ISO 5878:1982
(Main)Reference atmospheres for aerospace use
Reference atmospheres for aerospace use
Presents information on the seasonal, latidudinal, longitudinal and day-to-day variability of atmospheric properties at levels between the surface and 80 km. The systematic variation of atmospheric properties is shown for altitudes up to 80 km by a family of models, comprising the reference atmospheres tropical, sub-tropical, mid-latidude, sub-arctic and arctic. Furthermore temporal and spatial variations and frequency distributions of observed temperatures and densities are given.
Atmosphères de référence pour l'application aérospatiale
General Information
Relations
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Standards Content (Sample)
International Standard
INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION.ME>)(LZYHAPOJ.lHAF OPf-AHM3ALU4fI I-IO CTAH~APTb’l3ALWl.ORGANISATlON INTERNATIONALE DE NORMALISATION
Reference atmospheres for aerospace use
Atmosphkres de rtGf&ence pour l’applica tion akrospa tiale
First edition - 1982-04-15
UDC 551.51/54
Ref. No. ISO 5878-1982 (E)
Descriptors : aerodynamics, atmospheres, Standard atmosphere, characteristics, meteorological data, computation.
Price based on 39 pages
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Foreword
ISO (the international Organization for Standardization) is a worldwide federation of
national Standards institutes (ISO member bedies). The work of developing Inter-
national Standards is carried out through ISO technical committees. Every member
body interested in a subject for which a technical committee has been set up 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.
Draft International Standards adopted by the technical committees are circulated to
the member bodies for approval before their acceptance as International Standards by
the ISO Council.
International Standard ISO 5878 was developed by Technical Committee ISO/TC 20,
Aircraft and space vehicles, and was circulated to the member bodies in
November 1978.
lt has been approved by the member bodies of the following countries:
Austria France Romania
Belgium Germany, F.R.
South Africa, Rep. of
Brazil Italy Spain
Canada Japan USA
Chile Korea, Rep. of USSR
Czechoslovakia Poland
The number bodies of the following countries expressed disapproval of the document
on technical grounds:
Ireland
United Kingdom
0 International Organkation for Standardkation, 1982
Printed in Switzerland
ii
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Contents
Page
...................................... 1
1 Scope and field of application
1
2 Basis .
.............................................. 2
2.1 Basic principles
2
.................
2.2 The hydrostatic equation and the perfett gas law
...... 2
2.3 Geopotential and geometric altitudes; acceleration of free fall.
............................... 4
3
Atmospheric models to 80 km altitude
.................................. 4
3.1 Annual model for 15O latitude
........................ 4
3.2 Seasonal modelsfor30,45,60and80° N
3.3 Cold and warm stratospheric and mesospheric regimes for 60° and
................................... 4
80° N in December-January
..................................... 4
4
Temporal and spatial variations
.............................. 4
4.1 Seasonal and latitudinal variations
....................................... 5
4.2 Longitudinal variations
......... 5
5 Frequency distributions of observed temperatures and densities
........ 6-18
6 Tables of properties of the reference atmospheres (tables 3 to 15)
................................................. 19-32
Tablesi6to22.
33-37
Figureslto4 .
38-39
Bibliography .
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This page intentionally left blank
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 58784982 (EI
Reference atmospheres for aerospace use
1 Scope and field of application thern hemisphere only. However, it is believed that they
closely approximate mid-latitude conditions in the southern
This International Standard presents information on the hemisphere.
seasonal, latitudinal, longitudinal and day-to-day variability of
b) The models are defined by temperature-altitude profiles
atmospheric properties at levels between the sutface and
in which the vertical gradients of temperature are constant
80 km.
with respect to geopotential altitude within each of a
number of layers.
2 Basis
c) The air is assumed to be a perfett gas, free from
moisture and dust.
The systematic (latitudinal and seasonal) Variation of
atmospheric properties is shown for altitudes up to 80 km by a
family of models, comprising the following reference d) The molar mass of dry air, M= 28,964 420 kg. kmol- 1,
is assumed to be constant at altitudes up to 80 km. The
atmospheres :
specific gas constant of dry air R, is equal to 287,052 87
J.K-l.kg-1 (table 1).
Title Latitude Time of year
l l I
e) Characteristics such as the trade inversion in the tropics
Tropical 15O Annual average
r
and the Winter surface inversion in Arctic and sub-Arctic
Sub-tropical 1 30' N 1 J une-July and December-January
I regions are included in the models.
Mid-latitude 1 45' N 1 J une-July and December-January
I
Table 1 - Main values used for the calculation
of the reference atmospheres
Su b-Arctic 60° N June-July and December-January
Cold and warm stratospheric-
Symbol Value
mesospheric regimes for SI units of measurement
December-January
67
9,806 65 ms-2
Arctic 1 80°N 1 S ame as sub-Arctic
I
M 28,964 420 kgmkmol-1
NA
602,257 x 1024 kmol-1
Some special considerations employed in the development of
8
R* 314,32 JSK-l.kmol-1 or
this family of reference atmospheres are listed below.
kg.m2.s-2.K-l .kmol-1
R 287,052 87
J-K-‘*kg-1 or
a) With the exception of the 15O latitude model, the
m2. K-1 .s-2
reference atmospheres are considered applicable to the nor-
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ISO 58784982 (E)
2.1 Basic principles
2.3 Geopotential and geometric altitudes;
acceleration of free fall
The numerical values for the various thermodynamic and
physical quantities used in the computations of atmospheric
In considering pressure distribution in the atmosphere, it is con-
properties are the same as those used for ISO 2533, ‘Standard
venient to introduce the gravity potential or geopotential @,
Atmosphere”, with two exceptions : surface conditions for
which specifies the potential energy of an air particle at a given
each for the reference atmospheres are based on sea-level Point.
values of temperature, pressure and density for the appropriate
season and latitude, and the values of the acceieration of free
Any Point having coordinates x, y, z may be characterized by a
fall at sea level for latitudes other than 45O were obtained from
Single value of the geopotential @(x, JJ, z). The surface defined
Lambert’s equatiot-#l, in which gravity varies with Iatitude ~3:
by the equation @ IX, y, z) = constant has the same geopoten-
tial at all Points and is called a geopotential surface. When mov-
9,806 (1 - 0,002 637 3 cos 2tp + 0,000 005 9 cos2 2tp)
goy7 = 16
ing along an external normal from any Point on the surface @,,
[m.s-21
to an infinitely close Point on a second surface where the
geopotential is Q2 = @, + d@, the work performed in shifting
Values from this relationship, along with sut-face temperatures a unit mass from the first surface to the second will be
and pressures, are given in table 2. For 45’ N, values sf gocp and
. . .
rlp are taken from ISO 2533. d@ = g(h)dh (4)
hence
2.2 The hydrostatic equation and the perfett
‘g(h)dh . . .
@ = (5)
gas Iaw
0
Being static with respect to the earth, the atmosphere is sub-
By dividing the geopotential @ by the Standard acceleration of
ject to gravitational forces. The conditions of air in static
free fall gn, a quantity H with a dimension of length is obtained,
equilibrium are specified by the hydrostatic equation, which
where
relates air pressure JI, density Q, acceleration of free fall g and
geometric altitude h as follows:
@ 1 h
ff=-=-
. m .
g(h)dh (6)
s
. . . &l &l 0
(1)
-dp=egdh
Expressed in metres, the value H is numerically equal to the
The perfett gas law relates air pressure to density and
geopotential altitude, which in meteorology is measured in so-
temperature as follows :
called Standard geopotential metres; hence this value is called
the geopotential altitude. Mean sea level is taken as a reference
QR” T
. . .
(21
P= for both geopotential and geometric altitudes.
M
R*
From equation (6) it tan be seen that in Order to relate
At the altitudes of interest, - = constant = R; hence
M geopotential and geometric altitude it is necessary first to find a
relation between the acceleration of free fall g, and the
. . . geometric altitude h.
p=eRT (3)
Table 2 - Acceleration of free fall at sea level goP, nominal earth’s radius r, from Ul and sea-level temperature
and pressure for each latitudinal and seasonal model
t
Nominal earth’s
Acceleration Temperature T, K Pressure p, kPa, mbar
Latitude
of free fall radius
m-s-2
97 rcpI km December-January June-July December-January June-July
gop
1,013250 x 103 1,013 250 x 103
6 337,84 299,650 299,650
15O 9,783 81
297,150 1,020 500 1,014 000
9,793 24 6 345,65 283,150
30° N
291,150 1,018 000 1,013 500
45' N 9,806 65 6 356,77 272,650
367,lO 256,150 282,150 1,013 000 1,010 200
60' N 9,819 11 6
276,650 1,013 800 1,012 000
80° N 9,830 51 6 376,56 248,950
4
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ISO 58784982 (EI
Gravity is the vector sum of the gravitational attraction and the and, from equation (7) :
centrifugal forte induced by the earth’s rotation; it is therefore
a complicated function of latitude and the radial distance from
2 gofp
. . .
-- (12)
the centre of the earth, and the expression for the acceleration
r,
of free fall is generally awkward and impractical. However,
allowance tan be made for the centrifugal forces, with suf-
Equating the right-hand sides of (11) and (12), we have
ficient accuracy for these reference atmospheres, by using a
fictitious or nominal value of the earth’s radius, r,, at each
rcp = goql
- . . . (13)
latitude. The acceleration of free fall g,(h) may be found for
3,085 462 x 10-6 + 2,27 x 10-9 cos 2~
each height and latitude by use of r, with Newton’s law of
gravitation :
where r, expressed in metres and goP in metres per second
2 squared.
%
. . .
(7)
&p(h) =goql r
the latitudes of the reference atmospheres
( (P > The values of r, for
are given in table 2.
is the nominal radius of the earth at a specific latitude
CB
3 Atmospheric models to 80 km altitude
and is taken from table 2;
The reference atmospheres are defined by the vertical
is the acceleration of free fall at sea level for latitude q.
temperature profiles for each latitude and season [see clause 2,
Paragraph b)]. Vertical pressure and density distributions were
Integration of equation (61, after substituting for g,(h) from
calculated from the temperature-altitude profiles using the
gives the following relationship between
equation (7L
hydrostatic equation (1) and the perfett gas law (3) from
geopotential and geometric altitudes :
clause 2 and the appropriate mean sea-level values of pressure.
Tables 3-15 of the temperature and other properties of the
r, h gop reference atmospheres are given in clause 6. Brief descriptions
ff=- -
. . . (8)
of seasonal, latitudinal, longitudinal and day-to-day variations
cp+h’ 8”
of temperature and density are included in clause 4.
rvH
h=
3.1 Annual model for 15O latitude
. . . (9)
gov - H
g, rco
A mean annual atmosphere was adopted for 15O latitude as
available observations indicate that the seasonal variability of
The radius ren is a fictitious quantity, the meaning of which may vertical profiles of temperature in the tropics is relatively small.
be explained in the following way: gravity, being the vector A mean annual temperature Profile (figure 1) is based on obser-
sum of the gravitational attraction and the centrifugal forte in- vations taken at Ascension (8” S, 14O W), Natal(6” S, 35O W),
duced by the earth’s rotation, has a certain potential, the
Ft. Sherman (9” N, 80° W), Kwajalein (9” N, 168O E), Antigua
geopotential. This potential may be replaced by the potential of (17O N, 62O W), Guam (14O, 145O E), Grand Turk (21O N,
a non-rotating homogeneous sphere in such a way that the 71° W) and research vessels Voyeikov and Shokalsky (20° SI.
gravitational attraction at the surface of the sphere is equal to
that at the earth’s surface both in magnitude and direction. Features typical of the thermal structure of the tropical atmo-
sphere are shown in figure 1 and in table 3. For example,
routine averaging of monthly temperature-altitude data in-
This condition is satisfied if the partial derivatives of g, with
dicates as isothermal layer about 2 km thick from 16 to 18 km.
respect to h for h = 0 in equation (7) and in the more brecise
An examination of daily observations, however, reveals a sharp
equation (10) from reference [ll are equal.
inversion at the tropopause. The sharp inversion, a feature
typical of the tropical atmosphere, has been retained and ap-
(3,085 462 x 10-6 + 2,27 x
s,(h) = Ql -
pears at 16,5 km, the mean annual altitude of the tropopause at
x IO-9 cos 2p)h + (7,254 x 10-13 + l,O x 15O latitude.
