nrlmsise00模型计算气体数密度随压强变化的数据的代码

由于代码比较长，我将其分为多个部分进行展示：

第一部分：定义常数和子函数

import numpy as np

# 地球半径
R = 6356.766  # km

# 所需常数
g0 = 9.80665  # m/s^2
M = 28.9644e-3  # kg/mol
R_gas = 8.31432  # N·m/(mol·K)
gamma = 1.4
S = 110.4  # K
beta = 1.458e-6  # kg/(m·s·K^1/2)
S1 = 120  # K
beta1 = 1.523e-5  # kg/(m·s·K^1/2)

# 子函数
def zeta(z):
    return np.sqrt(1 - 0.0065 * z / S)

def Z(z):
    return (1 - 0.0065 * z / S) ** 5.2561

def alpha(z):
    return -0.0065 / S / zeta(z)

def T(z):
    return S + alpha(z) * R * Z(z) / (gamma - 1)

def P(z):
    return 101325 * (1 - 0.0065 * z / S) ** 5.2561

def rho(z):
    return P(z) * M / (R_gas * T(z))

def H(z):
    return R * T(z) / g0 * 1e3  # m

第二部分：定义主函数

def nrlmsise00(z_km, lon_deg, lat_deg, doy, sec):
    """
    计算 NRLMSISE-00 模型下的大气参数

    :param z_km: float, 高度，单位 km
    :param lon_deg: float, 经度，单位 deg
    :param lat_deg: float, 纬度，单位 deg
    :param doy: int, 年积日
    :param sec: float, 秒数
    :return: dict, 包含大气参数的字典
    """
    alt_km = z_km * 1e3 / R  # km -> 地球半径单位

    # 年积日转化为日/年
    d = doy + sec / 86400
    if (d % 1 == 0.5):
        d = (d - 0.5) / 365.25
    else:
        d = (d - 1) / 365.25

    # 经纬度转化为地心坐标系下的地球表面坐标
    lat = np.deg2rad(lat_deg)
    lon = np.deg2rad(lon_deg)
    r = np.sqrt(R ** 2 / (1 - 0.00669437999013 * np.sin(lat) ** 2))
    x = (r + z_km * 1e3) * np.cos(lat) * np.cos(lon)
    y = (r + z_km * 1e3) * np.cos(lat) * np.sin(lon)
    z = (r * (1 - 0.00669437999013) + z_km * 1e3) * np.sin(lat)

    # 计算 NRLMSISE-00 所需的输入参数
    ap = np.zeros(7) + 4  # 磁活动指数
    ap[6] = 999  # F10.7，使用默认值
    flags = np.zeros(24) + 1  # 所有标志位都设置为 1
    if alt_km > 85:
        flags[0] = -1  # 不计算 O2 和 N2 的密度
    else:
        flags[0] = 0
    if alt_km > 500:
        flags[1] = -1  # 不计算 H 和 He 的密度
    else:
        flags[1] = 0

    # 执行 NRLMSISE-00 模型
    output = gtd7.density(d, x, y, z, f107a=150, f107=150, ap=ap, flags=flags)

    # 计算输出结果
    result = {}
    result['alt_km'] = z_km
    result['lon_deg'] = lon_deg
    result['lat_deg'] = lat_deg
    result['doy'] = doy
    result['sec'] = sec
    result['n'] = output.total
    result['nO'] = output.components[0]
    result['nO2'] = output.components[1]
    result['nN2'] = output.components[2]
    result['nHe'] = output.components[3]
    result['nAr'] = output.components[4]
    result['nH'] = output.components[6]
    result['nO_anomalous'] = output.components[7]

    return result

第三部分：计算气体数密度随压强变化的数据

# 计算高度为 400 km 的大气参数
result = nrlmsise00(z_km=400, lon_deg=0, lat_deg=0, doy=1, sec=0)

# 计算气体数密度随压强变化的数据
P_range = np.logspace(-10, 5, num=1000)
n_range = np.array([result['n'] * np.exp(-P / result['n'] / 1.381e-23 / result['T'])
                    for P in P_range])

# 绘制图像
import matplotlib.pyplot as plt

fig, ax = plt.subplots()
ax.semilogx(P_range, n_range)
ax.set_xlabel('Pressure (Pa)')
ax.set_ylabel('Number density (m$^{-3}$)')
ax.set_title('Number density as a function of pressure at 400 km altitude')
plt.show()