科學(xué)解密“流浪氣球”

□文/張旗

氣象探空氣球

2023 年年初，一個(gè)失控的民用航空器受超強(qiáng)西風(fēng)帶的影響，偏離了預(yù)定軌道，進(jìn)入他國(guó)上空。這起事件引起了公眾的極大興趣，并稱呼這一民用航空器為神秘的“流浪氣球”。

那么，它究竟是何方神圣呢？其實(shí)，這個(gè)“流浪氣球”是氣象探空氣球家族的一員——無(wú)人飛艇。氣象探空氣球常被人們誤以為是不明飛行物，但氣象工作者親切地給它取名為“大白”，“勇敢無(wú)畏的高空探險(xiǎn)家”是對(duì)它的高度評(píng)價(jià)。下面，我們就來(lái)了解一下“流浪氣球”的前世今生。

熱氣球的百年歷史

對(duì)高空氣象的探索，向來(lái)是一道科技難題。在過(guò)去數(shù)百萬(wàn)年的歷史中，人類更像是地球表面的二維生物，被地心引力牢牢地束縛在地球表面，羨慕飛鳥，留下許多對(duì)高空的遐想和神話故事。

終于，勤勞智慧的人們用熱氣球打開(kāi)了高空氣象探索的大門。1783 年，在當(dāng)時(shí)世界的科技前沿——法國(guó)巴黎，法國(guó)造紙商孟格菲兄弟發(fā)明了熱氣球。當(dāng)年，他們?yōu)榉▏?guó)國(guó)王路易十六、瑪麗王后和宮廷大臣們進(jìn)行了熱氣球飛行表演，引起了轟動(dòng)。巴黎萬(wàn)人空巷，民眾紛紛抬頭觀望。數(shù)月后，他們改良了熱氣球，并進(jìn)行了首次載人飛行試驗(yàn)。在此次飛行試驗(yàn)中，熱氣球在飛越半個(gè)巴黎城后，穩(wěn)穩(wěn)地降落在了地面。從此，人類終于可以擺脫地面的束縛，向著天空探索，并且越飛越高。

1862 年9 月5 日，英國(guó)氣象學(xué)家詹姆斯·格萊舍和操作員亨利·葛士維駕駛著龐大的熱氣球，冒著生命危險(xiǎn)挑戰(zhàn)人類升空的極限，探索更高層大氣的屬性。美國(guó)影片《熱氣球飛行家》就是一部根據(jù)這一真實(shí)事件改編的電影。

法國(guó)造紙商孟格菲兄弟發(fā)明了熱氣球

日益壯大的氣象氣球家族

隨著制造技術(shù)的進(jìn)步，氣象氣球家族的成員越來(lái)越多，逐漸發(fā)展成為擁有探空氣球、系留氣球、定高氣球、平流層氣球和無(wú)人飛艇等不同功能氣球的大家族。

探空氣球是指把探空儀器帶到高空，進(jìn)行溫度、大氣壓力、濕度、風(fēng)速和風(fēng)向等氣象要素測(cè)量的氣球。探空氣球的起始上升速度必須達(dá)到5～6 米/秒。探空氣球所能達(dá)到的最大高度，即球皮破裂時(shí)的臨界高度，基本上取決于橡膠球皮的質(zhì)量。在其他條件和升速均相同的情況下，球皮越厚，則氣球所能達(dá)到的高度越高。質(zhì)量在1 千克左右的探空氣球，85%以上可到達(dá)30 千米左右的高度。

系留氣球是指用纜繩拴在地面絞車上的氣象氣球。隨著水平風(fēng)速的增大，系留氣球升高的傾斜度加大。因此，大風(fēng)天難以利用系留氣球進(jìn)行觀測(cè)。為了使系留氣球在氣流中具有良好的穩(wěn)定性，氣球形狀有時(shí)被設(shè)計(jì)成流線型。儀器設(shè)備可以直接由氣球攜帶，在升空過(guò)程中進(jìn)行觀測(cè)，也可以吊掛在纜繩的不同高度上進(jìn)行觀測(cè)。系留氣球可以在一段較長(zhǎng)的時(shí)間（幾小時(shí)至幾十小時(shí)）內(nèi)連續(xù)測(cè)量各選定高度上氣象要素的變化，而不像探空氣球只能進(jìn)行一次性測(cè)量。系留氣球探測(cè)特別適用于大氣和環(huán)境監(jiān)測(cè)等民用領(lǐng)域。我國(guó)科學(xué)家在南極、北極和青藏高原上，都用系留氣球進(jìn)行過(guò)相關(guān)的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。