(1,517 x 10-19 + 6,0 x
x IO-15 cos 2p)h2 -
The average altitude and magnitude of the trade wind inver-
sion, a characteristic of the temperature structure between
x 10-22 cos 2tp)h3,
. . . (IO)
2 and 3 km, over tropical ocean areas, have also been included
in the 15O latitude temperature-altitude Profile.
where h is expressed in metres and g in metres per second
squared.
3.2 Seasonal models for 30, 45, 60 and 80° N
The partial derivatives of g, with respect to h for h = 0 are, from
Temperature-altitude profiles for the mean December-January
equation (10) :
and June-July atmospheres for 30, 45, 60 and 80° N are
presented in figure 1 and table 16. They are based on the
temperature-altitude Cross-sections in figure 2. The
= - 3,085462 x
x 10-6 - 2,27 x IO-9 cos 2tp . . . (11) temperature distributions shown in figure 2 for levels below
3
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ISO 5878-1982 (E)
30 km were derived from routine radiosonde observations.
The cold regimes are defined as periods when the observed
Mean northern hemisphere values were computed at various temperature at 45 km at 60’ N is within + 2 K of 223 K, and
latitudes from available summaries[21 by giving equal weight to
that at 80° N is within + 2 K of 232 K. The temperature of
observed and interpolated temperature data at each 10 degrees 223 K is equalled or exceeded in 98, 95, and 93% of the obser-
of longitude. The initial pressures (sea-level values for each
vations at West Geirinish, Ft. Churchill and Ft. Greely respec-
atmosphere) were obtained from monthly normal sea-level tively, and 232 K is exceeded in 80% of the observations from
Chart0 41 of the northern hemisphere. Heiss Island (223 K is equalled or exceeded 90% of the time at
Heiss Island).
The temperature field between 30 and 50 km is based on
Individual temperature soundings taken at Ft. Churchill,
meteorological rocket measurements taken at locations shown
Ft. Greely, West Geirinish and Heiss Island which satisfied the
in table 17. Instrumentation consists primarily of parachute-
temperature requirements for a particular model at 45 km were
borne telemetering sets with temperature-sensing elements
averaged together to obtain a mean temperature-altitude Profile
(bead thermistors or resistance wires). Thermistor
between 8 and 80 km. Mean seasonal conditions were assumed
measurements are subject to large corrections and uncertain-
below 9 km as the vertical temperature profiles that emerged at
ties above 50 km. Consequently the thermistor data are used
these levels were not significantly different from those for the
only for altitudes up to 50 km. The temperature distributions
mean seasonal conditions at 60 and 80° N. Locations and dates
between 50 and 80 km are based primarily on grenade, falling
of soundings used in the construction of the warm and cold
sphere and pressure gauge experiments taken at locations
models are given in table 20. Due to the sparsity of data above
shown in table 18.
30 km in Arctic and sub-Arctic regions, the frequencies of oc-
currence of the warm and cold models at the various locations
Median rather than mean values are used since bimodal
are rough estimates.
distributions of temperature occur at high latitudes in Winter in
the upper stratosphere and mesosphere. At other times
distributions are nearly normal. Dates of Observation for the
southern hemisphere were adjusted by six months to conform 4 Temporal and spatial variations
to northern hemisphere seasons.
4.1 Seasonal and latitudinal variations
3.3 Cold and warm stratospheric and
Maximum and minimum mean monthly temperatures between
mesospheric regimes for 60 and 80° N in
the surface and 80 km do not occur at all latitudes and levels in
December-January
the same month or season. Consequently, the tabulated
temperatures for the December-January and June-July
In Arctic and sub-Arctic regions, sudden warmings and cool-
reference atmospheres for 30, 45, 60 and 80° N (table 21) do
ings of the Winter stratosphere and mesosphere produce large
not represent extreme seasonal temperatures at all altitudes.
changes in the vertical structure of the atmosphere. The
Nevertheless, they do provide a good indication of the
magnitude and altitude of maximum temperature Change dur-
magnitude of the seasonal and latitudinal temperature varia-
ing major warmings and coolings vary considerably. Some of
bility that tan be expected at levels between the surface and
the largest changes have been observed in the upper
80 km.
The Winter temperature distributions in this
stratosphere.
region are bimodal and temperatures are normally much lower
The maximum and minimum mean seasonal densities and
or much higher than the seasonal mean. Observed 35 km
pressures between the surface and 80 km, however, normally
temperatures, for example, have a range of roughly 75 K in
occur in the June-July and December-January periods respec-
Winter compared with 20 K in summer-. Consequently, mean
tively between latitudes 30 and 80° N (table 22).
monthly or seasonal atmospheric models for the Winter months
are of limited value for specifiyng the temperature in Arctic and
At locations between 30 and 80° N, maximum mean monthly
sub-Arctic regions as the day-to-day variations in temperature
temperatures at levels below 25 km usually occur in June or
at many levels in the stratosphere are as great as or greater than
July, and the minima in December or January. In the upper
seasonal or latitudinal changes.
stratosphere, however, semi-annual and biennial cycles com-
plicate the annual temperature cycle. The magnitude of the
Vertical temperature profiles representative of the cold and
annual cycle is largest near the poles, decreasing toward the
warm stratospheric regimes that occur at 60 and 80° N in
equator. The semi-annual and biennial cycles are greatest near
December and January are shown in figure 3 and table 19. The
the equator, decreasing toward the poles. The phases as well
profiles for the warm and cold models at 60° N were con-
as the amplitudes of these temperature oscillations Change with
structed from temperatures derived from radiosonde, rocket-
latitude and altitude. At middle and high latitudes, the annual
Sonde and grenade observations taken at Ft. Greely, Alaska
and semi-annual cycles tend to obscure the biennial oscilla-
(64’ N, 146O W), Ft. Churchill, Canada (59” N, 94’ W) and
tions.
West Geirinish, Scotland (57O N, 7O W). The 80’ N models are
based on observations taken at Heiss Island (81 O N, 58’ EI.
Observations show that the semi-annual oscillation produces
two pronounced maxima and minima within the annual
The warm regimes are arbitrarily defined as periods when the stratospheric temperature cycle in tropical and sub-tropical
observed temperature at 45 km is within + 2 K of 267 K, a regions. North of 25O latitude, the combined annual and semi-
annual components occasionally shift the time of maximum
value which is equalled or exceeded in 1, 5, 20 and 30% of the
observations at Ft. Greely, Ft. Churchill, West Geirinish and temperature in the upper stratosphere to early June or May,
Heiss Island, respectively. and the minimum temperature to early December or November.
4
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ISO 58784982 (EI
main small a t low latitudes but becom e as important as those
However, in cases where the maximum mean monthly
stratospheric temperatures occur in May rather than June or with latitude and season in Arctic and sub- ,Arctic regions [13].
July and the minimum in November rather than December or
January, the differentes between May and June and At latitudes between 60 and 80° N, longitudinal variations in
November and December values are only a few degrees. In the the mean monthly altitudes of pressure surfaces in the lower
mesosphere, above 60- 65 km, the maximum mean monthly
mesosphere are greater than 2 500 m, mean monthly
temperatures generally occur in December or January, and the
temperatures vary by 15 to 20 K at levels between 20 and
minimum in June or July. An exception occurs at Heiss Island,
35 km, and mean monthly densities Change by 15 to 20% at
where maximum temperatures are observed in late November
levels between 40 and 60 kmW These differentes reflect the
and early December. longitudinal asymmetry in the Winter circulation Pattern at high
latitudes. The Aleutian anticyclone and the displacement of the
The vertical distribution of density is shown for the 15O latitude polar low toward the Eurasian continent are important features
mean annual atmosphere and the December-January and of the mean monthly circulation Patterns up to at least 80 km
June-July atmospheres for 30, 45, 60 and 80° N in figure 4 as during the northern hemisphere Winter [151.
percentage departures from the ISO Standard densities. The
maximum mean monthly densities at levels between 10 and
80 km and latitudes 3C to 80° N occur in June or July, and
5 Frequency distributions of observed
minimum values in December or January. Near the surface,
temperatures and densities
pressures are usually highest in Winter and lowest in Summer.
The distributions of observed temperatures and densities
The level of minimum seasonal variability of density near 8 km
around median”) values for December-January and June-July
represents the first isopycnic Ievel where density remains
for 30, 45, 60 and 80° N and annual medians at 15O are shown
regardless of
relatively constant throughout the year
in tables 21 and 22 respectively, for levels up to 80 km. Medians
geographic location. The levels of maximum seasonal and
and high and low values which are equalled or exceeded in 1, IO
latitudinal variability in density and pressure are between 65 and
and 20% of cases are given at 5 km altitude increments. Den-
75 km, and the variability is greatest at high latitudes.
sities are given as percentage departures from the ISO Standard
densities. Distributions for levels below 30 km are based on
4.2 Longitudinal variations radiosonde observations taken in the northern hemisphere, and
those above on meteorological and experimental rocket obser-
In Summer, longitudinal variations in the structure of the at- vations from locations shown in tables 17 and 18.
mosphere are relatively small at all latitudes compared with
seasonal and latitudinal changes for levels up to 80 km. Data are only provided for levels up to 50 km at 15O as there are
insufficient observations on which to base temperature and
lsotherms and contour lines of constant-pressure Charts in the
stratosphere and mesosphere parallel the latitude circles, and density distributions above 50 km in tropical areas. Confidence
in the distributions decreases rapidly above 50 km, where data
the associated circulation Pattern is symmetrical about the
are relatively sparse and instrumentation errors relatively large.
poles. During the Winter season, changes with longitude re-
“1 The median is the percentile of 50%.
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ISO 5878-1982 (E)
6 Tables of properties of the reference atmospheres
NOTE - Aone- ortwo-digitnumber preceded bya plus of minussign following each ofpressureand densityindicatesthe poweroften bywhichthat
entry should be multiplied.
