科學解密“流浪氣球”

張旗

2023 年年初，一個失控的民用航空器受超強西風帶的影響，偏離了預定軌道，進入他國上空。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，這個“流浪氣球”是氣象探空氣球家族的一員——無人飛艇。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”，“勇敢無畏的高空探險家”是對它的高度評價。下面，我們就來了解一下“流浪氣球”的前世今生。

熱氣球的百年歷史

對高空氣象的探索，向來是一道科技難題。在過去數百萬年的歷史中，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了高空氣象探索的大門。1783 年，在當時世界的科技前沿——法國巴黎，法國造紙商孟格菲兄弟發明了熱氣球。當年，他們為法國國王路易十六、瑪麗王后和宮廷大臣們進行了熱氣球飛行表演，引起了轟動。巴黎萬人空巷，民眾紛紛抬頭觀望。數月后，他們改良了熱氣球，并進行了首次載人飛行試驗。在此次飛行試驗中，熱氣球在飛越半個巴黎城后，穩穩地降落在了地面。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，英國氣象學家詹姆斯·格萊舍和操作員亨利·葛士維駕駛著龐大的熱氣球，冒著生命危險挑戰人類升空的極限，探索更高層大氣的屬性。美國影片《熱氣球飛行家》就是一部根據這一真實事件改編的電影。

日益壯大的氣象氣球家族

隨著制造技術的進步，氣象氣球家族的成員越來越多，逐漸發展成為擁有探空氣球、系留氣球、定高氣球、平流層氣球和無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，進行溫度、大氣壓力、濕度、風速和風向等氣象要素測量的氣球。探空氣球的起始上升速度必須達到5～6 米/ 秒。探空氣球所能達到的最大高度，即球皮破裂時的臨界高度，基本上取決于橡膠球皮的質量。在其他條件和升速均相同的情況下，球皮越厚，則氣球所能達到的高度越高。質量在1 千克左右的探空氣球，85% 以上可到達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。隨著水平風速的增大，系留氣球升高的傾斜度加大。因此，大風天難以利用系留氣球進行觀測。為了使系留氣球在氣流中具有良好的穩定性，氣球形狀有時被設計成流線型。儀器設備可以直接由氣球攜帶，在升空過程中進行觀測，也可以吊掛在纜繩的不同高度上進行觀測。系留氣球可以在一段較長的時間（幾小時至幾十小時）內連續測量各選定高度上氣象要素的變化，而不像探空氣球只能進行一次性測量。系留氣球探測特別適用于大氣和環境監測等民用領域。我國科學家在南極、北極和青藏高原上，都用系留氣球進行過相關的觀測實驗。

定高氣球是指在大氣中保持在近似固定高度上，平穩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合膜。科學家通常采用在氣球下部開排氣口的方法，使球皮保持零壓狀態（球內、外氣壓相等），以防止氣球破裂。氣球的充氣量，由需要達到的平衡高度以及氣球、裝備的總質量來確定。大型定高氣球能攜帶300 個下投探空儀，根據來自氣象衛星的指令在指定地區下投，測量資料由定高氣球收集后再通過衛星轉發至地面站。這種與衛星結合的定高氣球被稱為“母子定高氣球系統”。定高氣球被廣泛應用于測量氣團屬性變化和大氣電學特性等方面。20 世紀70 年代，在全球大氣研究計劃第一次全球試驗中，科學家曾利用大量的定高氣球，在地球赤道和低緯度地區以及南半球上空進行環球水平大氣探測。

平流層氣球是指升至平流層高度進行探測的大型氣象氣球。平流層氣球具有10萬～30 萬立方米或更大的容積，充滿氫氣后可以負載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任務的觀測平臺。施放氣球一般要選擇適合的季節和天氣條件，結合各高度上的風向、風速情況加以控制。例如，氣球的水平位置可利用高、低層風定位。若低層為偏西風，可使氣球東移，待升至平流層時再利用高層的偏東風向西移動，以便在氣球完成全過程探測后，在盡可能接近施放場地的地區加以回收。氣球的升降則是利用由地面遙控的排氣閥和平衡器，通過排氣或拋壓艙物來控制。

平流層氣球探測主要用于科學試驗和研究，它不僅用于進行大氣成分、臭氧、太陽常數、輻射量等探測，而且還用于高能物理、天文、空間物理等多學科的探測。

通俗地說，無人飛艇就是有動力的探空氣球，相比氣球，主要差異是增加了一套動力裝置。氣球不能自動飛行，而飛艇具有推進和控制飛行狀態的裝置，可以自行飛行。飛艇的尾面用來控制和保持航向、俯仰的穩定。

無人飛艇在氣球下面安裝了各種傳感器和儀器，以測量大氣壓力、溫度、濕度、風速等數據。飛艇的歷史可以追溯到19 世紀，當時被用于測量大氣壓力和溫度。隨著現代科技的發展，飛艇變得更先進，可以攜帶更多的傳感器和儀器，收集更多的數據。

無人飛艇具有成本低、覆蓋面積大、駐空時間長、能耗小、載荷能力大、噪聲小等突出優勢。除了氣象觀測，無人飛艇在應急救援、通信中繼、空中監測、地理測繪等多個領域也得到了廣泛應用。

為何探空氣球會被誤認為UFO

探空氣球普遍采用氫氣來填充，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，到高空直徑最大時可達8～9 米，甚至更大。大多數探空氣球可以升空到20 千米高度以上，甚至可以到達近50 千米的高度。一般上升時間為1～2 小時，在此期間受高層風影響，可以飄離施放點一兩百千米。

冬季，中緯度上空存在強大的西風氣流，風速可以達到100 米/ 秒以上，遠大于超強臺風的風速。在這種西風氣流里做觀測，當氣球升空到平流層中層時，已經在數百千米以外了。如果探空氣球一路上升到平流層中高層，那么會飄得更遠。此時若是光線適宜，探空氣球往往會被人誤會是UFO。

隨著現代科技的飛速發展，人們對大氣層有了更多的探測手段，除了使用探空氣球，還包括氣象飛機探測、氣象雷達探測、氣象火箭探測和氣象衛星探測等。

文章來源：《科學24 小時》

（責任編輯：嵇刊）