Interactive Atmosphere Simulator

Mit diesem interaktiven JAVA Applet, können Sie die Atmosphärenveränderungen ( Druck, Temperatur und Dichte) in Abhängigkeit der Höhe darstellen.
Das Programm benutzt das U.S. Standard Atmosphären Modell für die Erde und den Mars, das auf Meßdaten beruht und als Referenz für die Raumfahrt dient. 

Da die Atmosphäre ein dynamisches System darstellt, können die tatsächlichen Daten, insbesondere in großen Höhen, je nach Tages- und Jahreszeit, Ort auf der Erde und Sonnenaktivität erheblich von diesen Tabellen abweichen. Für genaue Berechnungen werden deshalb relativ komplexe „Modellatmosphären“ zugrunde gelegt. Für einfache Berechnungen und erste Abschätzungen haben sich folgende Faustformeln für die Ermittlung der beiden wichtigsten Atmosphärenkenngrößen, Druck (p) und Dichte (r), bewährt.

Das Temperaturprofil der Atmosphäre

Der typische vertikale Aufbau der Atmosphäre hat einen wesentlichen Einfluß darauf, wie Wetter- und Klimaprozesse ablaufen. Die Wettervorgänge wie Wolkenbildung und Niederschlag, auf- und absteigende Luft usw. spielen sich im untersten Stockwerk der Atmosphäre, der Troposphäre, ab. Der Grund liegt in dem Temperatur-Profil der beiden unteren Schichten der Atmosphäre. In der Troposphäre nimmt die Temperatur vom Erdboden bis zur Tropopause, der Obergrenze der Troposphäre, von im Mittel 15°C auf -50°C ab. Die Tropopause liegt bei ca. 7 km am Pol und 17 km am Äquator. Die Temperaturabnahme mit der Höhe ist darin begründet, daß die Troposphäre primär von unten erwärmt wird. Die kurzwellige Sonnenstrahlung dringt weitgehend ungehindert durch die Atmosphäre hindurch und wird vom Erdboden absorbiert, der dann langwellige Wärmestrahlen emittiert, die die Troposphäre erwärmen. In der Stratosphäre nimmt die Temperatur wieder zu, da sie nicht mehr primär von unten, sondern von oben erwärmt wird. Die Sonnenstrahlen im UV-Bereich werden in der Stratosphäre von dem hier konzentrierten Ozon absorbiert, was zu einem Temperaturanstieg von -50°C an der Untergrenze zur Troposphäre auf etwa 0°C in 50 km Höhe führt. Die gegenüber der oberen Troposphäre höheren Temperaturen in der Stratosphäre begrenzen vertikale Luftbewegungen und damit das Wettergeschehen auf die Troposphäre. Ohne die Stratosphäre könnten z.B. tropische Gewitterwolken in 20 bis 30 km Höhe aufsteigen und aufgrund der längeren Fallhöhe Hagel-Niederschläge mit 10 und mehr cm Durchmesser produzieren. In der über der Stratosphäre liegenden Mesosphäre nimmt die Temperatur auf -100°C in 90 km Höhe wieder ab, da hier das Ozon fehlt. Die Mesosphäre hat aber keine nennenswerte Bedeutung mehr für Wetter und Klima.

NASA Originaltext:

The pressure, temperature, and density of the atmosphere constantly change. At any one time there are great variations in the properties of the atmosphere, depending on location around the planet and height above the surface of the planet. The mathematical models used in this simulator show an average variation of properties of the atmosphere at various heights, but not at various locations. The simulator will not predict the temperature or pressure at any single location at any time. But it will help us understand the relations among the values of a given variable at different heights. The simulator can also demonstrate the relative magnitude of the variables on the Earth and Mars.

The simulator is divided into three main sections:

1. On the left is the graphic showing the altitude of interest. You can set the altitude by clicking on the airplane image, holding the mouse button down, and moving the airplane to a new location.

2. At the upper right are the input selection buttons and text fields. You can choose to look at airplanes on Earth or Mars, and you can display the input and output in either English or metric units. You can also input desired values of altitude and velocity using the white input boxes. Simply backspace over the current value, enter a new value, then hit Enter to send the value to the program.

3. The lower right portion of the simulator provides output information. You can display either the temperature, pressure, density, speed of sound, lift ratio, or Mach number in the output box. Output gauges also display the temperature and pressure. The speed of sound depends on the type of gas in the atmosphere (nitrogen and oxygen for the Earth and carbon dioxide for Mars) and on the square root of the temperature of the gas. You can also make a comparison of the lift generated by an aircraft at two altitudes. The lift ratio displayed here compares the lift generated by a given aircraft design, at the specified velocity, at the selected altitude (and planet) to the lift generated by the same aircraft, at the same velocity, at sea level on the Earth. And finally, you can compare the Mach number of an aircraft at two altitudes or on different planets. The Mach number is computed at the specified altitude and velocity. Since the speed of sound depends on the temperature and the gas, you will note some important differences in Mach number. As the Mach number gets closer to (or exceeds) one, compressibility effects, like shock waves and wave drag, become more important to the aircraft.