Table 3 - Mean annual values of characteristics at 15O
h
H T t
P
m m K OC hPa, mbar
kg.rne3
0 0 299,650 26,50 1,013 250 03 1,177 987 00
1000 998 293,665 21,52 9,032 869 02
1,071 548 00
2000 1 995 287,682 14,53 8,033 849 02 9,728 581 -01
3000 2 992 283,656
10,50 7,132 021 02 8,759 075 -01
4000 3988 276,979 6,316 301 02
5,83 7,944 263 -01
5000 4984 270,304 -1,15 5,577 544 02 7,188 330 -01
6000 5 980 263,632 -9,52 4,910 097 02 6,488 298 -01
7000 6 976 256,961 -16,19 4,308 599 02 5,841 269 -01
7 971 250,292
8000 -22,86 3,767 974 02 5,244 434 -01
9000 8 966 243,626 -29,52 02
3,283 418 4,695 060 -01
10 ooo 9 961 236,961 -36,19 2,850 398 02
4,190 503 -01
12000 11 949 223,639 -49,51 2,122 104 02
3,305 654 -01
14000 13 937 210,325 -62,82 1,551 827 02 2,570 343 -01
15 923
16000 197,019 -76,13 1,112 046 02 1,966 313 -01
17907 198,779 -74,37
18 000 7,864 157 01 1,378 225 -01
20 000 19 891 206,713 -6644 5,629 715 01
9,487 626 -02
22000 21 873 214,641 -58,51 4,082 017 01 6,625 209 -02
24 000 23 854 218,858 -54,59 2,987 766 01 4,755 795 -02
25 833 222,817 -50,33
26 000 2,199 570 01 3438964 -02
28 000 27 812 226,774 -46,38 1,628 370 01 2,501488 -02
30 000 29 789 230,728 -42,42 1,212 014 01 1,829 974 -02
32 000 31 765 236,092 -37,06 9,075 227 00 1,339 103 -02
33 740 241,621
34 ooo -3153 6,842 101 00 9,864 886 -03
36 000 35713 247,147 -26,00 5,192 440 00 7,319 035 -03
38000 37 686 252,670 -2048 3,965 297 00 5,467 150 -03
40 ooo 39 657 258,188 -14,96 3,046 371 00 4,110 401 -03
42 000 41 626 262,728 - IO,82 2,352 931 00 3,119 903 -03
44ooo 43 595 267,059 -6,09 1,825 355 00 2,381 105 -03
45 562 271,387
46 000 -1,76 1,422 088 00 1,825 475 -03
47 528 272,350 -0,80
48ooo 1,111 163 00 1,421 309 -03
49 493 272,350 -0,80 8684371 -01 -03
50 ooo 1,110 834
52 000 51 457 271,254 -1,90 6,787 593 -01 8,717 218 -04
54000 53 419 266,544 -6,61 5,289 756 -01 6,913 604 -04
56 000 55 380 261,009 -12,14 4,103 663 -01 5,477 140 -04
255,129
58000 57 340 -18,02 3,165 824 -01 4,322 791 -04
60 000 59 299 249,253 -23,90 2,427 992 -01 3,393 472 -04
62 000 61 256 242,753 -3040 1,850 269 -01 2,655 271 -04
63 213 235,906 -37‘24 -04
64000 1,399 430 -01 2,066 572
66 ooo 65 168 229,063 -44,09 1,049 963 -01 1,596 823 -04
-50,36
68000 67 121 222,786 7,812 449 -- 02 1,221 626 -04
69 074 216,928 -5622 5,767 794 -02 9,262 593 -05
70 ooo
72 000 71 025 211,074 -62,08 4223868 -02 6,971 309 -05
-67,93 -05
74000 72 976 205,223 3,066 854 -02 5,206 007
-69,92 -05
76 000 74 925 203,225 2,213 526 -02 3,794 413
76 872 201,278 -71,87 1,592 946 -02 2,757 042 -05
78 000
78 819 199,331 -73,82 1,142 926 -02 1,997 473 -05
80 000
6
---------------------- Page: 10 ----------------------
Table 4 - Mean values of characteristics during December-January at 30° N
T t
h H
P e
m m K OC hPa, mbar kg-mp3
0 0
283,150 IO,00 1,020 500 03 1,255 552
00
1 000 998 281,652
8,50 9,043 877 02 1,118 611 00
2 000
1 997 280,155 7D 8,010 013
02 9,960 310 -01
3000 2 994 273,785
663 7,082 381 02 9,011 710 -01
4 000 3 992 267,401 -5,75
6,244 260 02 8,134 969 -01
5000 4 989
261,019 -12,13 5,488 819 02 7,325 630 -01
6000 5 986 254,639
-18,51 4,809 595 02 6,579 944 -01
7 000 6 983 248,261
-24,89 4,200 502 02 5,894 291 -01
8000 7 979 241,884 -31,27
3,655 799 02 5,265 173 -01
9000 8 975 235,510 -37)s 3,170 092
02 4,689 215 -01
10 ooo
9 971 229,138 - 44,Ol 2,738 311 02
4,163 165 -01
12 000 11 961 216,400
-56,75 2,017 829 02 3,248 372 -01
14000 13 950 212,250
- 60,90 1,469 359 02 2,411 675 -01
16000 15938 208,274 - 64,88
1,063 783 02 1,779 327 -01
18 000 17925 207,150 -66,OO
7,667 844 01 1,289 515 -01
20 000 19 910 210,970 -62,18 5,542683 01
9,152 460 -02
22 000
21 894 214,938 -52,21 4,031 617 01 6,534 376 -02
24 000 23 877 218,904
-54,25 2,950 204 01 4,695 014 -02
26 000
25 858 222,495 -50,66 2,170 892
01 3,399 035 -02
28 000 27 839 226,060
- 47,09 1,605 556 01 2,474 229 -02
30 000 29 818 229,622 -45,53 1,193 281
01 1,810 366 -02
32 000 31 796
233,183 - 39,97 8,910 929 00 1,331 266
-02
34 000 33 773 236,741 -36,41
6,685 021 00 9,837 124 -03
36 000 35 748 241,520 -31,63
5,040 774 00 7,270 803 -03
38 000 37 722 246,456 - 26,69 3,823 344
00 5,404 346 -03
40 000 39 695 251,388 -21,76
2,916 373 00 4,041448 -03
42 000
41 667 256,317 -16,83 2,236 656
00 3,039 905 -03
44000
43 637 261,243 - 11,91 1,724 332 00
2,299 398 -03
46 000 45 606 266,166
- 6,98 1,336 047 00 1,748 667 -03
48000 47 574 269,650
-3,50 1,040 365 00 1,344 075 -03
50 000
49 541 269,650 -3,50 8,111 550 -01
1,047 952 -03
52 000
51 507 265,732 -7,42 6,331 020 -01
8,299 806 -04
54000 53 471
260,625 -12,52 4,896 510 -01 6,544986
-04
56 000 55 434 255,521
-17,63 3,777 460 -01 5,150 029 -04
58000 57 396 250,420 -22,73
2,899 100 -01 4,032 813 -04
60 000
59 357 245,323 -27,83 2,213 370 -01
3,143 082 -04
62 000 61 316 240,228
- 32,92 1,080 647 -01 2,437 199 -04
64000 63 274 235,137 -38,Ol 1,268 919
-01 1,879 963 -04
66 000 65 231 230,049
-43,lO 9,522 370 -02 1,441 992 -04
68000 67 187 224,964 -48,19
7,101 800 -02 1,099 749 -04
70 ooo
69 142 219,882 -53,27 5,261 760 -02
8,336 456 -05
72 000 71 095 215,241
- 57,91 3,873 080 -02 6,268 586 -05
74000 73 047 210,947
-62,20 2,833 610 -02 4,679 558 -05
76 000 74 998 206,655 -66,50
2,059 990 -02 3,472 637 -05
78 000 76 948 202,365 -70,78 1,48
...
Norme international6
5878
INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATIONWlE~YHAPO~HAR OPI-AHMSAl&lR Il0 CTAH~APTM3Al@lM.ORGANISATION INTERNATIONALE DE NORMALISATION
’ Atmosphères de référence pour l’application aérospatiale
Reference atmospheres for aerospace use
Première édition - 1982-04-15
.
CDU 551.51/54
Mf. no : 60 5878-1982 (FI
:
Descripteurs : ahrodynamique, atmosphère, atmosphére normalisée, caract&istique, donnée m&~orologique, calcul,
Prix basé sur 39 pages
---------------------- Page: 1 ----------------------
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale
d’organismes nationaux de normalisation (comités membres de I’ISO). L’élaboration
des Normes internationales est confiée aux comités techniques de I’ISO. Chaque
comité membre intéressepar une étude a le droit de faire partie du comité technique
correspondant. Les organisations internationales, gouvernementales et non gouverne-
mentales, en liaison avec I’ISO, participent également aux travaux.
Les projets de Normes internationales adoptés par les comités techniques sont soumis
aux comités membres pour approbation, avant leur acceptation comme Normes inter-
nationales par le Conseil de I’ISO.
La Norme internationale ISO 5878 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 20,
Aéronautique et espace, et a été soumise aux comités membres en novembre 1978.
Les comités membres des pays suivants l’ont approuvée:
Chili
Afrique du Sud, Rép. d’ Pologne
Allemagne, R. F. Corée, Rép. de Roumanie
Autriche Espagne Tchécoslovaquie
Belgique France URSS
Italie
Brésil USA
Japon
Canada
membres des suivants l’ont désapprouvée pour raisons techni-
Les comités
ques :
Irlande
Royaume- Uni
0 Organisation internationale de normalisation, 1982
Imprimé en Suisse
ii
---------------------- Page: 2 ----------------------
Sommaire
Page
1
Objet et domaine d’application .
.................................................... 1
Généralités.
................................... 2
2.1 Hypothèses fondamentales.
2.2 Équation d’équilibre statique et loi des gaz parfaits . 2
2.3 Altitude géopotentielle et altitude géométrique; accélération de la
pesanteur .
Modèles atmosphériques jusqu’à 80 km d’altitude .
Modéle annuel pour la latitude 15O. .
3.1
.....................
3.2 Modèlessaisonnierspour30,45,60et80°N
3.3 Régimes stratosphérique et mésosphérique chauds et froids pour
60 et 80° N en décembre-janvier .
Variations dans le temps et dans l’espace. .
4.1 Variations saisonnières et latitudinales .
......................................
4.2 Variations longitudinales
Fréquence de distributions des relevés de température et de masse
volumique . 5
6- 18
Tableaux des caractéristiques des atmosphéres de référence (tableaux 3 à 15)
19-32
Tableaux16à22 .
33-37
Figureslà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38-39
Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . .
III
---------------------- Page: 3 ----------------------
Page blanche
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO 58784982 (F)
NORME INTERNATIONALE
Atmosphères de référence pour l’application aérospatiale
1 Objet et domaine d’application
applicables seulement dans l’hémisphère Nord. Cependant,
on estime qu’elles sont très proches des conditions corres-
La présente Norme internationale fournit des informations con-
pondant aux latitudes moyennes dans l’hémisphère Sud.
cernant les variations des caractéristiques de l’atmosphère en
fonction des saisons, des latitudes, des longitudes, ou d’un
b) Les modèles sont définis par les profils de température
jour à l’autre, à des altitudes comprises entre la surface du sol
-
altitude, dans lesquels les gradients verticaux de tempé-
et 80 km.
rature sont constants en fonction de l’altitude géopoten-
tielle à l’intérieur de chacune des couches.
