氣象氣球探秘

編譯 段景頤

1982年7 月2 日，多個航班的飛行員在下降到美國洛杉磯國際機場時都在天空中發現了一個不明飛行物，數名機長用無線電向機場塔臺報告了這一情況。根據機長們的描述，塔臺工作人員初步判斷這個不明物體似乎是一個坐在鋁制草坪椅上的人，他手里似乎拿著一桿獵槍。這個奇怪的人和椅子被吊在一串大型氣球上，正在5000 米左右的高度飛行著。

后來，警方確認了這位“怪人”名叫拉里·沃爾特斯。在警方盤問下，他交代了自己利用43 個充滿氦氣的氣象氣球升空并飛行了45 分鐘的整個過程。拉里很想當飛行員，但視力問題讓他沒能實現成為飛行員的夢想，可他還是想飛到天上。1982 年，他購買了45 個氣象氣球（每個能膨脹到2.4 米直徑，充氣過程中破了兩個）和一些氦氣罐，并于7 月2 日實施了這場鬧劇。最后，他被當地檢察機關以危害機場空域安全等理由起訴，法院判罰他繳納1500 美元罰金。

氣象氣球的工作原理

氣球因為具有成本低、結構簡單、使用方便等優點，而被大量用于高空觀測和氣象探空。以氣象氣球中的探空氣球為例，它們能在大氣中飛行約2 小時，飛行總距離約為200 千米，最高可上升到3 萬米的大氣層。探空氣球由乳膠或氯丁橡膠制成，從地面釋放時直徑一般為2 米。隨著探空氣球逐漸升高，外部氣壓逐漸降低，探空氣球也變得越來越大，最大可膨大到直徑8 米，最后探空氣球破裂并下落。在探空氣球浮空的過程中，其下方的無線電探空儀每隔1~2 秒就會向地面回傳氣溫、濕度和氣壓等信息。位于地面的工作人員通過全站儀測出探空氣球的仰角，并將其換算為風向和風速等信息，也可以通過雷達跟蹤探空氣球，計算出風速和風向。

氣象氣球的先驅者們

最早想出利用氣球觀測大氣這個方法的是英國人杰弗里斯。1785 年，他乘坐法國熱氣球運動員布蘭查德的熱氣球，嘗試穿越英吉利海峽。在空中，杰弗里斯幫助布蘭查德觀察天氣，順便記錄高層大氣的活動過程。然而，該氣球沒能升到高空，并差點墜入英吉利海峽。為了給氣球減負，杰弗里斯不得不大量丟棄他攜帶的設備。也許是受此啟發，在從1896 年起的數年間，法國氣象學家波爾升空了數百個捆綁著儀器的氣象氣球，相關的實驗幫助他發現了對流層頂和平流層。

氣象氣球也要分類

按照制作材料和用途，氣象氣球大致可分為如下幾類：

①測風氣球測風氣球的用途是測定高層大氣的風向和風速。測風氣球的球皮重量一般僅為30克，因此這些氣球被稱作“小球”。氣球升空后，地面觀測人員用測風經緯儀不斷跟蹤觀測，記錄下氣球每分鐘的仰角和方位角，并計算出氣球經過不同高度時的風向和風速。

②探空氣球探空氣球的球皮一般重0.8~2 千克，可以攜帶1 千克的儀器設備，以5~6 米/秒的垂直方向速度升空，最高升空高度可達30 千米，是日常高空觀測所使用的氣球。

③系留氣球顧名思義，系留氣球通過纜繩被固定在地面，其最大特點是可以長時間停留在特定高度，每次滯空時間最長可達數月，常用于大氣和環境監測。

④平流層氣球平流層氣球能完成20 ～40 千米或更高大氣區域的高空探測任務，其作用包括測量并記錄氣象要素、大氣成分、大氣電、大氣臭氧、太陽輻射，驗證壓—高公式……平流層氣球具有10 ～30 萬立方米或更大的容積，充氫氣后可以負載100 ～150 千克的儀器。

氣象氣球發揮重要作用

今天，氣象氣球幫助我們完成了大部分高空探測工作，全世界有900 多個氣象站依靠每日（兩次）升空氣象氣球獲取氣象數據。

低層大氣和高層大氣的氣象狀況差異堪稱云泥之別。海平面上可能風平浪靜，但同一片海域上方5000 多米的高層大氣可能正在醞釀一場暴風雨。定期釋放氣象氣球就是為了探測高層大氣的變化。一個多世紀前，當時的氣象學家只能根據地面觀測，預測未來幾小時內的天氣；今天，借助氣象氣球，氣象工作者已經可以預測幾天后的天氣狀況。

這些氣象預測的作用不僅僅是減少人們在上下班路上被雨淋的概率，高層大氣數據對有可能發生的氣象災害（如龍卷風、雷暴或山洪）的預警也起著重要作用。在氣象氣球的幫助下，有關單位可以在這些災害發生的數小時前向災區調度物資和救援人員。

氣象氣球收集到的數據，可以用于山洪等災害預警

能探測太陽風、小行星塵埃和宇宙射線

美國宇航局于2021 年5 月-6 月放飛了6 個氣象氣球，讓它們升到地表以上100~500 千米的高層大氣，那里是地球大氣接觸太空的區域。太陽發出的太陽風（連續帶電粒子流）掠過地球，并綿延60 多億千米。太陽風的突然爆發會在地球上引發美麗的極光，但也會破壞無線電傳輸和GPS 信號，威脅衛星安全，影響地面電網的正常工作。

大部分太陽風粒子的移動速度很慢，即便是最快的太陽風粒子也會因為地球磁場的偏轉作用而偏離地球表面。地球磁場相當于一個屏障，阻止太陽風中的帶電粒子撞擊地球。然而，雖然大部分地磁場是閉合的，但也有少數開放的區域，這就為太陽風粒子到達地球表面提供了通道。通過氣象氣球，科學家可以觀測太陽風粒子如何進入地球磁場，以此找到地球磁場的外邊界。

美國宇航局也經常使用氣象氣球進行近太空實驗：在流星雨期間，氣象氣球可以收集經過地球附近的小行星散落的塵埃；一些氣象氣球還能用于探測宇宙射線。

放飛140 萬個氣球，后果很嚴重

氣象氣球的放飛數量和頻率被嚴格限制，這是因為無限制地放飛氣球會造成麻煩。1986 年，美國俄亥俄州克利夫蘭市舉辦了一場盛況空前的氣球放飛活動。140 萬個各色氣球在周圍人群興奮無比的高喊聲和歡呼聲中被放飛。

許多氣球乘風飛到了很遠的地方。受氣球影響，柏克湖畔機場的一條跑道被迫關閉半小時。多條公路也因為氣球而發生車禍——一些司機呆呆地盯著天上難得一見的壯觀景象，視線離開了路面……還有一些氣球飄到了馬場，導致馬匹受驚嚇四散奔逃，一些馬因此受了傷。最可惜的是，氣球放飛活動當天，兩名漁民在伊利湖上失蹤。雖然救援直升機及時發現了船只，但飛行員因視線受湖面氣球干擾而無法及時發現漁民。幾天后，人們才在岸邊發現了兩名漁民的尸體。