研究宇宙射線的氣球從南極升起

胡　明　　劉　潔

2001年12月正是南極洲的夏天，一組科學家和工程技術人員放飛了一個帶有大型科學儀器的巨大氣球。10多年來，美國航空航天局(NASA)和國家科學基金會(NSF)每年都要在這里放飛氣球，以進行科學研究。他們放飛的氣球攜帶一個叫做"虎"(TIGER)的探測器。這是一種銀河系元素的記錄儀，由華盛頓大學、航空航天局的哥達德空間飛行中心、加州技術學院和明尼蘇達州大學的科學家共同建造。它隨氣球飄浮到大氣層，去探測宇宙射線。

宇宙射線與探測器

以原子核為主體的宇宙射線以近于光的速度在宇宙中穿行，它們從宇宙的各個方向來到地球煻超新星釋放出來的強有力的沖擊波則是宇宙射線的加速器。元素周期表中的所有元素都來自于宇宙射線，這些元素在地球上所占的比例與它們在太陽系中所占的比例大體相同。宇宙是由大約90%的氫、9%的氦以及1%的第28號元素(鎳)以前的元素組成。元素周期表中鎳以后的元素非常的稀少，在整個宇宙里它們存在的總量少于0.00001%。據科學家分析，這些超重的元素只能在超大規模星球的核心中形成或形成于巨大的超新星爆發的過程中。以前一直未能對這些稀有元素的宇宙射線進行過很好的研究，現在研究工作可以借助"虎"探測器來進行了。

對宇宙射線的研究有90多年，它們是我們能從銀河系遠端獲得的唯一物質。雖然目前有兩種主要的理論，但仍未弄清它們的起源。對于宇宙射線的起源有兩種理論。一種理論認為宇宙射線來自于熱氣，它們類似于太陽這樣的恒星的大氣層，證據就是在溫度高達10000度的絕對溫度下會發生電離的元素有大量的宇宙射線；而另一種理論則認為宇宙射線來源于星際間的塵埃粒子。但是在大多數情況下，構成星際間塵埃的元素也是在10000度絕對溫度下會發生電離的元素?？茖W家希望能夠在稀有的重元素中找到一些能打破這兩種理論均衡性的元素。

因為銀河系、太陽系和地球的磁場極大地影響著這些粒子的運動路經，所以通過運動軌跡難以找到它們的出發點，也不可能用"天文學"的方法來研究它們；另外，宇宙射線同樣能在大氣層里分解，因此只能通過衛星或氣球對它們進行直接的研究。

"虎"探測器是一個很大的立方體，有幾米寬，一噸多重。研制地面加速器是為了能把粒子加速到光速，并對其進行測量。而"虎"探測器在很多方面類似于地面高能加速器中使用的設備。每種進入"虎"探測器的宇宙射線都要經受探測器中各種探測儀器的測量，如粒子的能量、速度和軌跡。各種探測儀器都按照一個類似的辦法進行工作，即粒子在探測器中產生少量的光，并被精確地測量。把來自各探測儀器的信息匯總，可確定通過"虎"探測器的每種射線的類型和能量。

科學氣球

宇宙射線是在1911年由維克多·漢斯(VictorHess)從熱氣球上發現的。從那以后，科學家們大都使用氣球把儀器帶到大氣層。今天，巨大的氣球已能到達并被放置在99.5%的大氣之上。在那里，科學家們不僅僅能研究地球大氣，而且可以研究宇宙射線、伽瑪射線、紫外線和其他天體物理學領域的問題，否則需要一艘宇宙飛船才能克服地球大氣層的干擾，獲得它們的測量數據。一個重達幾千公斤的大型儀器可以搭載氣球飛到離地面幾十公里的地方，而費用僅為采用航天飛機或火箭來完成同樣工作所需經費的一小部份。在很多情況下，在花費大量投資進行一次空間探測之前，氣球可以搭載科學儀器飛行，對科學儀器的性能進行考察試驗。

