流浪气球（一）

■ 编者按

最近，流浪气球引起了大家的巨大兴趣。那么它究竟是干什么的呢？下面让我们看看专业的解读。

对高层大气的探索，向来是一道难题，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，徒留下许多对于高空的遐想和神话故事。

一、热气球打开高层大气探索的大门

要探索高层大气，首先得具有把观测者或者观测仪器送入高层的能力。

18世纪后期，人类看到了探索高层大气的希望。1783年，在世界的科技中心法国巴黎，法国造纸商孟格菲兄弟（Joseph-Michel Montgolfier, Jacques-Étienne Montgolfier）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，引起巨大轰动，法国巴黎万人空巷，纷纷抬头观望，此外他们还进行了首次载人飞行试验，一位勇敢的侯爵弗朗索瓦·洛朗（Francois Laurent）和科学家弗朗索瓦·皮拉特雷·德罗齐尔（Francois Pilatrê de Rozier），操作热气球飞行25分钟，飞越约5.5英里（8.85千米），跨过半个巴黎稳稳降落。从此以后，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。

1783年，孟格菲兄弟第一次载人飞行

图片来自：https://www.sciencephoto.com/media/642140/view

二、用生命挑战升空1.1万米

尽管人类已经踏入了探索高空的门槛，但在那以后的很长一段时间，人们对于天空的探索还是局限在近地面，甚至没有鸟飞得高。直到1862年9月5日,英国气象学家詹姆斯·格莱舍(James Glaisher)

想要挑战人类升空的极限，探索更高层大气的属性。

当天英国伦敦近郊，秋风和煦、万里无云，他和热气球操作员亨利·葛士维(Henry Coxwell)驾驶着庞大的热气球缓缓上升，他们此行的目的是测量高层大气的温度、气压和湿度。下午1:39，热气球升到了距离地面4英里（约6400米）高度，气温降低8华氏度(约-13.3℃)。10分钟后，气球抵达5英里（约8000米）处，温度降到-2华氏度(约-18.9℃)，到了这个高度，格莱舍依然可以继续进行观测和记录。

1862年9月5日，英国气象学家詹姆斯·格莱舍 (1809–1903)和亨利·葛士维(1819–1900) 驾驶热气球一举突破~11千米。^{^[1]}

下午1时51分，显示高度达到了5.25英里（约8450米），格莱舍感觉有些视力模糊，他尽力伸手去够酒瓶，想喝一口暖和下身子，这时他发现手已经冻僵了。他最后看了一眼气压计，读数为9.75英寸（24.8厘米），高度已经达到5.75英里（约9250米）了，他还想挺直身体，不过他无法动弹，头垂向一边，他尽力抬头，然后头又垂向另外一边，接着整个人向后倒去，几分钟之后，他彻底陷入昏迷。

气球操作员葛士维发现格莱舍昏迷之后，努力想将热气球降低，然而他的双手已经被冻僵，无法正常活动，眼看着热气球还在继续上升，在最后丧失意识之前，他用牙齿拉动了控制气阀的绳子，释放了一部分气体，热气球才逐渐停止上升，并慢慢下降。根据二人的记录和描述，他们很有可能突破了~11千米高度，如果不是格莱舍陷入昏迷，他们很有可能把发现平流层的历史提前近50年。

2020年电影《热气球飞行家》海报

电影《热气球飞行家》讲述的就是这段历史。或许出于票房考虑，历史上的气球操作员亨利·葛士维被换成了一名女热气球飞行家艾米丽亚·雷恩，而艾米丽亚·雷恩的原形人物是女热气球飞行家索菲娅·布兰查德（Sophie Blanchard），索菲娅在1819年即因为氢气球事故而死亡（她在氢气球吊篮燃放烟花，这是当时的表演项目……）。电影把两个时代人物放一起，强行给古人加戏，有点关公战秦琼的意思。