定高氣球是指在大氣中保持在近似固定高度上，平穩(wěn)地隨氣流飄移的自由氣球。定高氣球的壽命取決于氣球的材料和氣球工作的高度。為使球皮具有較強(qiáng)的耐壓性和較好的保氣性，常用聚乙烯薄膜和聚酯薄膜制作，或使用多層塑料薄膜壓制而成的復(fù)合膜?？茖W(xué)家通常采用在氣球下部開(kāi)排氣口的方法，使球皮保持零壓狀態(tài)（球內(nèi)、外氣壓相等），以防止氣球破裂。氣球的充氣量，由需要達(dá)到的平衡高度以及氣球、裝備的總質(zhì)量來(lái)確定。大型定高氣球能攜帶300 個(gè)下投探空儀，根據(jù)來(lái)自氣象衛(wèi)星的指令在指定地區(qū)下投，測(cè)量資料由定高氣球收集后再通過(guò)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)至地面站。這種與衛(wèi)星結(jié)合的定高氣球被稱為“母子定高氣球系統(tǒng)”。定高氣球被廣泛應(yīng)用于測(cè)量氣團(tuán)屬性變化和大氣電學(xué)特性等方面。20 世紀(jì)70 年代，在全球大氣研究計(jì)劃第一次全球試驗(yàn)中，科學(xué)家曾利用大量的定高氣球，在地球赤道和低緯度地區(qū)以及南半球上空進(jìn)行環(huán)球水平大氣探測(cè)。

平流層氣球是指升至平流層高度進(jìn)行探測(cè)的大型氣象氣球。平流層氣球具有10萬(wàn)～30 萬(wàn)立方米或更大的容積，充滿氫氣后可以負(fù)載100～150 千克的儀器，是一種能完成20～40 千米高度或更高的高空探測(cè)任務(wù)的觀測(cè)平臺(tái)。施放氣球一般要選擇適合的季節(jié)和天氣條件，結(jié)合各高度上的風(fēng)向、風(fēng)速情況加以控制。例如，氣球的水平位置可利用高、低層風(fēng)定位。若低層為偏西風(fēng)，可使氣球東移，待升至平流層時(shí)再利用高層的偏東風(fēng)向西移動(dòng)，以便在氣球完成全過(guò)程探測(cè)后，在盡可能接近施放場(chǎng)地的地區(qū)加以回收。氣球的升降則是利用由地面遙控的排氣閥和平衡器，通過(guò)排氣或拋壓艙物來(lái)控制。

平流層氣球探測(cè)主要用于科學(xué)試驗(yàn)和研究，它不僅用于進(jìn)行大氣成分、臭氧、太陽(yáng)常數(shù)、輻射量等探測(cè)，而且還用于高能物理、天文、空間物理等多學(xué)科的探測(cè)。

通俗地說(shuō)，無(wú)人飛艇就是有動(dòng)力的探空氣球，相比氣球，主要差異是增加了一套動(dòng)力裝置。氣球不能自動(dòng)飛行，而飛艇具有推進(jìn)和控制飛行狀態(tài)的裝置，可以自行飛行。飛艇的尾面用來(lái)控制和保持航向、俯仰的穩(wěn)定。

無(wú)人飛艇在氣球下面安裝了各種傳感器和儀器，以測(cè)量大氣壓力、溫度、濕度、風(fēng)速等數(shù)據(jù)。飛艇的歷史可以追溯到19 世紀(jì)，當(dāng)時(shí)被用于測(cè)量大氣壓力和溫度。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，飛艇變得更先進(jìn)，可以攜帶更多的傳感器和儀器，收集更多的數(shù)據(jù)。

無(wú)人飛艇具有成本低、覆蓋面積大、駐空時(shí)間長(zhǎng)、能耗小、載荷能力大、噪聲小等突出優(yōu)勢(shì)。除了氣象觀測(cè)，無(wú)人飛艇在應(yīng)急救援、通信中繼、空中監(jiān)測(cè)、地理測(cè)繪等多個(gè)領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。

氣球連接順序圖

為何探空氣球會(huì)被誤認(rèn)為UFO

探空氣球普遍采用氫氣來(lái)填充，氫氣純度要求在99.8%以上。充氣后，探空氣球的直徑為1.5～2 米。隨著升空，大氣壓力減小，探空氣球逐漸膨脹，到高空直徑最大時(shí)可達(dá)8～9 米，甚至更大。大多數(shù)探空氣球可以升空到20 千米高度以上，甚至可以到達(dá)近50 千米的高度。一般上升時(shí)間為1～2 小時(shí)，在此期間受高層風(fēng)影響，可以飄離施放點(diǎn)一兩百千米。

冬季，中緯度上空存在強(qiáng)大的西風(fēng)氣流，風(fēng)速可以達(dá)到100 米/秒以上，遠(yuǎn)大于超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的風(fēng)速。在這種西風(fēng)氣流里做觀測(cè)，當(dāng)氣球升空到平流層中層時(shí)，已經(jīng)在數(shù)百千米以外了。如果探空氣球一路上升到平流層中高層，那么會(huì)飄得更遠(yuǎn)。此時(shí)若是光線適宜，探空氣球往往會(huì)被人誤會(huì)是UFO。

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，人們對(duì)大氣層有了更多的探測(cè)手段，除了使用探空氣球，還包括氣象飛機(jī)探測(cè)、氣象雷達(dá)探測(cè)、氣象火箭探測(cè)和氣象衛(wèi)星探測(cè)等。