2 Généralités
c) On suppose que l’air est un gaz parfait, exempt d’humi-
Les variations systématiques des caractéristiques de l’atmos-
dité ou de poussière.
phére (en fonction des saisons et des latitudes) sont représen-
tées, jusqu’à 80 km d’altitude, par une famille de modèles com-
d) On suppose que la masse molaire de l’air sec,
prenant les atmosphères de référence suivantes:
iW = 28,964 420 kg 9 kmol- 1 est constante aux altitudes infé-
rieures à 80 km. La constante spécifique des gaz pour l’air
sec, R, est égale à 287,052 87 J 9 K - 1. kg - 1 (tableau 1).
PAriode de I’annbe
Titre Latitude
Tropical 15O Moyenne annuelle e) Les caractéristiques telles que l’inversion sous les tropi-
ques, et l’inversion de surface en hiver dans les régions arc-
Subtropical 1 30° N 1 Juin-juillet et décembre-janvier
I
tiques et subarctiques sont incluses dans les modèles.
Latitude
Juin-juillet et décembre-janvier
moyenne 45O N
I /
Tableau 1 - Principales valeurs utilisés pour le calcul
des atmosphères de référence
Subarctique 60° N Juin-juillet et décembre-janvier
Régimes stratosphérique et
Symboles Valeurs Unit& de mesure SI
mésosphérique froids et chauds
pour décembre-janvier
9,806 65 ms-2
gn
Arctique 1 80°N 1 C omme pour subarctique
I
M 28,964420 kg l kmol-’
602,257 x 1024
kmol-’
NA
Pour la normalisation de cette famille d’atmosphères de réfé-
R” 8 314,32 J-K-‘kmol-’ ou
rence, les hypothéses suivantes ont été utilisées:
kgmQ-2.K-‘~kmol-’
R 287,052 87 J a K-l-kg-1 ou
a) À l’exception du modèle correspondant à 15O de lati-
ml?. K-1 .s--2
tude, on considére que les atmosphères de référence sont
1
---------------------- Page: 5 ----------------------
ISO 58784982 (FI
2.1 Hypothèses fondamentales
2.3 Altitude géopotentielle et altitude
géométrique; accélération de la pesanteur
Les valeurs numériques des diverses grandeurs thermodynami-
ques et physiques utilisées pour la calcul des caractéristiques Dans l’étude de la répartition de la pression dans l’atmosphère,
de l’atmosphère sont les mêmes que celles utilisées pour
il convient d’introduire le potentiel de la force de la pesanteur
I’ISO 2533 (( Atmosphère type», à deux exceptions près: les
ou le géopotentiel @ qui définit l’énergie potentielle d’une parti-
conditions de surface pour chacune des atmosphères de réfé-
cule d’air située en un point donné.
rence sont basées sur les valeurs de température, de pression et
de masse volumique au niveau de la mer, pour la saison et la Tout point de coordonnées X, y, z peut être caractérisé par une
valeur unique du géopotentiel @IX, y, z). La surface représen-
latitude appropriées, et les valeurs de l’accélération de la pesan-
teur au niveau de la mer pour les latitudes autres que 45O, ont tée par l’équation @ (x, y, z) = constante a le même potentiel
en tous les points et est appelée surface isopotentielle ou sur-
été obtenues à partir de l’équation de Lambert[ll, dans laquelle
l’accélération de la pesanteur est une fonction de la latitude cp: face géopotentielle. Si l’on passe, suivant la normale exté-
rieure, d’un point quelconque situé sur la surface GI, à un point
= 9,806 16 (1 - 0,002 637 3 COS 2~ + 0,000 005 9 cos22p)
infiniment voisin, sur une seconde surface, dont le géopotentiel
gou,
[m+r21 est G2 = QI + d@, pour transférer l’unité de masse de la pre-
mière surface à la seconde, il est nécessaire d’effectuer un tra-
Les valeurs obtenues à partir de cette relation, ainsi que les
vail
températures et pressions au sol sont données dans le
tableau 2. Pour la latitude 45’ N, les valeurs de gou, et de rV sont . . .
d@ = g(h)dh (4)
tirées de I’ISO 2533.
d’où, en intégrant,
@= hg(hMh . . . (5)
s
0
2.2 Équation d’équilibre statique et loi des gaz
parfaits
En divisant le géopotentiel @ par la valeur conventionnelle de
l’accélération due à la pesanteur gn, on obtient H, ayant les
Latmosphère, immobile par rapport à la Terre, est soumise à la
dimensions d’une longueur:
pesanteur. La condition d’équilibre statique de l’air est détermi-
née par l’équation d’équilibre statique suivante, liant la pression
f&- = 1 hg(h)dh
. . .
(6)
de l’air p, la masse volumique Q, l’accélération de la pesanteur g
s
0
gn &7
et l’altitude géométrique h :
Exprimée en mètres, la grandeur II est, en valeur numérique,
. . .
- dp=ggdh (1)
égale à l’altitude géopotentielle qui est mesurée, en météorolo-
gie, en mètres géopotentiels normaux; cette valeur sera donc
La loi dès gaz parfaits lie la pression de l’air à la masse volumi-
dénommée ((altitude géopotentielle)). Le niveau moyen de la
que et à la température, comme suit:
mer est pris comme référence pour les lectures des altitudes
géopotentielle et géométrique.
,gR*T
. . .
P’M (2)
L’équation (6) montre que pour établir la correspondance exis-
tant entre l’altitude géopotentielle et l’altitude géométrique, il
Pour les altitudes considérées dans la présente Norme inter-
faut connaître la valeur de l’accélération due à la pesanteur g en
R*
fonction de l’altitude géométrique h.
nationale, G = constante = R, d’où
On sait que la force de la pesanteur est la somme vectorielle de
p=eRT . . . la force d’attraction terrestre et de la force centrifuge due à la
(3)
Tableau 2 - Accélération de la pesanteur gocp, au niveau de la mer, rayon terrestre nominal rV tirés de l’équation [Il
et température et pression au niveau de la mer, pour chaque modèle latitudinal et saisonnier
Accélération Rayon terrestre
Température T, K Pression p, kPa, mbar
Latitude
de la pesanteur
nominal
0 gocp, m*s2
rvI km Décembre-janvier Juin-juillet Décembre-janvier Juin-juillet
15O 9,783 81
6 337,84 299,650
299,650 1,013250
x 103 1,013 250 x 103
30° N 9,793 24
6 345,65 283,150
297,150 1,020 500
1,014 ooo
45O N 9,806 65
6356,77 272,650
291,150 1,018 000
1,013 500
60° N 9,819 11
6 367,lO 256,150
282,150 1,013 ooo
1,010 200
80'
N 9,830 51 6 376,56
248,950 276,650
1,013 800 1,012 ooo
---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO 58784982 (F)
rotation de la Terre; elle est donc une fonction compliquée de la
et, à partir de l’équation (7):
latitude et de la distance radiale au centre de la Terre, et
l’expression de l’accélération de la pesanteur est généralement
2 gofp
ag,
. . .
-- (12)
peu pratique à l’utilisation. Toutefois, une tolérance peut être
ah h=o= r,
( >
considérée pour la force centrifuge, avec une précision suffi-
sante pour ces atmosphères de référence, en utilisant une
En égalant les parties droites de (Il ) et (12), on obtient:
valeur fictive ou nominale du rayon terrestre, r,, à chaque lati-
tude. L’accélération de la pesanteur g,(h) peut être trouvée
2
. . . (13)
pour chaque latitude et altitude en utilisant r, avec I’accéléra-
r, = gosp
3,085 462 x 10-S + 2,27 x 10-g COS 2~
tion d’attraction newtonienne.
exprimé mètres
où ry, est en mètres et g,, en seconde car-
Par
Dans ce cas,
rée.
2
‘CO
. . . Les valeurs de r, pour les latitudes des a tmosphères sont don-
(7)
C@h) = QI r
v
( > nées dans le tableau 2
où
est le rayon terrestre nominal à une latitude donnée
3 Modèles atmosphériques jusqu’à 80 km
%
fig dans le tableau 2;
urant
d’altitude
l’accélération due à la pesanteur au niveau de la
goq est
Les atmosphères de référence sont définies par les profils verti-
mer à la latitude p.
caux de température pour chaque latitude et chaque saison
[voir chapitre 2, alinéa bl. Les distributions verticales de pres-
Après intégration de l’équation (61, et en remplacant g,(h)
sion et de masse volumique ont été calculées à partir des profils
donné par l’équation (71, on obtient les relations suivantes,
de température-altitude, en utilisant l’équation d’équilibre stati-
entre l’altitude géopotentielle et l’altitude géométrique :
que (1) et la loi des gaz parfaits (3) définies au chapitre 2, ainsi
que les valeurs moyennes appropriées des pressions au niveau
rph goql
de la mer. Les tableaux 3 à 15 des températures et des autres
-.-
H=
. . .
(8)
caractéristiques des atmosphères de référence sont donnés au
r, + h g,
chapitre 6. De brèves descriptions des variations de tempéra-
SS
ture et de masse volumique en fonction des saisons, des latitu-
‘CO H
h=
des, des longitudes, et du jour sont données au chapitre 4.
. . .
(9)
g@P
-H
g,‘cp
3.1 Modèle annuel pour la latitude 15O
Le rayon rv est une grandeur fictive, dont la signification peut
Une atmosphère annuelle moyenne a été adoptée pour la lati-
être expliquée de la facon suivante: la force de pesanteur étant
tude de 15O, du fait que les observations disponibles ont mon-
la somme vectorielle de la force d’attraction terrestre et de la
tré que la variation saisonnière des profils verticaux de tempéra-
force centrifuge due à la rotation de la Terre, présente un cer-
ture est relativement faible sous les tropiques. Un profil de tern-
tain potentiel, le géopotentiel. Ce potentiel peut être remplacé
pérature annuel moyen, représenté à la figure 1, est basé sur
par le potentiel d’une sphère homogène, non rotative, de telle
des observations faites à Ascension (8’ S, 14’ W), Natal (6O S,
sorte que la force d’attraction terrestre à la surface de la sphère
35O W), Fort Sherman (9” N, 80’ W), Kwajalein (9” N,
soit égale à celle qui existe à la surface de la Terre, en grandeur
168O E), Antigua (17O N, 62O W), Guam (14’ N, 145O E),
et en direction.
Grand Turk (21° N, 71° W), et par les navires de recherche
Voyeikov and Shokalsky (20° S).
Cette condition est remplie lorsque les dérivées partielles de g,
par rapport à h, pour h = 0 dans l’équation (7) et dans I’équa’-
Les caractéristiques typiques de la structure thermique de
tion plus complexe (10) de la référence [ll, sont égales.
l’atmosphère tropicale sont données à la figure 1 et au
tableau 3. Par exemple, en faisant systématiquement la
(3,085 462 x 10-6 + 2,27 x
g,(h) = goql -
moyenne des données mensuelles de température-altitude, on
x 10-g COS 2p)h + (7,254 x JO-13 + 1,0 x constate l’existence d’une couche isothermique d’environ 2 km
d’épaisseur entre 15 et 18 km d’altitude. Un examen des obser-
x 10-15 COS 2tp)h2 - (1,517 x 10-19 + 6,0 x
vations journalières, révèle toutefois une nette inversion a la
tropopause. Cette inversion, qui est une caractéristique de
x 10-z COS 2iplh3, . . .
(10)
l’atmosphère tropicale, a été relevée et apparaît à 165 km, ce
qui correspond à l’altitude moyenne annuelle de la tropopause
où h est exprimé en mètres et g en mètres par seconde carrée.
à la latitude 15O.