在此之前，人们已经知道在地球大气低层，高度越高，温度越低，这在人类早期登山历史中就已经了解了。白居易写过一首诗“人间四月芳菲尽，山寺桃花始盛开”，说的就是在平原地区春天已经过去，而山里面温度低，桃花才开始盛开。1783年，瑞士登山家索绪尔(Horace-Bénédict de Saussure)在攀登阿尔卑斯山的最高峰勃朗峰（4810米）时，不断测量温度变化，发现高度每升高100米，温度降低约0.7℃，这是人类第一次定量测量这种变化。根据19世纪测得的大气低层温度递减率（0.7摄氏度/100米），当时很多物理学家认为，随着高度增加，大气的温度会降低到极端低值，例如德国物理学家亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz）就认为到了距离地面30 km以上的地方，温度可能就接近绝对零度了，内能可能会彻底消失。

大气层温度随高度变化情况，图片来自大英百科全书^{^[2]}

詹姆斯·格莱舍的冒险经历给科学家们敲响了警钟，靠人坐在热气球里向上探索大气，最终会出人命。

三、气象史上最令人惊讶的伟大发现：平流层

19世纪末期，科学家发明了新的探空气球，这种探空气球可充氢气、氦气、氨气或者甲烷。为了避免气球上升过程中因膨胀过大而爆炸，气球采用了可以不断漏气的设计。这个探空气球携带仪器上升，上升过程中，仪器自动记录大气温度、气压、湿度等参数，上升到最高点之后会因为漏气而下降。科学家将气球回收，就有了完整的大气状况数据记录。

1902年，法国科学家波尔和德国科学家理查德·阿斯曼分别发现独立发现了平流层。图片来自

有了探空气球技术的发展，气象学家再也不需要冒着生命危险去探测高层大气了。1902年4月28日，法国科学家波尔在法国科学院宣布了他们的研究成果，基于他们过去10年200多次探空观测资料，他们发现8~13千米的大气温度基本保持稳定，温度并不随高度降低。同年5月1日，德国科学家理查德·阿斯曼(Richard Assmann)也公布了他的研究结果，揭示在10~15 km的高度有温度逐渐升高的区域。至此，科学家发现了一个和低层完全不同的大气层次，在这个层次，温度并不随高度降低，而是持续随高度升高，1908年，法国科学家波尔把这个大气层次称作平流层（stratosphere），而底下的层次则称作对流层（troposphere）。20多年后的1926年，这一发现被气象学家威廉·纳皮尔·肖（WilliamNapier Shaw）爵士（担任过英国气象局长和国际气象组织主席）赞为“气象史上最令人惊讶的伟大发现”。

四、了不起的国际合作：探空气球全球同步

气球探空在20世纪迅速成为对天气进行观测的主力，探空气球主原料为天然乳胶，为了增强乳胶的耐热氧化、耐臭氧老化和抗紫外线性能，一般会添加防老化、耐寒等性能的添加剂。

到目前截止，全球有11000多个地面气象站和近1300个探空气象站，这1300个探空站每天同时进行两次探空气球施放，因此存在有些地区是白天，有些地区是深夜，有些地区晴空万里，有些地区电闪雷鸣、狂风、暴雨、沙尘暴等，全球坚持同一套技术规范，1300个探空站的工作人员风雨无阻的充气、悬挂设备、掐着时间同时施放，确实是了不起的国际合作，这是全球天气预报的基础工作。

观测中保证规范性非常重要，为了保证全球数据的可比性，世界气象组织要求全球必须在相同时间（国际标准时每天0时和12时前一小时内）施放探空气球，为了不耽误全球天气预报，必须在75分钟内完成观测数据的上传。全球对施放探空气球都有严格的规范，例如，我国规定全国探空站在每天7:15和19:15准时施放探空气球，施放时探空仪高度必须与本站地面气压表处于同一水平面，高度差超过一米，必须订正。施放前5分钟要要进行施放温、压、湿、风向、风速、云量、能见度和天气现象等气象要素的观测。

在每天两次的观测中，全球施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候可能狂风大作，或者暴雨雷鸣，或者机械故障等。即使全部准确施放，并不是所有气球能到平流层。大概有1000个气球能飞到10公里（~100 hPa），只有~800个气球能到20公里，最终大概~350个气球到30公里，可以说一路向上飞一路爆炸一路夭折。