美國國家科學氣球實驗室是美國航空航天局一個專門負責放飛這些氣球的分部。其放飛小組位于德州的巴勒斯坦，他們每年到世界各地去旅行并放飛20多個研究試驗氣球。

探測氣球升起的地方

建在南極洲羅斯冰架上的美國邁克莫多(McMurdo)基地，是南極洲最大的基地，在夏季最高峰時，人數通?？蛇_1200人，大約是整個南極大陸人數的四分之一。放飛可長期飛行氣球的邁克莫多氣球站，就在邁克莫多基地附近。它位于南極洲岸邊的羅斯火山島。這里是一個很理想的地方，地處南極洲夏季活水所能深入的最遠處，可以用貨船來代替飛機運送所需的全部設備，而且羅斯火山島堅固的表層適于建造基地。在南極洲沒有冰雪的地方只有不到2%，在冰雪上建造的放飛場會因長期使用而下沉。正是由于上述原因，一些地球探險家把羅斯島作為南極考察的基地。他們當年建造的小屋現在仍在那里，并作為歷史景點而受到保護。這里的夏季有一段時間不結冰，邁克莫多的街道上到處是泥濘的水坑。雖然在夏季太陽總不落山，但是當它接近到地平線，即"晚上"時，溫度總是在冰點以下。

為什么南極洲被認為是放飛長期飛行氣球的最好地方呢?這里有幾個原因。第一個原因是南極洲的夏季能提供24小時的陽光，這有兩個好處:一是科學儀器可以使用大量重量較輕的太陽能電池提供能量，以替代沉重的化學蓄電池，這可以為氣球減輕幾百公斤的重量。另一方面，當氣球夜晚飛行時，氣球中的氦氣將會變冷致使氣球失去高度。為了保持氣球的高度，必須經常扔掉幾百公斤的沙袋，這限制了中等容積的氣球僅僅能飛行幾天。雖然在南極洲飛行的氣球在白天隨太陽角度的變化而變換飛行高度，但這種變化無需借助沙袋。第二個原因是，南極洲比類似緯度的北極好，因為氣球飛行都是在大陸或永久性冰塊上進行。而在北極點不結冰的水域環繞飛行，萬一發生緊急情況著陸就有可能丟失儀器。同時，南極洲是國際領地，在飛越其上空時不需要像北半球那樣，需要得到其他國家的同意。還有，南極地球磁場的形狀允許更多的粒子到達極地上空的大氣層頂部，遠遠超過可以到達赤道大氣層頂部的粒子數。這意味著在同一次飛行期間，能采集到更多的數據。

氣球放飛與回收

12月中旬，正當科學小組準備放飛氣球時，一場代號"赫比厄"(Herbie)的颶風式夏季暴風雪猛烈襲擊著邁克莫多和其附近的地區。在那些被島嶼掩蔽的被稱為"鎮"的地方，風速高達每小時120公里，另有大量的雪花從冰架上刮下來。"鎮"上的能見度很低，人們只能在兩個建筑物之間小心翼翼地挪動。但在"鎮"外，風速加大到每小時186公里，并且能見度降到了零度，即成了"乳白色的天空"。暴風雪持續了4天，在它結束后，花費了好多天來修復長達11公里的放飛場外的道路，清理跑道及那里的氣球放飛架。

暴風雪后的第一項工作就是放飛一個探測38公里高空風速的小型"探路者"號氣球。38公里是"虎"探測器所要達到的高度。在風暴來臨之前，高空風飄忽不定，"虎"探測器有被吹落到海里的危險。但是現在風吹向西方，它應能在極點周圍飛行，并直接返回到原地。

12月20日，地面天氣看上去很好，放飛程序開始啟動。在對"虎"探測器進行全面檢查合格后，它被一個由起重機改裝并作為放飛架來使用的設備升起并被帶到發射臺。這是一個巨大的環型架子。到發射臺后，氣象預報員告知地面上的風還不適合發射，風需要變小。隨后等待了12個多小時，氣象預報員說風停了，氣球可以放飛了。