Les dérivées partielles de g, par rapport à h , pour h = 0, sont, à
L’altitude moyenne et le module de l’inversion du vent, qui
partir de l’équation (10) :
caractérisent la structure de température entre 2 et 3 km,
au-dessus des zones des océans tropicaux, ont été également
= -3,085462 x inclus dans le profil de température-altitude correspondant 3
x 10-S
- 2,U x 10-9~0~2~ . . . (11) 15’ de latitude.
3
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ISO 5878-1982 (FI
Les profils verticaux de température, représentatifs des régimes
3.2 Modèles saisonniers pour 30, 45, 60 et BO0 N
stratosphériques froids et chauds se produisant sous 60 et
Les profils de température-altitude pour les atmosphères 80° N en décembre et janvier, sont représentés à la figure 3 et
en décembre-janvier et en juin-juillet aux
moyennes, au tableau 19. Les profils pour les modèles chauds et froids
latitudes 30,45, 60 et 80’ N sont représentés à la figure 1 et au
sous 60° N ont été établis à partir de températures relevées lors
tableau 16. Ils sont basés sur les sections transversales de d’observations par radiosondes, fusées sondes et grenades,
température-altitude représentées à la figure 2. Les distribu-
effectuées à Fort Greely, en Alaska (64O N, 146O W), à Fort
tions de températures représentées à la figure 2 pour des altitu- Churchill, au Canada (59’ N, 94O W) et à West Geirinish, en
des inférieures à 30 km sont dérivées des observations de rou- Ecosse (57’ N, 7’ WI. Les modèles 80° N sont basés sur des
tine par radiosondes. Les valeurs moyennes pour I’hemisphère observations faites à Heiss Island (81 O N, 58O E).
Nord ont été calculées à différentes latitudes à partir des don-
Les régimes chauds sont arbitrairement définis comme étant
nées disponibles[2] en donnant la même importance aux tempé-
ratures observées et interpolées, tous les 10 degrés de longi- des périodes où la température relevée à 45 km d’altitude est de
267 + 2 K, valeur qui est égale ou supérieure, dans 1, 5, 20 et
tude. Les pressions initiales (valeurs au niveau de la mer pour
30 % des cas, aux températures relevées respectivement à Fort
chaque atmosphère) ont été obtenues à partir de relevés men-
Greely, Fort Churchill, West Geirinish et Heiss Island.
suels normaux[31 41 dans l’hémisphère Nord.
Les régimes froids sont définis comme étant des périodes où la
Le domaine de températures, entre 30 et 50 km d’altitude, est
température relevée à 45 km d’altitude, sous 60’ N est de
basé sur des mesures météorologiques par fusées, effectuées
223 + 2 K, et celle relevée sous 80” N, de 232 + 2 K. La tem-
dans les stations indiquées au tableau 7. L’instrumentation
pérature de 223 K est égale ou supérieure, dans98, 95 et 93%
comprend principalement des télémètres portés par parachutes
des cas, aux températures relevées respectivement à West Gei-
et munis de capteurs de température (thermistors ou fils de
rinish, Fort Churchill et Fort Greely, et la température de 232 K
résistance). Les mesures par thermistors sont l’objet d’impor-
est supérieure, dans 80% des cas, aux températures relevées à
tantes corrections et incertitudes au-dessus de 50 km d’alti-
Heiss Island (la température de 223 K est égale ou supérieure
tude. En conséquence, les données obtenues à l’aide de ther-
aux températures relevées à ce jour à Heiss Island dans 90%
mistors ne sont utilisées que pour des altitudes inférieures à
des cas).
50 km. Les distributions de températures entre 50 et 80 km
d’altitude sont principalement basées sur des essais à la gre-
Une moyenne des sondages individuels de température effec-
nade, ou avec chute d’une sphère et mesures de pressions,
tués à Fort Churchill, Fort Greely, West Geirinish et Heiss Island
effectués dans les stations indiquées au tableau 18.
satisfaisant aux exigences de température pour un modèle par-
ticulier d’atmosphère à 45 km d’altitude, a été effectuée, ce qui
On utilise des valeurs médianes plutôt que des valeurs moyen- a permis d’obtenir un profil moyen de température-altitude,
nes, du fait que des distributions bimodales des températures
entre 8 et 80 km d’altitude. On a supposé que les conditions
ont lieu aux hautes latitudes en hiver, dans la stratosphère et la
saisonnières moyennes se trouvaient à des altitudes inférieures
mésosphère supérieure. Pendant les autres saisons, les distri-
à 9 km, du fait que les profils verticaux de température obtenus
butions sont pratiquement normales. Les dates d’observation
à ces altitudes n’étaient pas trés différents de ceux correspon-
dans l’hémisphère Sud ont été décalées de six mois, pour se
dant aux conditions saisonnières moyennes aux latitudes 60 et
conformer aux saisons dans l’hémisphère Nord.
80° N. Les dates et les emplacements des sondages effectués
pour l’établissement des modèles chauds et froids sont indi-
qués au tableau 20. En raison de la dispersion des résultats
au-dessus de 30 km d’altitude dans les régions arctiques et
3.3 Régimes stratosphérique et mésosphérique
subarctiques, les fréquences d’apparition des modéles chauds
chauds et froids pour 60 et 80° N
et froids aux divers emplacements constituent des estimations
en décembre-janvier
approximatives.
Dans les régions arctiques et subarctiques, de brusques
réchauffements et refroidissements de la stratosphére et de la
mésosphère en hiver, provoquent d’importantes modifications
de la structure verticale de l’atmosphère. Le module et l’altitude 4 Variations dans le temps et dang l’espace
de la variation maximale de température pendant les plus
importants réchauffements et refroidissements varient considé-
rablement. Certaines des modifications les plus importantes ont 4.1 Variations saisonnières et latitudinales
été observées dans la stratosphère supérieure. La distribution
des températures dans cette zone, en hiver, est bimodale, et les
Les températures mensuelles moyennes maximales et minima-
températures sont généralement bien plus basses ou bien plus les entre la surface du sol et 80 km d’altitude ne se présentent
élevées que la moyenne saisonniere. Par exemple, les tempéra-
pas à toutes les latitudes et altitudes, durant le même mois ou la
tures relevées à 35 km d’altitude varient de 75 K en hiver, et de
même saison. En conséquence, les températures indiquées au
20 K en été. En conséquence, les modéles atmosphériques tableau 21 pour les atmosphéres de référence, en décembre-
moyens, mensuels ou saisonniers pour les mois d’hiver ont une
janvier et en juin-juillet, pour les latitudes 30, 45, 60 et 80° N ne
valeur limitée pour spécifier les températures dans les régions représentent pas les températures saisonnières extrêmes à tou-
arctiques et subarctiques, du fait que les variations de tempéra- tes les altitudes. Elles fournissent néanmoins une bonne indica-
ture d’un jour à l’autre, à différentes altitudes dans la strato-
tion de l’importance de la variation de la température en fonc-
sphère sont aussi importantes, ou plus importantes, que les
tion des saisons et des latitudes à prévoir aux altitudes compri-
variations saisonnières ou latitudinales. ses entre la surface du sol et 80 km.
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ISO 58784982 (F)
Cependant, les masses volumiques et les pressions saisonniè- ses entre 65 et 75 km, la variabilité étant plus élevée aux hautes
res moyennes maximales et minimales entre la surface du sol et
latitudes.
80 km d’altitude se rencontrent généralement pendant les
périodes juin-juillet et décembre-janvier, respectivement pour
4.2 Variations longitudinales
les latitudes comprises entre 30 et 80’ N (tableau 22).
En été, les variations longitudinales dans la structure de I’atmo-
Aux endroits situés entre 30 et 80° N, les températures men-
sphère sont relativement faibles, sous toutes les latitudes, com-
suelles moyennes maximales, aux altitudes inférieures à 25 km,
parativement aux variations dues aux saisons et aux latitudes,
se rencontrent généralement en juin ou juillet et les températu-
pour des altitudes inférieures ou égales à 80 km. Les isother-
res minimales, en décembre ou janvier. Cependant, dans la
mes et courbes de niveau des diagrammes à pression constante
stratosphère supérieure, des cycles semi-annuels et biennaux
dans la stratosphère et la mésosphère sont parallèles aux cer-
compliquent le cycle annuel de température. L’amplitude du
cles de latitude et le modèle de circulation associé est symétri-
cycle annuel est plus grande au voisinage des pôles et décroît
que par rapport aux pôles. Durant l’hiver, les variations longitu-
en direction de l’équateur. Les cycles semi-annuels et biennaux
dinales restent faibles aux basses latitudes, mais deviennent
sont plus prononcés près de l’équateur et décroissent en direc-
aussi importantes que les variations en fonction des latitudes et
tion des pôles. Les phases, ainsi que les amplitudes de ces
des saisons dans les régions arctiques et subarctiquesW
oscillations de température, varient avec la latitude et l’altitude.
Aux latitudes moyennes et élevées, les cycles annuels et semi-
Aux latitudes comprises entre 60 et 80° N, les variations longi-
annuels tendent à faire disparaître les oscillations biennales.
tudinales dans les altitudes moyennes mensuelles des surfaces
de pression, dans la mésosphère inférieure, sont supérieures à
Les observations montrent que les oscillations semi-annuelles
2 500 m, les températures moyennes mensuelles varient de 15 à
produisent deux maxima et minima prononcés, à l’intérieur du
20 K aux altitudes comprises entre 20 et 35 km, cependant que
cycle annuel de températures stratosphériques dans les régi.ons
les masses volumiques moyennes mensuelles varient de 15 à
tropicales et subtropicales. Au nord de 25O de latitude, la com-
20% aux altitudes comprises entre 40 et 60 kmW Ces diffé-
binaison des composantes annuelle et semi-annuelle déplace
rences montrent l’asymétrie longitudinale du modèle de circula-
parfois la période des températures maximales dans la strato-
tion en hiver, aux hautes latitudes. L’anticyclone des Aléoutien-
sphère supérieure, au début de juin ou de mai, et celle des tem-
nes et le déplacement de loi polaire en direction du continent
pératures minimales, au début de décembre ou de novembre.
eurasien sont d’importantes caractéristiques des modèles de
Cependant, dans les cas où les températures stratosphériques
circulation moyens mensuels jusqu’à au moins 80 km d’alti-
mensuelles moyennes maximales se présentent en mai plutôt
tude, durant l’hiver dans I’hémisp.hère Nord[151-
qu’en juin ou juillet, et où les températures minimales se pré-
sentent en novembre plutôt qu’en décembre ou janvier, les dif-
5 Fréquence de distributions des relevés
férences entre les températures relevées en mai et juin et celles
relevées en novembre et décembre ne dépassent pas quelques de température et de masse volumique
degrés. Dans la mésosphère, aux altitudes supérieures à 60 - 65
km, les températures mensuelles moyennes maximales se ren- Les distributions des températures et masses volumiques rele-
vées autour des valeurs moyennes*) pour décembre-janvier et
contrent généralement en décembre ou janvier, et les tempéra-
juin-juillet sous 30, 45, 60 et 80° N et les moyennes annuelles
tures minimales, en juin ou juillet. Une exception se produit à
sous 15O de latitude sont représentées respectivement aux
Heiss Island, où les températures maximales sont observées fin
tableaux 21 et 22, pour des altitudes inférieures ou égales à
novembre et début décembre.
