Khí quyển chuẩn quốc tế (ISA) là một bảng số quy ước mô tả một bầu khí quyển "trung bình" không có thật: ở mực nước biển nhiệt độ 15 °C, áp suất 1013,25 hPa, mật độ 1,225 kg/m³, rồi nhiệt độ giảm đều 6,5 °C mỗi km tới độ cao 11 km và đứng yên ở −56,5 °C phía trên. Bảng này được Tổ chức Hàng không Dân dụng Quốc tế (ICAO) và Tổ chức Tiêu chuẩn hoá Quốc tế (ISO) công bố, để mọi đồng hồ đo độ cao, mọi bảng tính năng máy bay và mọi phép thử động cơ trên thế giới nói cùng một ngôn ngữ.
Vì sao cần một khí quyển "giả"
Khí quyển thật thay đổi theo từng nơi, từng ngày, từng mùa. Áp suất ở mực nước biển có ngày 995 hPa, có ngày 1030 hPa; nhiệt độ ở 10 km trên Hà Nội khác trên Oslo. Nếu mỗi nhà sản xuất máy bay, mỗi hãng hàng không đo tính năng trong điều kiện riêng của mình, sẽ không thể so sánh hay kiểm tra lẫn nhau.
Giải pháp là chọn một bầu khí quyển tham chiếu duy nhất, đủ gần trung bình thực tế ở vĩ độ trung bình, và quy mọi thứ về đó. Động cơ được thử ở điều kiện thật rồi hiệu chỉnh về ISA. Sổ tay bay ghi quãng đường cất cánh "ở ISA" và bảng điều chỉnh khi trời nóng hơn hay lạnh hơn ISA. Đồng hồ đo độ cao được chế tạo dựa trên quan hệ áp suất – độ cao của ISA.
Lịch sử ngắn
- Thập niên 1920: Mỹ và một số nước châu Âu có các bảng khí quyển chuẩn riêng phục vụ hàng không mới phát triển.
- 1952: ICAO công bố khí quyển chuẩn ICAO.
- 1964: ICAO ban hành bản mở rộng trong tài liệu Doc 7488; về sau tài liệu này được bổ sung thêm phần tới độ cao lớn hơn.
- 1975: ISO công bố tiêu chuẩn ISO 2533, phần dưới 32 km trùng với bảng của ICAO.
- 1976: Mỹ công bố U.S. Standard Atmosphere 1976, mở rộng tới độ cao 1.000 km, trùng với ISA ở phần dưới.
Các bảng này giống nhau ở phần quan trọng nhất cho hàng không (dưới khoảng 20–32 km), nên trong thực tế người ta hay nói chung là "khí quyển chuẩn".
Các giả định của ISA
ISA coi không khí là khí lý tưởng, khô hoàn toàn (không có hơi nước), thành phần không đổi theo độ cao, và chia khí quyển thành các lớp mà trong mỗi lớp nhiệt độ thay đổi tuyến tính theo độ cao:
| Lớp | Độ cao (km) | Nhiệt độ thay đổi | Nhiệt độ ở đáy lớp |
|---|---|---|---|
| Tầng đối lưu | 0 – 11 | Giảm 6,5 °C mỗi km | 15 °C |
| Đáy tầng bình lưu | 11 – 20 | Không đổi | −56,5 °C |
| Tầng bình lưu giữa | 20 – 32 | Tăng 1 °C mỗi km | −56,5 °C |
| Tầng bình lưu trên | 32 – 47 | Tăng 2,8 °C mỗi km | −44,5 °C |
| Đỉnh tầng bình lưu | 47 – 51 | Không đổi | −2,5 °C |
Lưu ý: độ cao 11 km cho đỉnh tầng đối lưu là con số trung bình quy ước. Trong thực tế đỉnh tầng đối lưu thấp khoảng 8 km ở vùng cực và cao 16–18 km ở xích đạo.
