국제 표준 대기

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1. 개요
2. 정의 및 설명
3. 국제표준대기 (ISA) 모델
- 3.1. 주요 층별 특징
- 3.2. ISA 표 (1976)
4. 비표준 조건에서의 활용
5. ICAO 표준 대기
6. 기타 표준 대기
참조

1. 개요

국제 표준 대기(ISA)는 수학 모델을 사용하여 대기를 고도에 따라 여러 층으로 나누어 절대 온도, 압력, 밀도를 정의하는 모델이다. ISA는 ISO의 기술 위원회에 의해 결정된 중위도에서의 평균 조건을 기반으로 하며, 항공기 및 엔진 성능 계산과 테스트에 활용된다. ICAO 표준 대기는 ISA 모델을 기반으로 하며 고도 범위를 확장했으며, 미국 표준 대기, 세계 기상 기구 표준 대기 등 다양한 표준 대기가 존재한다.

2. 정의 및 설명

ISA는 수학 모델을 사용하여 대기를 지상 위치에 따른 절대 온도 ''T''의 선형 분포를 가정하여 층으로 나눈다.^[2] 다른 두 값(압력 ''P'' 및 밀도 ''ρ'')은 다음 연립 방정식을 통해 계산된다.

유체 정역학 평형으로 인한 수직 압력 기울기는 지상 위치에 따른 압력 변화율과 관련이 있다.

::

\frac{dP}{dh} = - \rho g

이상 기체 법칙을 몰 형태로 표현한 것으로, 압력, 밀도, 온도를 관련시킨다.

::

\ P = \rho R_{\rm specific}T

여기서 ''g''는 표준 중력 표준 중력이고, ''R''_specific은 건조 공기의 비열 기체 상수(287.0528J⋅kg⁻¹⋅K⁻¹)이다. 해는 기압 공식으로 주어진다.

압력을 계산하려면 공기 밀도를 계산해야 하며, 이는 이동하는 차량의 동압을 계산하는 데 사용된다. 동점성은 온도의 경험적 함수이며, 동점성은 밀도로 동점성을 나누어 계산한다.

따라서 표준은 다양한 고도에서의 값 표와 해당 값을 도출하는 몇 가지 공식으로 구성된다. 지구에서 가장 낮은 지점을 수용하기 위해, 모델은 610m의 기준 지상 고도에서 시작하며, 표준 온도는 19 °C로 설정된다. 킬로미터당 -6.5 °C의 온도 온도 감률(약 -2°C/1,000 ft)를 사용하여, 표는 15°C 온도, 101325Pa(1 atm) 압력, 의 밀도의 표준 해수면 값으로 보간된다. 대류권 표는 온도가 로 떨어지고, 압력이 22632Pa로 떨어지고, 밀도가 0.3639kg/m3로 떨어지는 11000m까지 이어집니다. 11 km와 20 km 사이에서 온도는 일정하게 유지된다.^[3]^[4]

ISA 표준 대기 1976의 층
층	레벨 이름	기준 지상 고도 MSL 위^[9] h (m)	기준 기하학적 고도 MSL 위^[9] z (m)	온도 감률 (°C/km)	기준 온도 T (°C[K])	기준 대기 압력 p (Pa)	기준 대기 밀도 ρ (kg/m³)
0	대류권	0	0	-6.5	+15.0 (288.15)	101,325	1.225
1	권계면	11,000	11,019	0.0	-56.5 (216.65)	22632	0.3639
2	성층권	20,000	20,063	+1.0	-56.5 (216.65)	5474.9	0.0880
3	성층권	32,000	32,162	+2.8	-44.5 (228.65)	868.02	0.0132
4	성층권계면	47,000	47,350	0.0	-2.5 (270.65)	110.91	0.0014
5	중간권	51,000	51,412	-2.8	-2.5 (270.65)	66.939	0.0009
6	중간권	71,000	71,802	-2.0	-58.5 (214.65)	3.9564	0.0001
7	중간권계면	86,000	84,852	—	-86.204 (186.946)	0	0

: 온도 감률은 킬로미터당 "지상 위치(양의 온도 감률(λ > 0)은 높이에 따라 온도가 증가함을 의미함)"로 주어진다.