80 km. Les valeurs moyennes, élevées et faibles, qui sont éga-
les ou supérieures dans 1, 10 et 20% des cas, sont données
La distribution verticale des masses volumiques est représentée
avec des accroissements d’altitude de 5 km. Les masses volu-
à la figure 4, pour l’atmosphère moyenne annuelle sous la lati-
miques sont données en pourcentage des masses volumiques
tude de 15O, et pour les atmosphères en décembre-janvier et
juin-juillet sous 30, 45, 60 et 80° N, exprimée sous la forme normalisées ISO. Les distributions pour des altitudes inférieures
à 30 km ont été établies d’après des observations par radioson-
d’écart, en pourcents, par rapport aux masses volumiques nor-
malisées ISO. Les masses volumiques mensuelles moyennes des, effectuées dans l’hémisphère Nord, pour des altitudes
d’aprés des observations météorologiques et
maximales aux altitudes comprises entre 10 et 80 km et entre supérieures,
les latitudes 30 et 80° N, se rencontrent en juin ou juillet, et les par fusées expérimentales aux endroits mentionnés aux
valeurs minimales, en décembre ou janvier. À proximité du sol, tableaux 17 et 18.
les pressions sont généralement plus élevées en hiver et plus
basses en été. Les données ne sont fournies que pour des altitudes inférieures
ou égales à 50 km sous 15O de latitude, du fait que les observa-
L’altitude de variation saisonnière minimale de masse volumi- tions sont insuffisantes pour établir les distributions de tempé-
que, au voisinage de 8 km, représente le premier niveau isopyc- rature et de masse volumique au-delà de 50 km dans les zones
tropicales. L’exactitude des distributions décroît rapidement
nique, où la masse volumique reste sensiblement constante
tout au long de l’année, quelle que soit la situation géographi- au-delà de 50 km d’altitude, du fait que les données.sont relati-
vement clairsemées et que les erreurs dues aux instruments de
que. Les altitudes où la variation saisonnière et latitudinale de
masse volumique et de pression est la plus élevée, sont compri- mesure sont relativement importantes.
“1 La valeur moyenne est le pourcentile de 50%.
---------------------- Page: 9 ----------------------
ISO 58784982 (F)
6 Tableaux des caractéristiques des atmosphères de référence
NOTE - Unnombredeunoudedeuxchiffres(précédédusigne+ou
-), placé à la suitede chaquevaleurde pression et de massevolumique,indi-
que la puissance de 10 qui doit multiplier toutes ces valeurs.
Tableau 3 - Valeurs moyennes annuelles des caractéristiques sous 15O de latitude
h H T t
P Q
m
m K OC hPa, mbar kgmmD3
2650 1,013 250 03 1,177 987 00
0 0 299,650
looo 998 293,665 21,52 9,032 869 02 1,071 548 00
8,033 849 02 9,728 581 -01
2000 1995 287,682 1453
7,132 021 02 8,759 075 -01
3000 2992 283,656 1050
3988 276,979 563 6,316 301 02 7944263 -01
4000
4984 270,304 -1,15 5,577 544 02 7,188 330 -01
5000
6000 5980 263,632 - 9,52 4,910 097 02 6488298 -01
7000 6 976 256,961 -16,19 4,308 599 02 5,841 269 -01
8000 7 971 250,292 -22,86 3,767 974 02 5,244 434 -01
-01
go00 8966 243,626 - 29,52 3,283 418 02 4695060
-01
10 ooo 9961 236,961 -36,19 2,850 398 02 4,190 503
12000 11 949 223,639 - 49,51 2,122 104 02 3305654 -01
-01
14000 13 937 210,325 -62,82 1,551 827 02 2,570 343
15923 197,019 -76,13 1,112 046 02 1,966 313 -01
16000
18000 17907 198,779 -74,37 7,8
...
Norme international6
5878
INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATIONWlE~YHAPO~HAR OPI-AHMSAl&lR Il0 CTAH~APTM3Al@lM.ORGANISATION INTERNATIONALE DE NORMALISATION
’ Atmosphères de référence pour l’application aérospatiale
Reference atmospheres for aerospace use
Première édition - 1982-04-15
.
CDU 551.51/54
Mf. no : 60 5878-1982 (FI
:
Descripteurs : ahrodynamique, atmosphère, atmosphére normalisée, caract&istique, donnée m&~orologique, calcul,
Prix basé sur 39 pages
---------------------- Page: 1 ----------------------
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale
d’organismes nationaux de normalisation (comités membres de I’ISO). L’élaboration
des Normes internationales est confiée aux comités techniques de I’ISO. Chaque
comité membre intéressepar une étude a le droit de faire partie du comité technique
correspondant. Les organisations internationales, gouvernementales et non gouverne-
mentales, en liaison avec I’ISO, participent également aux travaux.
Les projets de Normes internationales adoptés par les comités techniques sont soumis
aux comités membres pour approbation, avant leur acceptation comme Normes inter-
nationales par le Conseil de I’ISO.
La Norme internationale ISO 5878 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 20,
Aéronautique et espace, et a été soumise aux comités membres en novembre 1978.
Les comités membres des pays suivants l’ont approuvée:
Chili
Afrique du Sud, Rép. d’ Pologne
Allemagne, R. F. Corée, Rép. de Roumanie
Autriche Espagne Tchécoslovaquie
Belgique France URSS
Italie
Brésil USA
Japon
Canada
membres des suivants l’ont désapprouvée pour raisons techni-
Les comités
ques :
Irlande
Royaume- Uni
0 Organisation internationale de normalisation, 1982
Imprimé en Suisse
ii
---------------------- Page: 2 ----------------------
Sommaire
Page
1
Objet et domaine d’application .
.................................................... 1
Généralités.
................................... 2
2.1 Hypothèses fondamentales.
2.2 Équation d’équilibre statique et loi des gaz parfaits . 2
2.3 Altitude géopotentielle et altitude géométrique; accélération de la
pesanteur .
Modèles atmosphériques jusqu’à 80 km d’altitude .
Modéle annuel pour la latitude 15O. .
3.1
.....................
3.2 Modèlessaisonnierspour30,45,60et80°N
3.3 Régimes stratosphérique et mésosphérique chauds et froids pour
60 et 80° N en décembre-janvier .
Variations dans le temps et dans l’espace. .
4.1 Variations saisonnières et latitudinales .
......................................
4.2 Variations longitudinales
Fréquence de distributions des relevés de température et de masse
volumique . 5
6- 18
Tableaux des caractéristiques des atmosphéres de référence (tableaux 3 à 15)
19-32
Tableaux16à22 .
33-37
Figureslà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38-39
Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . .
III
---------------------- Page: 3 ----------------------
Page blanche
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO 58784982 (F)
NORME INTERNATIONALE
Atmosphères de référence pour l’application aérospatiale
1 Objet et domaine d’application
applicables seulement dans l’hémisphère Nord. Cependant,
on estime qu’elles sont très proches des conditions corres-
La présente Norme internationale fournit des informations con-
pondant aux latitudes moyennes dans l’hémisphère Sud.
cernant les variations des caractéristiques de l’atmosphère en
fonction des saisons, des latitudes, des longitudes, ou d’un
b) Les modèles sont définis par les profils de température
jour à l’autre, à des altitudes comprises entre la surface du sol
-
altitude, dans lesquels les gradients verticaux de tempé-
et 80 km.
rature sont constants en fonction de l’altitude géopoten-
tielle à l’intérieur de chacune des couches.
2 Généralités
c) On suppose que l’air est un gaz parfait, exempt d’humi-
Les variations systématiques des caractéristiques de l’atmos-
dité ou de poussière.
phére (en fonction des saisons et des latitudes) sont représen-
tées, jusqu’à 80 km d’altitude, par une famille de modèles com-
d) On suppose que la masse molaire de l’air sec,
prenant les atmosphères de référence suivantes:
iW = 28,964 420 kg 9 kmol- 1 est constante aux altitudes infé-
rieures à 80 km. La constante spécifique des gaz pour l’air
sec, R, est égale à 287,052 87 J 9 K - 1. kg - 1 (tableau 1).
PAriode de I’annbe
Titre Latitude
Tropical 15O Moyenne annuelle e) Les caractéristiques telles que l’inversion sous les tropi-
ques, et l’inversion de surface en hiver dans les régions arc-
Subtropical 1 30° N 1 Juin-juillet et décembre-janvier
I
tiques et subarctiques sont incluses dans les modèles.
Latitude
Juin-juillet et décembre-janvier
moyenne 45O N
I /
Tableau 1 - Principales valeurs utilisés pour le calcul
des atmosphères de référence
Subarctique 60° N Juin-juillet et décembre-janvier
Régimes stratosphérique et
Symboles Valeurs Unit& de mesure SI
mésosphérique froids et chauds
pour décembre-janvier
9,806 65 ms-2
gn
Arctique 1 80°N 1 C omme pour subarctique
I
M 28,964420 kg l kmol-’
602,257 x 1024
kmol-’
NA
Pour la normalisation de cette famille d’atmosphères de réfé-
R” 8 314,32 J-K-‘kmol-’ ou
rence, les hypothéses suivantes ont été utilisées:
kgmQ-2.K-‘~kmol-’
R 287,052 87 J a K-l-kg-1 ou
a) À l’exception du modèle correspondant à 15O de lati-
ml?. K-1 .s--2
tude, on considére que les atmosphères de référence sont
1
---------------------- Page: 5 ----------------------
ISO 58784982 (FI
2.1 Hypothèses fondamentales
2.3 Altitude géopotentielle et altitude
géométrique; accélération de la pesanteur
Les valeurs numériques des diverses grandeurs thermodynami-
ques et physiques utilisées pour la calcul des caractéristiques Dans l’étude de la répartition de la pression dans l’atmosphère,
de l’atmosphère sont les mêmes que celles utilisées pour
il convient d’introduire le potentiel de la force de la pesanteur
I’ISO 2533 (( Atmosphère type», à deux exceptions près: les
ou le géopotentiel @ qui définit l’énergie potentielle d’une parti-
conditions de surface pour chacune des atmosphères de réfé-
cule d’air située en un point donné.
rence sont basées sur les valeurs de température, de pression et
de masse volumique au niveau de la mer, pour la saison et la Tout point de coordonnées X, y, z peut être caractérisé par une
valeur unique du géopotentiel @IX, y, z). La surface représen-
latitude appropriées, et les valeurs de l’accélération de la pesan-
teur au niveau de la mer pour les latitudes autres que 45O, ont tée par l’équation @ (x, y, z) = constante a le même potentiel
en tous les points et est appelée surface isopotentielle ou sur-
été obtenues à partir de l’équation de Lambert[ll, dans laquelle
l’accélération de la pesanteur est une fonction de la latitude cp: face géopotentielle. Si l’on passe, suivant la normale exté-
rieure, d’un point quelconque situé sur la surface GI, à un point
= 9,806 16 (1 - 0,002 637 3 COS 2~ + 0,000 005 9 cos22p)
infiniment voisin, sur une seconde surface, dont le géopotentiel
gou,
[m+r21 est G2 = QI + d@, pour transférer l’unité de masse de la pre-
mière surface à la seconde, il est nécessaire d’effectuer un tra-
Les valeurs obtenues à partir de cette relation, ainsi que les
vail
températures et pressions au sol sont données dans le
tableau 2. Pour la latitude 45’ N, les valeurs de gou, et de rV sont . . .
d@ = g(h)dh (4)
tirées de I’ISO 2533.
d’où, en intégrant,
@= hg(hMh . . . (5)
s
0
2.2 Équation d’équilibre statique et loi des gaz
parfaits
En divisant le géopotentiel @ par la valeur conventionnelle de
l’accélération due à la pesanteur gn, on obtient H, ayant les
Latmosphère, immobile par rapport à la Terre, est soumise à la
dimensions d’une longueur:
pesanteur. La condition d’équilibre statique de l’air est détermi-
née par l’équation d’équilibre statique suivante, liant la pression
f&- = 1 hg(h)dh
. . .