巨大的氣球由近兩噸重的高強度聚乙烯塑料制成，其厚度只有像三明治的包裝袋那樣厚。氣球的總體積為82萬立方米，在其充氣前有一輛卡車那樣大。氣球需要"虎"探測器逆風放置，沿著幾百米的發射場伸展開來。逆風方向為氣球開始升起提供了保障。氣球帶著有效負載直接從發射起重機上漂浮起來。在探測器和氣球之間，一個紅白相間、37米長的巨大降落傘也隨后展開，它在探測器結束使命時為其提供軟著陸。

需要滿滿一卡車的液態氦去充滿氣球。在最大飄浮高度，氦氣能使氣球的體積膨脹200多倍，直徑將達到大約122米，足夠覆蓋一個運動場。

2001年12月21日，當地時間12:30分，充氣完成，氣球脫掉尾部的扣鎖，飛向寧靜、尉藍色的天空。幾小時后，氣球到達39320米的最大高度。

科學小組異常興奮，在第一天及以后的日子里，氣球通過"數據中繼衛星"(TDRSS)將所有的數據傳送給科學小組，并對探測儀器發送指令。氣球在微風中飛行，沒有主動駕駛的功能，只能對高度有所控制。減少沙袋的重量能減輕氣球的負荷，增加氣球的高度。通過氣球上的一個閥門釋放氦氣，來降低氣球的高度。

在過去的年代里，有許多飛行器圍繞著南極點航行，飛行時間從9天到25天。裝載"虎"探測器的氣球是第一個環航南極點兩次的氣球，第一次飛行用時13.5天，安全返航幾乎直接回到原地；第二次在南極點進行了環繞盤旋，并在18天后返回了羅斯冰架。兩次飛行總共持續了31.8天，是這類氣球飛行的新記錄(舊記錄是26天)。在整個飛行過程中，試驗一直進行得非常好。

著陸時出現了一些問題。試驗設備在離開氣球后，靠自身的降落傘飄落到地面，隨后降落傘應與儀器進行分離，以使地表風不能拖住它，然而分離沒有成功。因此，直到羅斯冰架上的風變得平靜以前，終止飛行的指令始終沒有發出。一架小型飛機被派往氣球和探測設備著陸的地區，科學小組成員看到雪中一條拖帶的痕跡通往東北方向。沿著拖帶痕跡前進約32公里，他們發現氣球在一個小時里仍然飄浮過冰架幾公里。氣球和探測設備雖然著陸了，卻沒有辦法讓它們停下來。小型飛機在裝滿燃料后，又重新回到氣球和探測設備的著陸區，繼續沿著拖帶痕跡前進。他們發現，趁著風停止的間隙降落傘落在了冰面上，探測器安全了。在經過約120公里的雪地行駛后，它幾乎沒造成多大損傷。

由于"虎"探測器被重新找到而且只有一點小損傷，科學小組計劃2年后再返回南極洲，做另一次飛行。"虎"探測器所采集到的極重的宇宙射線很少，還很難得到十分有用的結果。在第二次飛行時，測量將肯定得到改善。但是，即使是"虎"探測器多次飛行也只能增進我們對宇宙射線中40(鋯)以前元素的了解。宇宙射線中元素周期表后半部分的元素更稀少，需要更大的探測儀器在空間飛行幾年才有可能采集到。

"虎"探測器科學小組只是一個大研究組的一部分，這個大研究組正在研制"重核探測者飛行器"，能測量這些稀有元素在宇宙中的含量。該飛行器由兩個儀器組成，其中一個是比"虎"更大、更先進的探測設備。該探測設備可以采集并測量元素82(鉛)以前的宇宙射線元素。另一個儀器是"極重的宇宙射線成分觀察者"。它通過留在玻璃上的宇宙射線微小的痕跡去尋找元素70(鐿)和元素96(鋦)之間的元素。它將最終為我們提供元素周期表中2/3元素在宇宙中含量的詳細資料。在此之前，"虎"探測器將繼續飛行在大氣高層，做大量的空間科學探測工作。責任編輯:簡言■