Bảng số: áp suất, nhiệt độ, mật độ theo độ cao
Một số giá trị tiêu biểu của ISA (làm tròn):
| Độ cao | Nhiệt độ | Áp suất | Mật độ | So với mực nước biển |
|---|---|---|---|---|
| 0 km | 15,0 °C | 1013,25 hPa | 1,225 kg/m³ | 100% |
| 1 km | 8,5 °C | 899 hPa | 1,112 kg/m³ | khoảng 89% |
| 2 km | 2,0 °C | 795 hPa | 1,007 kg/m³ | khoảng 78% |
| 3 km | −4,5 °C | 701 hPa | 0,909 kg/m³ | khoảng 69% |
| 5 km | −17,5 °C | 540 hPa | 0,736 kg/m³ | khoảng 53% |
| 8 km | −37,0 °C | 357 hPa | 0,526 kg/m³ | khoảng 35% |
| 10 km | −50,0 °C | 264 hPa | 0,414 kg/m³ | khoảng 26% |
| 11 km | −56,5 °C | 226 hPa | 0,364 kg/m³ | khoảng 22% |
| 15 km | −56,5 °C | 120 hPa | 0,194 kg/m³ | khoảng 12% |
| 20 km | −56,5 °C | 55 hPa | 0,089 kg/m³ | khoảng 5% |
Từ bảng thấy ngay một con số quen thuộc: ở khoảng 5,5 km áp suất còn khoảng một nửa, nghĩa là một nửa khối lượng khí quyển nằm dưới độ cao đó. Máy bay chở khách bay ở 10–12 km thì phía dưới đã có khoảng ba phần tư khối lượng khí quyển.
Tốc độ âm thanh cũng đổi theo nhiệt độ: khoảng 340 m/s (1.225 km/h) ở mực nước biển ISA, nhưng chỉ khoảng 295 m/s (1.062 km/h) ở 11 km. Vì vậy cùng một số Mach, máy bay ở trên cao bay chậm hơn tính theo km/h.
ISA trong buồng lái
Đồng hồ đo độ cao thật ra là đồng hồ đo áp suất
Đồng hồ độ cao khí áp trên máy bay đo áp suất bên ngoài rồi tra theo quan hệ của ISA để hiện ra độ cao. Vì áp suất ở mặt đất thay đổi từng ngày, phi công phải chỉnh mốc:
- QNH: áp suất quy về mực nước biển tại sân bay, đặt vào đồng hồ khi bay thấp và gần sân bay, để đồng hồ chỉ độ cao so với mực nước biển.
- Áp suất chuẩn 1013,25 hPa (hay 29,92 inHg): khi lên trên độ cao chuyển tiếp, mọi máy bay đặt cùng mốc này. Độ cao lúc đó gọi là "mực bay" — FL350 nghĩa là 35.000 feet theo áp suất chuẩn.
Mực bay không phải độ cao thật, nhưng vì mọi máy bay cùng dùng một mốc, khoảng cách giữa chúng vẫn được giữ đúng — điều quan trọng nhất cho an toàn.
Ngày nóng, sân bay cao: độ cao mật độ
Cánh và động cơ "cảm nhận" mật độ không khí chứ không phải độ cao trên bản đồ. Ngày nóng hơn ISA, không khí loãng hơn, máy bay hoạt động như đang ở một sân bay cao hơn. Đại lượng này gọi là độ cao mật độ. Ở sân bay vừa cao vừa nóng, máy bay cần đường băng dài hơn và có khi phải giảm tải trọng. Đây là lý do nhiều chuyến bay ở vùng nóng chọn cất cánh vào sáng sớm hoặc ban đêm.
ISA khác khí quyển thật bao nhiêu
ISA là trung bình gần đúng cho vĩ độ trung bình. Ở vùng nhiệt đới như Việt Nam, nhiệt độ mặt đất thường cao hơn 15 °C nhiều, nên các kíp lái ở đây quen với điều kiện "ISA cộng 10, cộng 15".