위 표에서, ''지상 고도''는 높이에 따른 중력의 변화를 포함하도록 고도를 조정한 수학 모델로부터 계산되며, ''기하학적 고도''는 평균 해수면(MSL) 위의 표준 직접 수직 거리이다.^[2]

두 고도를 관련짓는 방정식은 다음과 같다(여기서 ''z''는 기하학적 고도, ''h''는 지상 고도, ''r''₀ = 6,356,766 m).

::

\ z = \frac{r_{0} h}{r_{0} - h}

표에 인용된 온도 감률은 기하학적 고도가 아닌 지상 고도의 킬로미터당 °C로 제공된다.

ISA 모델은 ISO의 TC 20/SC 6 기술 위원회에 의해 결정된 중위도에서의 평균 조건을 기반으로 한다. 20세기 중반 이후로 수시로 개정되었다.

3. 국제표준대기 (ISA) 모델

ISA 모델은 국제 표준화 기구(ISO)의 TC 20/SC 6 기술 위원회에서 중위도의 평균 조건을 바탕으로 정한 대기 모델이다. 이 모델은 20세기 중반 이후 여러 차례 수정되었다.^[3]^[4]

ISA는 수학 모델을 사용하여 대기를 지상 고도에 따른 절대 온도(''T'')의 선형 분포를 가정하여 여러 층으로 나눈다.^[2] 압력(''P'')과 밀도(''ρ'')는 다음 두 연립 방정식을 통해 계산된다.

유체 정역학 평형으로 인한 수직 압력 기울기는 지상 고도에 따른 압력 변화율과 관련이 있다.

::

\frac{dP}{dh} = - \rho g

이상 기체 법칙을 몰 형태로 표현한 것으로, 압력, 밀도, 온도를 관련시킨다.

::

\ P = \rho R_{\rm specific}T

위 식에서 ''g''는 표준 중력이고, ''R''_specific은 건조 공기의 비열 기체 상수(287.0528J⋅kg⁻¹⋅K⁻¹)이다. 이 방정식의 해는 기압 공식으로 주어진다.

공기 밀도는 압력 계산에 필요하며, 이동하는 차량의 동압 계산에도 사용된다. 동점성은 온도의 경험적 함수이며, 동점성은 밀도로 동점성을 나누어 계산한다.

ISA 모델은 다양한 고도에서의 값과 해당 값을 도출하는 공식을 포함한다. 지구에서 가장 낮은 지점을 고려하여, 모델은 해발 -610m에서 시작하며, 이 때 표준 온도는 19°C이다. 이후 킬로미터당 -6.5°C의 온도 감률을 적용하여 표준 해수면 값(온도 15°C, 압력 101325Pa (1 atm), 밀도 )을 얻는다. 대류권은 온도가 , 압력이 22632Pa, 밀도가 0.3639kg/m3가 되는 11000m까지 이어진다. 11km와 20km 사이에서는 온도가 일정하게 유지된다.^[3]^[4]

3. 1. 주요 층별 특징

ISA는 대기를 지상 위치에 따른 절대 온도 ''T''의 선형 분포를 가정하여 층으로 나누며, 각 층의 특징은 다음과 같다.^[2]

ISA 표준 대기 1976의 층
층	레벨 이름	기준 지상 고도 MSL 위^[9] h (m)	기준 기하학적 고도 MSL 위^[9] z (m)	온도 감률 ( °C/km)	기준 온도 T (°C[K])	기준 대기 압력 p (Pa)	기준 대기 밀도 ρ (kg/m³)
0	대류권	0	0	-6.5	+15.0 (288.15)	101,325	1.225
1	권계면	11,000	11,019	0.0	−56.5 (216.65)	22632	0.3639
2	성층권	20,000	20,063	+1.0	−56.5 (216.65)	5474.9	0.0880
3	성층권	32,000	32,162	+2.8	−44.5 (228.65)	868.02	0.0132
4	성층권계면	47,000	47,350	0.0	−2.5 (270.65)	110.91	0.0014
5	중간권	51,000	51,412	-2.8	−2.5 (270.65)	66.939	0.0009
6	중간권	71,000	71,802	-2.0	−58.5 (214.65)	3.9564	0.0001
7	중간권계면	86,000	84,852	—	-86.204 (186.946)	0	0