(6)
de l’air p, la masse volumique Q, l’accélération de la pesanteur g
s
0
gn &7
et l’altitude géométrique h :
Exprimée en mètres, la grandeur II est, en valeur numérique,
. . .
- dp=ggdh (1)
égale à l’altitude géopotentielle qui est mesurée, en météorolo-
gie, en mètres géopotentiels normaux; cette valeur sera donc
La loi dès gaz parfaits lie la pression de l’air à la masse volumi-
dénommée ((altitude géopotentielle)). Le niveau moyen de la
que et à la température, comme suit:
mer est pris comme référence pour les lectures des altitudes
géopotentielle et géométrique.
,gR*T
. . .
P’M (2)
L’équation (6) montre que pour établir la correspondance exis-
tant entre l’altitude géopotentielle et l’altitude géométrique, il
Pour les altitudes considérées dans la présente Norme inter-
faut connaître la valeur de l’accélération due à la pesanteur g en
R*
fonction de l’altitude géométrique h.
nationale, G = constante = R, d’où
On sait que la force de la pesanteur est la somme vectorielle de
p=eRT . . . la force d’attraction terrestre et de la force centrifuge due à la
(3)
Tableau 2 - Accélération de la pesanteur gocp, au niveau de la mer, rayon terrestre nominal rV tirés de l’équation [Il
et température et pression au niveau de la mer, pour chaque modèle latitudinal et saisonnier
Accélération Rayon terrestre
Température T, K Pression p, kPa, mbar
Latitude
de la pesanteur
nominal
0 gocp, m*s2
rvI km Décembre-janvier Juin-juillet Décembre-janvier Juin-juillet
15O 9,783 81
6 337,84 299,650
299,650 1,013250
x 103 1,013 250 x 103
30° N 9,793 24
6 345,65 283,150
297,150 1,020 500
1,014 ooo
45O N 9,806 65
6356,77 272,650
291,150 1,018 000
1,013 500
60° N 9,819 11
6 367,lO 256,150
282,150 1,013 ooo
1,010 200
80'
N 9,830 51 6 376,56
248,950 276,650
1,013 800 1,012 ooo
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ISO 58784982 (F)
rotation de la Terre; elle est donc une fonction compliquée de la
et, à partir de l’équation (7):
latitude et de la distance radiale au centre de la Terre, et
l’expression de l’accélération de la pesanteur est généralement
2 gofp
ag,
. . .
-- (12)
peu pratique à l’utilisation. Toutefois, une tolérance peut être
ah h=o= r,
( >
considérée pour la force centrifuge, avec une précision suffi-
sante pour ces atmosphères de référence, en utilisant une
En égalant les parties droites de (Il ) et (12), on obtient:
valeur fictive ou nominale du rayon terrestre, r,, à chaque lati-
tude. L’accélération de la pesanteur g,(h) peut être trouvée
2
. . . (13)
pour chaque latitude et altitude en utilisant r, avec I’accéléra-
r, = gosp
3,085 462 x 10-S + 2,27 x 10-g COS 2~
tion d’attraction newtonienne.
exprimé mètres
où ry, est en mètres et g,, en seconde car-
Par
Dans ce cas,
rée.
2
‘CO
. . . Les valeurs de r, pour les latitudes des a tmosphères sont don-
(7)
C@h) = QI r
v
( > nées dans le tableau 2
où
est le rayon terrestre nominal à une latitude donnée
3 Modèles atmosphériques jusqu’à 80 km
%
fig dans le tableau 2;
urant
d’altitude
l’accélération due à la pesanteur au niveau de la
goq est
Les atmosphères de référence sont définies par les profils verti-
mer à la latitude p.
caux de température pour chaque latitude et chaque saison
[voir chapitre 2, alinéa bl. Les distributions verticales de pres-
Après intégration de l’équation (61, et en remplacant g,(h)
sion et de masse volumique ont été calculées à partir des profils
donné par l’équation (71, on obtient les relations suivantes,
de température-altitude, en utilisant l’équation d’équilibre stati-
entre l’altitude géopotentielle et l’altitude géométrique :
que (1) et la loi des gaz parfaits (3) définies au chapitre 2, ainsi
que les valeurs moyennes appropriées des pressions au niveau
rph goql
de la mer. Les tableaux 3 à 15 des températures et des autres
-.-
H=
. . .
(8)
caractéristiques des atmosphères de référence sont donnés au
r, + h g,
chapitre 6. De brèves descriptions des variations de tempéra-
SS
ture et de masse volumique en fonction des saisons, des latitu-
‘CO H
h=
des, des longitudes, et du jour sont données au chapitre 4.
. . .
(9)
g@P
-H
g,‘cp
3.1 Modèle annuel pour la latitude 15O
Le rayon rv est une grandeur fictive, dont la signification peut
Une atmosphère annuelle moyenne a été adoptée pour la lati-
être expliquée de la facon suivante: la force de pesanteur étant
tude de 15O, du fait que les observations disponibles ont mon-
la somme vectorielle de la force d’attraction terrestre et de la
tré que la variation saisonnière des profils verticaux de tempéra-
force centrifuge due à la rotation de la Terre, présente un cer-
ture est relativement faible sous les tropiques. Un profil de tern-
tain potentiel, le géopotentiel. Ce potentiel peut être remplacé
pérature annuel moyen, représenté à la figure 1, est basé sur
par le potentiel d’une sphère homogène, non rotative, de telle
des observations faites à Ascension (8’ S, 14’ W), Natal (6O S,
sorte que la force d’attraction terrestre à la surface de la sphère
35O W), Fort Sherman (9” N, 80’ W), Kwajalein (9” N,
soit égale à celle qui existe à la surface de la Terre, en grandeur
168O E), Antigua (17O N, 62O W), Guam (14’ N, 145O E),
et en direction.
Grand Turk (21° N, 71° W), et par les navires de recherche
Voyeikov and Shokalsky (20° S).
Cette condition est remplie lorsque les dérivées partielles de g,
par rapport à h, pour h = 0 dans l’équation (7) et dans I’équa’-
Les caractéristiques typiques de la structure thermique de
tion plus complexe (10) de la référence [ll, sont égales.
l’atmosphère tropicale sont données à la figure 1 et au
tableau 3. Par exemple, en faisant systématiquement la
(3,085 462 x 10-6 + 2,27 x
g,(h) = goql -
moyenne des données mensuelles de température-altitude, on
x 10-g COS 2p)h + (7,254 x JO-13 + 1,0 x constate l’existence d’une couche isothermique d’environ 2 km
d’épaisseur entre 15 et 18 km d’altitude. Un examen des obser-
x 10-15 COS 2tp)h2 - (1,517 x 10-19 + 6,0 x
vations journalières, révèle toutefois une nette inversion a la
tropopause. Cette inversion, qui est une caractéristique de
x 10-z COS 2iplh3, . . .
(10)
l’atmosphère tropicale, a été relevée et apparaît à 165 km, ce
qui correspond à l’altitude moyenne annuelle de la tropopause
où h est exprimé en mètres et g en mètres par seconde carrée.
à la latitude 15O.
Les dérivées partielles de g, par rapport à h , pour h = 0, sont, à
L’altitude moyenne et le module de l’inversion du vent, qui
partir de l’équation (10) :
caractérisent la structure de température entre 2 et 3 km,
au-dessus des zones des océans tropicaux, ont été également
= -3,085462 x inclus dans le profil de température-altitude correspondant 3
x 10-S
- 2,U x 10-9~0~2~ . . . (11) 15’ de latitude.
3
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Les profils verticaux de température, représentatifs des régimes
3.2 Modèles saisonniers pour 30, 45, 60 et BO0 N
stratosphériques froids et chauds se produisant sous 60 et
Les profils de température-altitude pour les atmosphères 80° N en décembre et janvier, sont représentés à la figure 3 et
en décembre-janvier et en juin-juillet aux
moyennes, au tableau 19. Les profils pour les modèles chauds et froids
latitudes 30,45, 60 et 80’ N sont représentés à la figure 1 et au
sous 60° N ont été établis à partir de températures relevées lors
tableau 16. Ils sont basés sur les sections transversales de d’observations par radiosondes, fusées sondes et grenades,
température-altitude représentées à la figure 2. Les distribu-
effectuées à Fort Greely, en Alaska (64O N, 146O W), à Fort
tions de températures représentées à la figure 2 pour des altitu- Churchill, au Canada (59’ N, 94O W) et à West Geirinish, en
des inférieures à 30 km sont dérivées des observations de rou- Ecosse (57’ N, 7’ WI. Les modèles 80° N sont basés sur des
tine par radiosondes. Les valeurs moyennes pour I’hemisphère observations faites à Heiss Island (81 O N, 58O E).
Nord ont été calculées à différentes latitudes à partir des don-
Les régimes chauds sont arbitrairement définis comme étant
nées disponibles[2] en donnant la même importance aux tempé-
ratures observées et interpolées, tous les 10 degrés de longi- des périodes où la température relevée à 45 km d’altitude est de
267 + 2 K, valeur qui est égale ou supérieure, dans 1, 5, 20 et
tude. Les pressions initiales (valeurs au niveau de la mer pour
30 % des cas, aux températures relevées respectivement à Fort
chaque atmosphère) ont été obtenues à partir de relevés men-
Greely, Fort Churchill, West Geirinish et Heiss Island.
suels normaux[31 41 dans l’hémisphère Nord.
Les régimes froids sont définis comme étant des périodes où la
Le domaine de températures, entre 30 et 50 km d’altitude, est
température relevée à 45 km d’altitude, sous 60’ N est de
basé sur des mesures météorologiques par fusées, effectuées
223 + 2 K, et celle relevée sous 80” N, de 232 + 2 K. La tem-
dans les stations indiquées au tableau 7. L’instrumentation
pérature de 223 K est égale ou supérieure, dans98, 95 et 93%
comprend principalement des télémètres portés par parachutes
des cas, aux températures relevées respectivement à West Gei-
et munis de capteurs de température (thermistors ou fils de
rinish, Fort Churchill et Fort Greely, et la température de 232 K
résistance). Les mesures par thermistors sont l’objet d’impor-
est supérieure, dans 80% des cas, aux températures relevées à
tantes corrections et incertitudes au-dessus de 50 km d’alti-
Heiss Island (la température de 223 K est égale ou supérieure
tude. En conséquence, les données obtenues à l’aide de ther-
aux températures relevées à ce jour à Heiss Island dans 90%
mistors ne sont utilisées que pour des altitudes inférieures à
des cas).
