
can also provide profiles of statistically-realistic variations (i.e., with Dryden energy spectral density)
for any of these parameters along computed or specified trajectory. This perturbation feature makes
GRAM especially useful for Monte-Carlo dispersion analyses of guidance and control systems, thermal
protection systems, and similar applications. GRAM has found many uses, both inside and outside
© ISO 2013 – All rights reserved 7
---------------------- Page: 12 ----------------------
ISO 14222:2013(E)
the NASA community. Most of these applications rely on GRAM’s perturbation modeling capability
for Monte-Carlo dispersion analyses. Some of these applications have included operational support
for Shuttle entry, flight simulation software for X-33 and other vehicles, entry trajectory and landing
dispersion analyses for the Stardust and Genesis missions, planning for aerocapture and aerobraking
for Earth-return from lunar and Mars missions, six-degree-of-freedom entry dispersion analysis for the
Multiple Experiment Transporter to Earth Orbit and Return (METEOR) system, and more recently the
Crew Exploration Vehicle (CEV). Earth GRAM 2010 retains the capability of the previous version but
also contains several new features. The thermosphere has been updated with the new Air Force JB2008
model, while the user still has the option to select the NASA Marshall Engineering Thermosphere (MET)
model or the Naval Research Laboratory (NRL) Mass Spectrometer, Incoherent Scatter (MSIS) Radar
Extended Model.
A.5 Atmosphere model uncertainties and limitations
For mean activity conditions, the estimated uncertainty of the NRLMSISE-00 species density is 15%. For
short-term and local-scale variations, the estimated uncertainty of the NRLMSISE-00 species density is
100 %. Within the homosphere (below 90 km), the uncertainty is below 5 %. The Earth GRAM 2010 has
a similar uncertainty within the homosphere.
For mean activity conditions, the estimated standard uncertainty of the JB2008 total density within
the thermosphere is in the order of order 10 % (depending on altitude). For extreme conditions (very
high solar or geomagnetic activities), this uncertainty can considerably increase due to the lack of
corresponding measurement data. The total density can have +/- 100 % variation at 400 - 500 km for
some activities and locations.
It should be noted that the models’ accuracy of prediction of atmospheric density and other parameters is
limited by the complex behaviour of the atmosphere, and the causes of variability. While certain aspects
of atmospheric variability are more or less deterministic, meteorological variations of the homosphere
are difficult to predict more than 3 - 5 days in advance, and yet have effects on the thermosphere. In
the thermosphere, the response to varying solar and geomagnetic activity is complex, particularly with
respect to the latter. Upper atmosphere density models can be used for prediction of future orbital
lifetime, either to determine the orbital altitude insertions to ensure a given lifetime, or to estimate
energy requirements for maintaining a particular orbit, for a particular spacecraft/satellite. When the
sun is active, the primary influence on the accuracy of a model’s density output will be the accuracy of
the future predictions of solar and geomagnetic activity used as inputs, rather than the accuracy of the
specific model in representing the density versus altitude as a function of solar and geomagnetic activity.
A.6 HWM07 additional information
The HWM series of models empirically represent the horizontal neutral wind in the atmosphere, using
a truncated set of vector spherical harmonics. The first edition of the model released in 1987 (HWM87)
was intended for winds above 220 km. With the inclusion of wind data from ground-based incoherent
scatter radar, MF/Meteor radar data, and Fabry-Perot optical interferometers, HWM90 was extended
down to 100 km. HWM93 extended the model down to the ground. HWM07 is the most recent version
of the HWM, and includes substantial new space-based data obtained since the early 1990s. Solar
cycle variations are included in the earlier models, but they are found to be small and not always very
clearly delineated by the current data; HWM07 does not depend on solar activity. HWM07 significantly
improves the model’s reliability in the lower ther
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.