'''대류권:''' 지표면에서 고도 약 11km까지로, 온도 감률은 -6.5°C/km이다. 즉, 1km 상승할 때마다 온도가 6.5°C씩 감소한다.
'''권계면:''' 고도 약 11km에서 20km 사이로, 온도는 -56.5°C로 일정하게 유지된다.
'''성층권:''' 고도 약 20km에서 32km까지는 온도 감률이 +1.0°C/km, 32km에서 47km까지는 +2.8°C/km로, 고도가 높아질수록 온도가 상승한다.
'''성층권계면:''' 고도 약 47km에서 51km 사이로, 온도는 -2.5°C로 일정하게 유지된다.
'''중간권:''' 고도 약 51km에서 71km까지는 온도 감률이 -2.8°C/km, 71km에서 86km까지는 -2.0°C/km로, 고도가 높아질수록 온도가 다시 감소한다.
'''중간권계면:''' 고도 약 86km 이상으로, 데이터가 부족하여 온도, 압력, 밀도는 0으로 표시된다.

온도 감률은 킬로미터당 "지상 위치(지상고도)"로 주어지며, 양의 온도 감률(λ > 0)은 높이에 따라 온도가 증가함을 의미한다.^[2]

''지상 고도''는 높이에 따른 중력의 변화를 포함하도록 고도를 조정한 수학 모델로부터 계산되며, ''기하학적 고도''는 평균 해수면(MSL) 위의 표준 직접 수직 거리이다.^[2]

3. 2. ISA 표 (1976)

ISA는 수학 모델을 사용하여 대기를 지상 위치에 따른 절대 온도 ''T''의 선형 분포를 가정하여 층으로 나눈다.^[2] 다른 두 값(압력 ''P'' 및 밀도 ''ρ'')은 다음 연립 방정식을 통해 계산된다.

유체 정역학 평형으로 인한 수직 압력 기울기는 지상 위치에 따른 압력 변화율과 관련이 있다.

::

\frac{dP}{dh} = - \rho g

이상 기체 법칙을 몰 형태로 표현한 것으로, 압력, 밀도, 온도를 관련시킨다.

::

\ P = \rho R_{\rm specific}T

여기서 ''g''는 표준 중력이고, ''R''_specific은 건조 공기의 비열 기체 상수(287.0528J⋅kg⁻¹⋅K⁻¹)이다. 해는 기압 공식으로 주어진다.

압력을 계산하려면 공기 밀도를 계산해야 하며, 이는 이동하는 차량의 동압을 계산하는 데 사용된다.

따라서 표준은 다양한 고도에서의 값 표와 해당 값을 도출하는 몇 가지 공식으로 구성된다. 지구에서 가장 낮은 지점을 수용하기 위해, 모델은 기준 지상 고도에서 시작하며, 표준 온도는 19 °C로 설정된다. 킬로미터당 −6.5 °C의 온도 감률을 사용하여, 표는 표준 해수면 값 (온도 15°C, 압력 101325Pa (1 atm), 밀도 )으로 보간된다. 대류권 표는 온도가 로 떨어지고, 압력이 22632Pa로 떨어지고, 밀도가 0.3639kg/m3로 떨어지는 11000m까지 이어진다. 11 km와 20 km 사이에서 온도는 일정하게 유지된다.^[3]^[4]

