האטמוספירה

אוויר הוא תערובת הגזים היוצרים את האטמוספרה. האוויר מורכב בעיקרו מחנקן (78%) ומחמצן (21%), וממעט מאוד גזים נוספים כמו פחמן דו חמצני, אוזון, וכד' (כ1%). כתלות בתנאי הסביבה, מים יכולים להוות בין 0% ל 7% מיחידת נפח האוויר.

האויר הוא פלואיד (או בעברית זורם), ומכניקת זורמים היא ענף הקשור קשר הדוק לאווירודינמיקה והיא בעצם התורה העוסקת בדינמיקה של פלואידים. לפלואיד אנו יכולים להתייחס כאוסף גדול של מולקולות שאינן מחוברות אחת לשנייה, או לחלקיקים קטנים מאוד וקלים מאוד, אך מאוד דומים בהתנהגות שלהם לנוזל. בדומה לנוזל בתוך קערה גדולה, גם האוויר תמיד ישאף להתפשט ולהגיע למקומות אליו הוא יכול להגיע, יתערבל במידה ונפעיל כוחות בתוכו, וכאשר נפסיק להפעיל עליו כוחות יהפוך להיות יציב ורגוע.

​

כוח המשיכה של כדור הארץ מושך את האטמוספירה כלפי הקרקע. "עמוד האוויר" מעל כל נקודה במרחב מפעיל לחץ על הנקודה והסביבה שלה, כאשר ככל שאנו עולים בגובה, גובה "עמוד האוויר" קטן ולכן הלחץ האטמוספרי קטן.

נהוג למדוד את הלחץ האטמוספרי ביחידות גובה של מילימטר/ אינץ' כספית (mmHg או inHg בהתאמה), או ביחידות של מיליבר שהיא יחידה בינלאומית ללחץ (במושגים של כוח, 100,000 ניוטון למטר רבוע).

מדידת הלחץ ביחידות גובה (h) נובעת מניסוי שביצע מדען בשם אוונגליסטה טוריצ'לי בשנת 1643. טוריצ'לי הפך גליל סגור המלא בכספית אל תוך קערה מלאה בכספית, כך שנוצר ואקום בחלק העליון (שרטוט 12).
איזון הכוחות בין הואקום המושך את הנוזל לכוח הכבידה הפועל על פני הנוזל מייצר גובה עמוד כספית התלוי בלחץ החיצוני, אותו מודדים במילימטרים או באינצ'ים.

שרטוט 12: לחץ ברומטרי ומד לחץ כספית

אטמוספירה היא שכבת הגזים המקיפה גוף שמימי (כוכב, אסטרואיד וכדומה).

האטמוספירה של כדור הארץ ייחודית ומשתנה לאורך השנים כתוצאה מתופעות שונות המתרחשות בה. לאטמוספירה שכבות שונות הנבדלות ביניהן בגובה, באופן שינוי הטמפרטורה עם הגובה, בהרכב הגזים (האוזון לדוגמא, נמצא בסטרטוספירה), ובתופעות המטאורולוגיות. כלל התופעות המטאורולוגיות שאנו מכירים (גשם, רוח, עננים וכו') נמצאות בטרופופאוזה, שהיא השכבה הראשונה של האטמוספירה.

שרטוט 13: האטמוספירה של כדור הארץ

באטמוספירה תופעות רבות המשפיעות על הטמפרטורה, הלחץ וצמיגות האוויר בכל רגע נתון. לדוגמא, קרינת השמש חודרת את האטמוספירה ומחממת את הקרקע, הקרקע המתחממת מחממת את האוויר, עם העלייה בטמפרטורה כמות מולקולות האוויר ליחידת נפח יורדת ולכן הלחץ האטמוספרי יורד. הטמפרטורה והלחץ משתנים עם הגובה, העונה ולפי הרכב פני הקרקע (ים או יבשה, יער או אזור עירוני וכו'). מאחר וישנם שינויים רבים באטמוספירה במהלך היממה ולאורך השנה, נקבע מודל אטמוספרי קבוע וסטנדרטי בעל טמפרטורות, לחץ, צפיפות וצמיגות אוויר ידועים מראש, כשמטרתו להיות נקודת ייחוס לתכנון ולמערכות שונות. (שם המודל – ISA International Standard Atmosphere).

תקן ISA גדול ומקיף וכולל טבלאות ומשוואות רבות. עבורנו ISA הוא מודל אטמוספרי המגדיר את שינוי הלחץ, הטמפרטורה וצפיפות האוויר עם העלייה בגובה, ואת הנתונים בגובה פני הים. חשוב לזכור את הנתונים הבאים:

טמפ' חיצונית בגובה פני הים – +15°C.

לחץ ברומטרי בגובה פני הים – 1013.25 מיליבר (משתמשים ב-1013) או 29.92 אינץ' כספית.

שינוי לחץ עם העלייה בגובה – ירידה של mb1 לכל 30 רגל (או 0.033 אינץ' כספית).
שינוי טמפרטורה עם העלייה בגובה – ירידה של C°2 לכל 1000'.

במקרים רבים יתייחסו בספרות הכתובה (ובשאלות בבחינה) לטמפרטורה ולחץ ביחס לISA.

דוגמה א'
הטמפרטורה החיצונית היא ISA+2 בגובה פני הים. מה יקריא מד הטמפרטורה החיצונית של כלי הטיס בגובה 3000' מעל פני הים?

ראשית, נחשב את הטמפרטורה בגובה פני הים.
הטמפרטורה החיצונית בISA היא +15°C , ומאחר והטמפרטורה היא ISA + 2 הטמפרטורה תהיה +17°C.

