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探空气球漫谈——从大气所“走失”的气球说起

来源:中国气象报社    发布时间:2017-10-16 15:36    阅读次数:    选择字号:T|T

说起气球,大家最早接触到的一定是五颜六色、可以用嘴吹的橡胶气球,也一定梦想过像《飞屋环游记》那样用气球把自己带上天。若不是大气所前阵子的气球“走失”事件,恐怕大多数人还不认识探空气球这个“高大上”的存在。

9 月25 日,中国科学院大气物理研究所走失的气球成了大新闻。
当日,该所的一个研究小组与济南市章丘区气象局做气球探空实验,采用的气球长约2 米,宽约1 米,不充气看起来像是个飞机,充气后像胖头鲸鱼。该气球主要用于气象探测,下方携带有5 台仪器,主要是用来测量观测点的空气气体成分、污染物气溶胶和常规气象参数。
      16 时50 分左右,实验基本结束,工作人员开始回收气球。气球下降到离地高度300 米时,该高度处出现较大风速,系留气球的缆绳被意外拉断,气球随风飘走了……


探空气球漫谈
——从大气所“走失”的气球说起

魏科

探空气球≠系留气球
        这个气球设计初始就并非直接上升随风飘走的气象探空气球,而是系留气球,二者区别明显。
前者充了气就一直随风向上飞,到平流层中层以后(20 千米至 30 千米),由于外部空气稀薄压力小,气球不断膨胀,最终爆炸,也有一些质量奇好的气球可以到达平流层高层 40 千米以上。就目前平均水平而言,德国人放的气球飞得相对较高,常常能飞到 30 千米以上,但是有一次菲律宾“超常发挥”,放的气球一直飞到创纪录的47.272千米处。
        爆炸后,气象探空气球携带的无线电探空仪会有小型的降落伞打开,然后一直降落到地面,地面人员根据各种定位方法回收设备(不过绝大多数是情况下是找不回来的,尽管探空仪上会注明联系方式,但往往气球到数百公里以外的人迹罕至之处)。
        系留气球则通过长长的绳子系留在地面,上升高度可以调整,但是一般不会超过2千米至3千米,比较像专业版的风筝。在测量大气最低层的气象参数及空气成分方面,与其他探空方式,如建设高塔观测或飞机观测相比,系留气球观测明显更经济实惠,也更符合科学用途。

早期探空气球探索

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早期的热气球

人类一直生活在地球的表面,早期对第三维空间的探索只能依赖于爬山一类的活动,不过这仍然是在地球表面做运动。摆脱地心引力的束缚,是数千年以来的历史难题。
探空气球出现的历史比较晚。
        1783 年,世界的科技中心在法国,孟格菲兄弟发明了热气球,这在当时可是高科技,当年6月3日,兄弟俩在巴黎表演了空中飞行,在10分钟内飞过了2000米,成为当时巴黎市民竞相观看的年度重大事件。从此之后,人类终于走向了第三维空间,并迅速把人能到达的高度提高。在1784年,兄弟俩已经能熟练掌握驾驶技术,到达的高度到了前所未有的3000米。
        人类乘坐热气球的记录是英国人创造的,1862年9月2日,亨利·考克斯维尔和詹姆斯·格莱塞驾驶英国人制作的热气球一举突破3.6万英尺(约11千米),不过这是拿命拼来的,高空空气稀薄温度极低,科学家格莱塞在8839米高度时已经失去了意识,意识模糊的考克斯维尔的手已经冻伤,而气球还在向上飞。最终在失去意识前,考克斯维尔用牙扯开了漏气阀,气球安全降落。
        这件事给科学家敲响了警种,靠人坐在热气球向上探索大气,最终会出人命的。所以在 19世纪最后 10 年里,科学家发明了探空气球,只需要气球把仪器带上去就行,等气球爆炸落下来,看看仪器的记录即可。
        这一思路的转变,迅速带来新的科研成果。1902年,法国科学家泰塞伦·德·波尔和德国科学家理查德·阿斯曼分别独立发现了在对流层上面的平流层,这一发现在 1926 年被气象学家纳皮尔·肖描述为“气象学史上最令人惊讶的发现”。

现代气球探空
        气象探空气球发明后,迅速成为对天气和气候进行观测的主力。截目前,全球有11000多个地面气象站和1200个探空气象站,这1200个探空站通常每天升放两次探空气球(国际标准时间0时和12时)。可以想象,全球1200个测站的工作人员充气、悬挂设备、掐着时间同时升放气球的盛况。
        并不是所有气球能到平流层。每天,大概有1000个气球能飞到10公里,只有约800个气球能到20公里,最终大概有350个气球到达30公里。
        在每天两次的观测中,全球升放的探空气球走失的几率并不低,这要考虑到很多测站放气球时可能遭遇狂风大作,或电闪雷鸣,或机械故障等,即使全部准确升放,所有的探空气球最终还是会爆炸,并无一例外地飘落地面。
                                                                                                                                     (来源:中国气象报社  作者系中国科学院大气物理所副研究员)