ISA 표준 대기 1976의 층
층	레벨 이름	기준 지상 고도 MSL 위^[9] h (m)	기준 기하학적 고도 MSL 위^[9] z (m)	온도 감률 ( °C/km)	기준 온도 T (°C[K])	기준 대기 압력 p (Pa)	기준 대기 밀도 ρ (kg/m³)
0	대류권	0	0	-6.5	+15.0 (288.15)	101,325	1.225
1	권계면	11,000	11,019	0.0	−56.5 (216.65)	22632	0.3639
2	성층권	20,000	20,063	+1.0	−56.5 (216.65)	5474.9	0.0880
3	성층권	32,000	32,162	+2.8	−44.5 (228.65)	868.02	0.0132
4	성층권계면	47,000	47,350	0.0	−2.5 (270.65)	110.91	0.0014
5	중간권	51,000	51,412	-2.8	−2.5 (270.65)	66.939	0.0009
6	중간권	71,000	71,802	-2.0	−58.5 (214.65)	3.9564	0.0001
7	중간권계면	86,000	84,852	—	-86.204 (186.946)	0	0

: 온도 감률은 킬로미터당 "지상 위치(양의 온도 감률(λ > 0)은 높이에 따라 온도가 증가함을 의미함)"로 주어진다.

위 표에서, ''지상 고도''는 높이에 따른 중력의 변화를 포함하도록 고도를 조정한 수학 모델로부터 계산되며, ''기하학적 고도''는 평균 해수면 (MSL) 위의 표준 직접 수직 거리이다.^[2]

두 고도를 관련짓는 방정식은 다음과 같다(여기서 z는 ''기하학적 고도'', h는 ''지상 고도'', r₀ = 6,356,766 m in this model):

::

\ z = \frac{r_{0} h}{r_{0} - h}

표에 인용된 온도 감률은 기하학적 고도가 아닌 지상 고도의 킬로미터당 °C로 제공된다.

ISA 모델은 ISO의 TC 20/SC 6 기술 위원회에 의해 결정된 중위도에서의 평균 조건을 기반으로 한다. 20세기 중반 이후로 수시로 개정되었다.

4. 비표준 조건에서의 활용

국제 표준 대기(ISA)는 다양한 고도에서 엔진 및 차량 성능을 계산하고 시험하기 위한 재현 가능한 엔지니어링 참조를 허용하기 위해 가상의 표준 대기를 모델링한다. ISA는 실제 대기 조건(예: 풍속 조건으로 인한 기압 변화)에 대한 엄격한 기상학적 모델을 제공하지 않으며, 습도의 영향도 고려하지 않는다. 공기는 건조하고 깨끗하며 일정한 조성을 갖는다고 가정한다. 습도 효과는 표준 대기 모델에서 압력과 밀도를 얻은 후 공기의 열역학적 상태에 수증기를 추가하여 차량 또는 엔진 분석에서 고려된다.^[5]

비표준(고온 또는 저온) 조건은 고도에서 표준 온도에 지정된 온도 델타를 추가하여 모델링하지만, 압력은 표준 일 값을 사용한다. 밀도와 점성은 이상 기체 상태 방정식을 사용하여 결과 온도와 압력에서 재계산된다. 고온, 저온, 열대 및 극지 온도 프로파일(고도별)은 미국 국방부 MIL-STD-210C 및 후속 MIL-HDBK-310과 같은 성능 참조로 사용하도록 정의되었다.^[5]

5. ICAO 표준 대기

국제 민간 항공 기구(ICAO)는 1993년에 "ICAO 표준 대기"를 Doc 7488-CD로 발행했다. ICAO 표준 대기는 ISA와 동일한 모델이지만, 고도 범위를 80킬로미터(262,500피트)까지 확장했다.^[6] ICAO 표준 대기는 ISA와 마찬가지로 수증기를 포함하지 않는다.

ICAO가 정의한 일부 값은 다음과 같다.

'''ICAO 표준 대기'''
고도 (km & ft)	온도 (°C)	기압 (hPa)	감률 (°C/1000 ft)	감률 (°C/1000 m)
0 km MSL	15.0	1013.25	+1.98 (대류권)	+6.5 (대류권)
11 km 36,000 ft	−56.5	226.00	0.00 (성층권)	0.00 (성층권)
20 km 65,000 ft	−56.5	54.70	-0.3 (성층권)	-0.1 (성층권)
32 km 105,000 ft	−44.5	8.68

항공 표준 및 비행 규칙은 국제 표준 대기를 기반으로 한다. 항공 속도 지시계는 해수면에서 공기 밀도가 1.225kg/m3인 국제 표준 대기에서 작동한다고 가정하여 보정된다.