השלב השני יהיה חישוב הטמפרטורה בגובה 3000'.
מפל הטמפרטורה הוא ירידה של ירידה של C°2 לכל 1000' ולכן כאשר נטפס ל3000' הטמפ' תרד ב +6°C.

כלומר, הטמפרטורה בגובה גובה 3000' תהיה +11°C.

דוגמה ב'
הלחץ בגובה פני הים סטנדרטי. מה יהיה הלחץ במיליבר בגובה 3000' מעל פני הים?

הלחץ בגובה פני הים הוא לפי אטמוספירה סטנדרטית ("לחץ סטנדרטי") ולכן הוא 1013mb.
מפל הלחץ הוא 1mb לכל 30', ההפרש בגובה הוא 3000', ולכן הפרש הלחץ הוא 100mb.

כלומר, בגובה 3000' הלחץ יהיה 913mb (על פי החישוב: 1013mb – 100mb = 913mb).

גובה הצפיפות הוא הגובה בו לחץ האוויר אחיד ("צפיפות האוויר"). כלומר, אם אנו טסים בגובה צפיפות של 9,000' אז לפי ISA אנו טסים בגובה בו הלחץ אחיד והוא 713mb. בפועל הלחץ אינו אחיד בכל האזורים ובאזורים מסוימים הלחץ יכול לעלות (ואז לדוגמא, 713mb יהיה בגובה אמיתי של 9400' ) או לרדת (ואז לדוגמא, 713mb יהיה בגובה אמיתי של 8800'), אך עדיין גובה הצפיפות ישאר אחיד.

גובה לחץ הוא גובה הצפיפות בתנאי ISA.

קוד Q הוא קוד בינלאומי המורכב מכינויים באנגלית, בני שלוש אותיות המתחילים באות Q. הקוד נוצר לשימוש בשנת 1909 ע"י הממשלה הבריטית כדי לפשט את תקשורת בעזרת טלגרף ושפת מורס, ונותר בשימוש עד היום (באופן חלקי מאוד) באוויר, בים ובשידורי רדיו.

בתעופה עלינו להכיר שלושה מושגים הנוגעים ללחץ ברומטרי ורלוונטים לפעילות שלנו:

QNH – הלחץ הברומטרי בשדה התעופה, מתוקן לגובה פני הים לפי תנאי אטמוספירה סטנדרטית.
QNE – הלחץ הברומטרי בגובה פני הים, לפי אטמוספירה סטנדרטית.

QFE – הלחץ הברומטרי השורר בשדה התעופה.

​

שרטוט 14: קודי Q בתעופה

​

אפשר לראות בשרטוט 14 את הנקודה בה נמדד הלחץ לכל קוד Q, ואת הגובה לפי אותו לחץ.
כלי הטיס המשתמשים במד גובה ברומטרי משתמשים בגבהים הללו כדי לקבוע את הגובה במד הגובה.

דוגמאות לשימוש היומיומי:
כלי טיס שממריא משדה תעופה יקבל אישור מהמגדל להמריא ולטפס לגובה 1500' QNH.

שני מטוסי נוסעים שטסים מעל האוקיינוס טסים באזור לא מבוקר (ללא הנחיות מיחידת פיקוח), בכיוונים מנוגדים ובגבהים אי זוגיים + 500' בטיסה מזרחה, ובגבהים זוגיים + '500 בטיסה מערבה. שני כלי הטיס טסים לפי QNE כדי לוודא ששניהם שומרים על הפרדת גבהים.

בדאונים, לעיתים משתמשים בQFE כדי שלטייס הדאון יהיה קל להבחין מתי הוא מתקרב לגובה הקרקע.

מטיסי כטב"מ משתמשים בקודים הללו במידה ומדובר בכלי טיס גדולים הטסים בתשתית אזרחית, או כלי טיס בקשר עין, כאשר נדרש לתאם עם כלי טיס אחרים במרחב.

​

• מהו הרכב האוויר?
• מה אחוז המים באוויר?
• מהו לחץ ברומטרי?
• באילו יחידות נהוג למדוד לחץ ברומטרי?
• מהי השכבה הראשונה (הנמוכה) באטמוספירה?
• מהי אטמוספירה סטנדרטית?
• מה הטמפרטורה בגובה פני הים באטמוספרה סטנדרטית?
• מה הלחץ הברומטרי בגובה פני הים באטמוספרה סטנדרטית?
• כיצד משתנה הלחץ הברומטרי עם העלייה בגובה באטמוספרה סטנדרטית?
• כיצד משתנה הטמפרטורה עם העלייה בגובה באטמוספרה סטנדרטית?
• הטמפרטורה החיצונית היא ISA – 3. מה הטמפרטורה בגובה 5,000'?
• הלחץ בגובה פני הים סטנדרטי. מה יהיה הלחץ במיליבר בגובה 2,000'?
• הלחץ בגובה פני הים 1035mb. מה יהיה הלחץ במיליבר בגובה 2,500'?
• הטמפרטורה בגובה 3000' היא +15°C. מה ההפרש מהטמפרטורה הסטנדרטית?
• מהו גובה לחץ?
• מהו גובה הצפיפות?
• אם הטמפרטורה עלתה בשדה התעופה, מה קרה לגובה הצפיפות?
• מהו QNH?
• מהו QNE?
• מהו QFE?
• אני טס לפי QNH של 1005mb, ומד הגובה שלי מראה לחץ של 975mb, מה גובה הטיסה?

​