Một ví dụ thú vị: theo ISA, đỉnh Everest (8.849 m) có áp suất khoảng 314 hPa. Nhưng năm 1981, một đoàn nghiên cứu y học Mỹ đo trên đỉnh được khoảng 253 mmHg, tức khoảng 337 hPa — cao hơn ISA đáng kể. Lý do là Everest nằm ở vĩ độ khoảng 28° Bắc, khí quyển cận nhiệt đới ấm và "phồng" hơn trung bình, nên ở cùng độ cao vẫn còn nhiều không khí hơn. Khác biệt này có ý nghĩa với người leo núi không dùng bình oxy.
Ngoài ISA, giới nghiên cứu còn dùng các mô hình khí quyển tham chiếu phức tạp hơn, như các bảng theo mùa và vĩ độ, hay mô hình NRLMSIS cho tầng cao nơi mật độ phụ thuộc mạnh vào hoạt động Mặt Trời — thứ quyết định quỹ đạo vệ tinh tầng thấp suy giảm nhanh hay chậm.
Góc nhìn hôm nay
ISA là ví dụ điển hình của một quy ước tốt: không đúng với bất kỳ ngày cụ thể nào, nhưng ai cũng dùng nên mọi người hiểu nhau. Nó nhắc rằng nhiều con số "chuẩn" ta học ở trường như 1 atm hay 15 °C là lựa chọn của con người để đo cho thuận tiện.
Người muốn tự tính có thể dùng công thức trong tiêu chuẩn ISO 2533 hoặc bảng U.S. Standard Atmosphere 1976 (NASA công bố bản điện tử miễn phí). Nhiều trang tính trực tuyến cho nhập độ cao để ra áp suất, nhiệt độ, mật độ, tốc độ âm thanh. Một bài tập hay là so con số ISA với số đo thật từ bóng thám không của trạm gần nhà để thấy khí quyển nhiệt đới khác "chuẩn" ra sao.
Câu hỏi thường gặp
Khí quyển chuẩn quốc tế ISA là gì?
ISA là bảng quy ước mô tả nhiệt độ, áp suất và mật độ không khí theo độ cao cho một bầu khí quyển trung bình. Ở mực nước biển là 15 °C, 1013,25 hPa và 1,225 kg/m³. Nó được ICAO và ISO công bố để hàng không và kỹ thuật toàn cầu dùng chung một chuẩn.
Trong ISA nhiệt độ giảm bao nhiêu theo độ cao?
Từ mực nước biển tới 11 km, nhiệt độ giảm 6,5 °C mỗi km, từ 15 °C xuống −56,5 °C. Từ 11 đến 20 km nhiệt độ giữ nguyên −56,5 °C, sau đó tăng dần trong tầng bình lưu. Trong khí quyển thật tốc độ giảm thay đổi tùy độ ẩm và thời tiết.
FL350 nghĩa là gì?
FL350 là mực bay 350, tức độ cao 35.000 feet tính theo áp suất chuẩn 1013,25 hPa. Đó là độ cao áp suất chứ không phải độ cao thật so với mặt biển. Mọi máy bay trên độ cao chuyển tiếp dùng chung mốc này nên khoảng cách giữa chúng được giữ đúng.
Áp suất ở độ cao 10 km là bao nhiêu?
Theo ISA, ở 10 km áp suất khoảng 264 hPa, tức khoảng một phần tư mặt đất, nhiệt độ khoảng −50 °C. Đây là độ cao bay quen thuộc của máy bay chở khách, nên khoang máy bay phải được điều áp.
Vì sao áp suất thật trên Everest cao hơn bảng ISA?
ISA tính cho vĩ độ trung bình, trong khi Everest nằm ở vùng cận nhiệt đới nơi khí quyển ấm và dày hơn. Số đo năm 1981 trên đỉnh cho khoảng 337 hPa, cao hơn mức khoảng 314 hPa của ISA. Áp suất trên đỉnh còn thay đổi theo mùa, cao hơn vào mùa hè.