50 km. Les distributions de températures entre 50 et 80 km
d’altitude sont principalement basées sur des essais à la gre-
Une moyenne des sondages individuels de température effec-
nade, ou avec chute d’une sphère et mesures de pressions,
tués à Fort Churchill, Fort Greely, West Geirinish et Heiss Island
effectués dans les stations indiquées au tableau 18.
satisfaisant aux exigences de température pour un modèle par-
ticulier d’atmosphère à 45 km d’altitude, a été effectuée, ce qui
On utilise des valeurs médianes plutôt que des valeurs moyen- a permis d’obtenir un profil moyen de température-altitude,
nes, du fait que des distributions bimodales des températures
entre 8 et 80 km d’altitude. On a supposé que les conditions
ont lieu aux hautes latitudes en hiver, dans la stratosphère et la
saisonnières moyennes se trouvaient à des altitudes inférieures
mésosphère supérieure. Pendant les autres saisons, les distri-
à 9 km, du fait que les profils verticaux de température obtenus
butions sont pratiquement normales. Les dates d’observation
à ces altitudes n’étaient pas trés différents de ceux correspon-
dans l’hémisphère Sud ont été décalées de six mois, pour se
dant aux conditions saisonnières moyennes aux latitudes 60 et
conformer aux saisons dans l’hémisphère Nord.
80° N. Les dates et les emplacements des sondages effectués
pour l’établissement des modèles chauds et froids sont indi-
qués au tableau 20. En raison de la dispersion des résultats
au-dessus de 30 km d’altitude dans les régions arctiques et
3.3 Régimes stratosphérique et mésosphérique
subarctiques, les fréquences d’apparition des modéles chauds
chauds et froids pour 60 et 80° N
et froids aux divers emplacements constituent des estimations
en décembre-janvier
approximatives.
Dans les régions arctiques et subarctiques, de brusques
réchauffements et refroidissements de la stratosphére et de la
mésosphère en hiver, provoquent d’importantes modifications
de la structure verticale de l’atmosphère. Le module et l’altitude 4 Variations dans le temps et dang l’espace
de la variation maximale de température pendant les plus
importants réchauffements et refroidissements varient considé-
rablement. Certaines des modifications les plus importantes ont 4.1 Variations saisonnières et latitudinales
été observées dans la stratosphère supérieure. La distribution
des températures dans cette zone, en hiver, est bimodale, et les
Les températures mensuelles moyennes maximales et minima-
températures sont généralement bien plus basses ou bien plus les entre la surface du sol et 80 km d’altitude ne se présentent
élevées que la moyenne saisonniere. Par exemple, les tempéra-
pas à toutes les latitudes et altitudes, durant le même mois ou la
tures relevées à 35 km d’altitude varient de 75 K en hiver, et de
même saison. En conséquence, les températures indiquées au
20 K en été. En conséquence, les modéles atmosphériques tableau 21 pour les atmosphéres de référence, en décembre-
moyens, mensuels ou saisonniers pour les mois d’hiver ont une
janvier et en juin-juillet, pour les latitudes 30, 45, 60 et 80° N ne
valeur limitée pour spécifier les températures dans les régions représentent pas les températures saisonnières extrêmes à tou-
arctiques et subarctiques, du fait que les variations de tempéra- tes les altitudes. Elles fournissent néanmoins une bonne indica-
ture d’un jour à l’autre, à différentes altitudes dans la strato-
tion de l’importance de la variation de la température en fonc-
sphère sont aussi importantes, ou plus importantes, que les
tion des saisons et des latitudes à prévoir aux altitudes compri-
variations saisonnières ou latitudinales. ses entre la surface du sol et 80 km.
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Cependant, les masses volumiques et les pressions saisonniè- ses entre 65 et 75 km, la variabilité étant plus élevée aux hautes
res moyennes maximales et minimales entre la surface du sol et
latitudes.
80 km d’altitude se rencontrent généralement pendant les
périodes juin-juillet et décembre-janvier, respectivement pour
4.2 Variations longitudinales
les latitudes comprises entre 30 et 80’ N (tableau 22).
En été, les variations longitudinales dans la structure de I’atmo-
Aux endroits situés entre 30 et 80° N, les températures men-
sphère sont relativement faibles, sous toutes les latitudes, com-
suelles moyennes maximales, aux altitudes inférieures à 25 km,
parativement aux variations dues aux saisons et aux latitudes,
se rencontrent généralement en juin ou juillet et les températu-
pour des altitudes inférieures ou égales à 80 km. Les isother-
res minimales, en décembre ou janvier. Cependant, dans la
mes et courbes de niveau des diagrammes à pression constante
stratosphère supérieure, des cycles semi-annuels et biennaux
dans la stratosphère et la mésosphère sont parallèles aux cer-
compliquent le cycle annuel de température. L’amplitude du
cles de latitude et le modèle de circulation associé est symétri-
cycle annuel est plus grande au voisinage des pôles et décroît
que par rapport aux pôles. Durant l’hiver, les variations longitu-
en direction de l’équateur. Les cycles semi-annuels et biennaux
dinales restent faibles aux basses latitudes, mais deviennent
sont plus prononcés près de l’équateur et décroissent en direc-
aussi importantes que les variations en fonction des latitudes et
tion des pôles. Les phases, ainsi que les amplitudes de ces
des saisons dans les régions arctiques et subarctiquesW
oscillations de température, varient avec la latitude et l’altitude.
Aux latitudes moyennes et élevées, les cycles annuels et semi-
Aux latitudes comprises entre 60 et 80° N, les variations longi-
annuels tendent à faire disparaître les oscillations biennales.
tudinales dans les altitudes moyennes mensuelles des surfaces
de pression, dans la mésosphère inférieure, sont supérieures à
Les observations montrent que les oscillations semi-annuelles
2 500 m, les températures moyennes mensuelles varient de 15 à
produisent deux maxima et minima prononcés, à l’intérieur du
20 K aux altitudes comprises entre 20 et 35 km, cependant que
cycle annuel de températures stratosphériques dans les régi.ons
les masses volumiques moyennes mensuelles varient de 15 à
tropicales et subtropicales. Au nord de 25O de latitude, la com-
20% aux altitudes comprises entre 40 et 60 kmW Ces diffé-
binaison des composantes annuelle et semi-annuelle déplace
rences montrent l’asymétrie longitudinale du modèle de circula-
parfois la période des températures maximales dans la strato-
tion en hiver, aux hautes latitudes. L’anticyclone des Aléoutien-
sphère supérieure, au début de juin ou de mai, et celle des tem-
nes et le déplacement de loi polaire en direction du continent
pératures minimales, au début de décembre ou de novembre.
eurasien sont d’importantes caractéristiques des modèles de
Cependant, dans les cas où les températures stratosphériques
circulation moyens mensuels jusqu’à au moins 80 km d’alti-
mensuelles moyennes maximales se présentent en mai plutôt
tude, durant l’hiver dans I’hémisp.hère Nord[151-
qu’en juin ou juillet, et où les températures minimales se pré-
sentent en novembre plutôt qu’en décembre ou janvier, les dif-
5 Fréquence de distributions des relevés
férences entre les températures relevées en mai et juin et celles
relevées en novembre et décembre ne dépassent pas quelques de température et de masse volumique
degrés. Dans la mésosphère, aux altitudes supérieures à 60 - 65
km, les températures mensuelles moyennes maximales se ren- Les distributions des températures et masses volumiques rele-
vées autour des valeurs moyennes*) pour décembre-janvier et
contrent généralement en décembre ou janvier, et les tempéra-
juin-juillet sous 30, 45, 60 et 80° N et les moyennes annuelles
tures minimales, en juin ou juillet. Une exception se produit à
sous 15O de latitude sont représentées respectivement aux
Heiss Island, où les températures maximales sont observées fin
tableaux 21 et 22, pour des altitudes inférieures ou égales à
novembre et début décembre.
80 km. Les valeurs moyennes, élevées et faibles, qui sont éga-
les ou supérieures dans 1, 10 et 20% des cas, sont données
La distribution verticale des masses volumiques est représentée
avec des accroissements d’altitude de 5 km. Les masses volu-
à la figure 4, pour l’atmosphère moyenne annuelle sous la lati-
miques sont données en pourcentage des masses volumiques
tude de 15O, et pour les atmosphères en décembre-janvier et
juin-juillet sous 30, 45, 60 et 80° N, exprimée sous la forme normalisées ISO. Les distributions pour des altitudes inférieures
à 30 km ont été établies d’après des observations par radioson-
d’écart, en pourcents, par rapport aux masses volumiques nor-
malisées ISO. Les masses volumiques mensuelles moyennes des, effectuées dans l’hémisphère Nord, pour des altitudes
d’aprés des observations météorologiques et
maximales aux altitudes comprises entre 10 et 80 km et entre supérieures,
les latitudes 30 et 80° N, se rencontrent en juin ou juillet, et les par fusées expérimentales aux endroits mentionnés aux
valeurs minimales, en décembre ou janvier. À proximité du sol, tableaux 17 et 18.
les pressions sont généralement plus élevées en hiver et plus
basses en été. Les données ne sont fournies que pour des altitudes inférieures
ou égales à 50 km sous 15O de latitude, du fait que les observa-
L’altitude de variation saisonnière minimale de masse volumi- tions sont insuffisantes pour établir les distributions de tempé-
que, au voisinage de 8 km, représente le premier niveau isopyc- rature et de masse volumique au-delà de 50 km dans les zones
tropicales. L’exactitude des distributions décroît rapidement
nique, où la masse volumique reste sensiblement constante
tout au long de l’année, quelle que soit la situation géographi- au-delà de 50 km d’altitude, du fait que les données.sont relati-
vement clairsemées et que les erreurs dues aux instruments de
que. Les altitudes où la variation saisonnière et latitudinale de
masse volumique et de pression est la plus élevée, sont compri- mesure sont relativement importantes.
“1 La valeur moyenne est le pourcentile de 50%.
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6 Tableaux des caractéristiques des atmosphères de référence
NOTE - Unnombredeunoudedeuxchiffres(précédédusigne+ou
-), placé à la suitede chaquevaleurde pression et de massevolumique,indi-
que la puissance de 10 qui doit multiplier toutes ces valeurs.
Tableau 3 - Valeurs moyennes annuelles des caractéristiques sous 15O de latitude
h H T t
P Q
m
m K OC hPa, mbar kgmmD3
2650 1,013 250 03 1,177 987 00
0 0 299,650
looo 998 293,665 21,52 9,032 869 02 1,071 548 00
8,033 849 02 9,728 581 -01
2000 1995 287,682 1453
7,132 021 02 8,759 075 -01
3000 2992 283,656 1050
3988 276,979 563 6,316 301 02 7944263 -01
4000
4984 270,304 -1,15 5,577 544 02 7,188 330 -01
5000
6000 5980 263,632 - 9,52 4,910 097 02 6488298 -01
7000 6 976 256,961 -16,19 4,308 599 02 5,841 269 -01
8000 7 971 250,292 -22,86 3,767 974 02 5,244 434 -01
-01
go00 8966 243,626 - 29,52 3,283 418 02 4695060
-01
10 ooo 9961 236,961 -36,19 2,850 398 02 4,190 503
12000 11 949 223,639 - 49,51 2,122 104 02 3305654 -01
-01
14000 13 937 210,325 -62,82 1,551 827 02 2,570 343
15923 197,019 -76,13 1,112 046 02 1,966 313 -01
16000
18000 17907 198,779 -74,37 7,8
...
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