ICAO 표준 대기의 물리적 특성은 다음과 같다.^[7]

ICAO 표준 대기의 물리적 특성
매개변수	값
밀도	1.225kg/m3
동점성
동점성 계수
몰 부피
분자량	28.966
열전도도
평균 자유 행로	6.6317e-8m
충돌 빈도	6.9204 × 10⁹ s^-1
입자 속도
수 밀도	2.5475 × 10²⁵ m^-3

6. 기타 표준 대기

미국 표준 대기는 광범위한 고도에 걸쳐 대기 온도, 밀도, 기압 및 기타 속성의 값을 정의하는 일련의 모델이다. 기존 국제 표준을 기반으로 한 첫 번째 모델은 1958년 미국 표준 대기 확장 위원회에서 발표되었으며,^[8] 1962년,^[9] 1966년,^[10] 및 1976년에 업데이트되었다.^[11] 미국 표준 대기, 국제 표준 대기 및 세계 기상 기구(WMO) 표준 대기는 고도 32 km까지의 ISO 국제 표준 대기와 동일하다.^[12]^[13]

NRLMSISE-00은 미국 해군 연구소에서 개발한 지상에서 우주까지의 지구 대기에 대한 새로운 모델로, 실제 위성 항력 데이터를 고려한다. 이 모델의 주요 용도는 대기 항력으로 인한 인공위성 궤도 감쇠 예측을 돕는 것이다. COSPAR 국제 참조 대기 (CIRA) 2012 및 ISO 14222 지구 대기 밀도 표준은 모두 조성 사용에 NRLMSISE-00을 권장한다.

JB2008은 미국 공군 우주 사령부와 우주 환경 기술에서 개발한 120 km에서 2000 km까지의 지구 대기에 대한 새로운 모델로, 현실적인 태양 복사 및 지자기 폭풍의 시간 진화를 고려한다.^[14] 이것은 대기 항력으로 인한 인공위성 궤도 감쇠를 계산하는 데 가장 유용하다.

ICAO는 ICAO 표준 대기(Doc 7488-CD)를 1993년에 발행했다. 이는 국제 표준 대기와 동일한 모델을 가지고 있지만, 범위를 고도 80km까지 확장했다.^[16]

표준 상태는 화학 분야에서 사용되는 기체의 온도 및 밀도 모델이다.

참조

_[1] 간행물 Standard Atmosphere http://www.iso.org/i[...] International Organization for Standardization 1975
_[2] 웹사이트 The Standard Atmosphere http://www.atmoscula[...] 2006-01-14
_[3] 웹사이트 Properties of the Atmosphere https://web.archive.[...] 2008-03-13
_[4] 서적 An Introduction to Fluid Dynamics Cambridge Univ. Press 1967
_[5] 웹사이트 Mathworks atmosnonstd http://www.mathworks[...]
_[6] 서적 Manual of the ICAO Standard Atmosphere (extended to 80 kilometres (262 500 feet)) International Civil Aviation Organization
_[7] 서적 Science Data Book Oliver & Boyd
_[8] 문서 U.S. Extension to the ICAO Standard Atmosphere U.S. Government Printing Office 1958
_[9] 문서 U.S. Standard Atmosphere U.S. Government Printing Office 1962
_[10] 문서 U.S. Standard Atmosphere Supplements U.S. Government Printing Office 1966
_[11] 문서 U.S. Standard Atmosphere https://ntrs.nasa.go[...] U.S. Government Printing Office 1976
_[12] 웹사이트 U.S. Standard Atmosphere 1976 http://modelweb.gsfc[...] NASA
_[13] 논문 Relative optical mass functions for air, water vapour, ozone and nitrogen dioxide in atmospheric models presenting different latitudinal and seasonal conditions 1998
_[14] 웹사이트 JB2008 https://web.archive.[...] 2021-08-10
_[15] 간행물 Standard Atmosphere http://www.iso.org/i[...] ISO 1975
_[16] 간행물 Manual of the ICAO Standard Atmosphere (extended to 80 kilometres (262 500 feet)) ICAO

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