科学解密"流浪气球"

张旗

平漂气球连接顺序图（ 图片来源： 中国化工株洲橡胶研究设计院有限公司）

最近，一艘失控的民用航空器受超强西风带的影响，偏离了预定轨道，进入美国上空。这起事件引起了公众的极大兴趣，并称呼这艘民用航空器为神秘的“流浪气球”。那么，它究竟是何方神圣呢？其实，这个“流浪气球”是气象探空气球家族的一员——无人飞艇。气象探空气球常被人们误以为是不明飞行物，但气象工作者却亲切地给它取名为“大白”。“勇敢无畏的高空探险家”是对它的高度评价。以下我们就来全面了解一下“流浪气球”的前世今生。

对高空气象的探索，向来是一道科技难题。在过去数百万年的历史中，人类更像是地球表面的二维生物，被地心引力牢牢地束缚在地球表面，羡慕飞鸟，留下许多对高空的遐想和神话故事。

终于，勤劳智慧的人们用热气球打开了高空气象探索的大门。1783年，在当时世界的科技前沿——法国巴黎，法国造纸商孟格菲兄弟发明了热气球。当年，他们为法国国王路易十六、玛丽王后和宫廷大臣们进行了热气球飞行表演，引起了轰动。巴黎万人空巷，民众纷纷抬头观望。数月后，他们改良了热气球，并进行了首次载人飞行试验。在此次飞行试验中，热气球在飞越半个巴黎城后，稳稳地降落在了地面。从此，人类终于可以摆脱地面的束缚，向着天空探索，并且越飞越高。

1862年9月5日，英国气象学家詹姆斯·格莱舍和操作员亨利·葛士维驾驶着庞大的热气球，冒着生命危险勇敢挑战人类升空的极限，探索更高层大气的属性。美国影片《热气球飞行家》就是一部根据这一真实事件改编的电影。

随着制造技术的进步，气象气球家族成员越来越多，逐渐发展成为拥有探空气球、系留气球、定高气球、平流层气球和无人飞艇等不同功能气球的大家族。

探空气球是指把探空仪器带到高空，进行温度、大气压力、湿度、风速和风向等气象要素测量的气球。探空气球的起始上升速度必须达到5～6米/秒。探空气球所能达到的最大高度，即球皮破裂时的临界高度，基本上取决于橡胶球皮的质量。在其他条件和升速均相同的情况下，球皮愈厚，则气球所能达到的高度愈高。质量在1千克左右的探空氣球，85%以上可到达30千米左右的高度。

系留气球是指用缆绳拴在地面绞车上的气象气球。随着水平风速的增大，系留气球升高的倾斜度加大，因此，大风天难以利用系留气球进行观测。为了使系留气球在气流中具有良好的稳定性，气球形状有时被设计成流线型。仪器设备可以直接由气球携带，在升空过程中进行观测，也可以吊挂在缆绳的不同高度上进行观测。系留气球可以在一段较长的时间（几小时至几十小时）内连续测量各选定高度上气象要素的变化，而不像探空气球只能进行一次性测量。系留气球探测特别适用于大气和环境监测等民用领域。我国科学家在南极、北极和青藏高原上都用系留气球进行过相关的观测实验。

定高气球是指在大气中保持在近似固定高度上平稳地随气流飘移的自由气球。定高气球的寿命取决于气球的材料和气球工作的高度。为使球皮具有较强的耐压性和较好的保气性，常用聚乙烯薄膜和聚酯薄膜制作，或使用多层塑料薄膜压制而成的复合膜。科学家通常采用在气球下部开排气口的方法，使球皮保持零压状态（球内外气压相等），以防止气球破裂。气球的充气量由需达到的平衡高度，以及气球和装备的总质量来确定。大型定高气球能携带300个下投探空仪，根据来自气象卫星的指令在指定地区下投，测量资料由定高气球收集后再通过卫星转发至地面站。这种与卫星结合的定高气球被称为“母子定高气球系统”。定高气球被广泛应用于测量气团属性变化和大气电学特性等方面。20世纪70年代，在全球大气研究计划第一次全球试验中，曾利用大量定高气球，在地球赤道和低纬度地区，以及南半球上空进行环球水平大气探测。

平流层气球是指升至平流层高度进行探测的大型气象气球。平流层气球具有10万～30万立方米或更大的容积，充满氢气后可以负载100～150千克的仪器，是一种能完成20～40千米高度或更高的高空探测任务的观测平台。施放气球一般要选择适合的季节和天气条件，结合各高度上的风向、风速情况加以控制。例如，气球的水平位置可利用高、低层风定位。若低层为偏西风，可使气球东移，待升至平流层时又利用高层的偏东风向西移动，以便在气球完成全过程探测后，在尽可能接近施放场地的地区加以回收。气球的升降则是利用由地面遥控的排气阀和平衡器，通过排气或抛压舱物来控制。

平流层气球探测主要用于科学试验和研究，它不仅用于进行大气成分、臭氧、太阳常数、辐射量等探测，而且还用于高能物理、天文、空间物理等多学科的探测。

通俗地说，无人飞艇就是有动力的探空气球，相比气球，主要差异是增加了一套动力装置。气球不能自动飞行，而飞艇具有推进和控制飞行状态的装置，可以自行飞行。飞艇的尾面用来控制和保持航向、俯仰的稳定。

无人飞艇在气球下面安装了各种传感器和仪器，以测量大气压力、温度、湿度、风速等数据。飞艇的历史可以追溯到19世纪，当时被用于测量大气压力和温度。随着现代科技的发展，飞艇变得更先进，可以携带更多的传感器和仪器，收集更多的数据。

无人飞艇具有成本低、覆盖面积大、驻空时间长、能耗小、载荷能力大、噪声小等突出优势。除了气象观测外，无人飞艇在应急救援、通信中继、空中监测、地理测绘等多个领域也得到了广泛应用。

探空气球普遍采用氢气来填充。大多数探空站有自己的制氢装备，也有部分探空站直接购买工业制氢产品，氢气纯度要求在99.8%以上。充气后探空气球的直径为1.5～2米，随着升空，大气压力减小，气球逐渐膨胀，到高空直径最大时可达8～9米，甚至更大。大多数气球可以升空到20千米高度以上，甚至可以到达近50千米的高度。一般上升时间为1～2小时，在此期间受高层风影响，可以飘离施放点一两百千米。

冬季中纬度上空存在强大的西风气流，风速可以达到100米/秒以上，该风速远大于超强台风的风速。在这种西风气流里做观测，当气球升空到平流层中层时，已经在数百千米以外了。如果气球一路上升到平流层中高层，那么会飘得更远。此时若是光线适宜，气球往往会被人误会是UFO。

随着现代科技的飞速发展，人们对大气层有了更多的探测手段，除了使用探空气球外，还包括气象飞机探测、气象雷达探测、气象火箭探测和气象卫星探测等。

普通探空气球（图片来源：杭州国家基准气候站）