大多数（>50%，蓝色三角形与绿色方块）探空气球可以到达50hPa，只有很少部分的探空气球可以到达5hPa，图片来自Seidel et al. (2011)

五、竺可桢登报悬赏探空气球下落

气球探空在20世纪初是妥妥的高科技，成本比较贵，那时候人们设计出种种方法来保证仪器和资料的回收。如降落伞法，即气球在高空高度破裂后，探空仪配有小型降落伞，在一定高度开伞；以及双球法，主球破裂后，另一球不足以支持仪器的重量而下降。

我国近代气象事业始于竺可桢先生在南京建立的中央研究院气象研究所（现中科院大气所的前身）。1930年5月15日，气象研究所在北极阁施放了第一枚探空气球，同年8月18日放了第二枚，虽曾登报悬赏，征求探空气球的下落，但皆无音讯。直到1936年3月才第一次回收探空气球数据。竺可桢先生在日记中记载：“取得本月十六号所放气球上系带之仪器，毫无损坏，气球则炸破一洞，仪器取出后始知气球达七公里以上时钟即停，因温度达零下二十八度，钟内之油固结之故，因而何时入同温层即无从揣测，所知者最低温度为-63℃，最低气压为73毫米（汞柱），而推算高度为十七余公里，是为第一次测空气球入同温层。....."

中央研究院气象研究所施放测空球，图片来自《国立中央研究院气象研究所概况》（1935年）

探空气球下悬挂的无线电探空仪是观测的核心，目前的仪器都具有GPS定位，配有供电电源，可测量大气温度、湿度、气压及其他参数。气球和探空仪之间一般都系有较长的拉绳，长十几米到几十米不等，主要是为了防止探空仪随气球大幅度摆动。探空仪器重量为300g-1000g，

上升过程中实时将观测得到的气象数据发给地面接受天线，因此现在已经不需要回收仪器获得数据

。当气球在高空膨胀到极限爆炸后，探空仪即自由下落，由于探空仪本身重量不大，且一般外围包裹有较厚泡沫材料，下落阻力较大，加之破碎气球碎片的阻力，下降速度并不大。另外，观测站一般都在偏远地区，对人员威胁较小。

六、现在的探空气球回收：不用归还，随你处置

目前全球各国气象部门基本上都不主动回收探空仪器。一方面是技术进步使常规探测仪器成本大幅度降低（一般数百元），另一方面是在荒郊野岭寻找仪器不仅人员和交通成本巨大，也存在巨大的安全隐患。几年前，笔者团队在敦煌戈壁滩施放探空气球，根据GPS信息寻找气球，用时半天开车近百公里无果而返。因此，通行做法是在仪器包装盒上印制明显标识，说明这是气象观测仪器，无毒无害(也无用)，相当于告知“光纤无铜，割盗无用”，捡到废弃的电子探空仪可自行处理，捡到者交回气象部门时，也只是口头感谢而已，大多不会有物质奖励。目前法国、瑞士、美国部分州还回收仪器，不过回收率都不高，美国的回收率不及20%左右。不过，捡无线电探空仪成了不少人户外运动的特殊爱好。

加拿大无线电探空仪上标签，“你不用还给我们”

美军无线电探空仪上标签，“已经无用，不用归还，随便怎么处置”

新西兰无线电探空仪上标签，“不用归还，不值得修，还得麻烦校正，随你处置，要么你砸了算了……”

七、探空气球无可替代

随着科技的飞速进步，人们对大气层也有了更多的探测手段。现在气象卫星已经成为大气探测的主力军，我国的风云系列、美国的NOAA系列、GOES系列、俄罗斯的“流星”（Meteor）和“电子”系列（Elektro）、日本的GMS和向日葵系列、欧洲的MTG和MetOp系列等都在各国和区域天气预报与防灾减灾中发挥着最重要的作用。

然而，探空气球的探测依然必不可少，因为探空气球有卫星观测无法替代的优点，探空气球是真实的实地的观测，代表了最真实的大气状况。

探空气球对平流层的持续观测在全球天气和气候研究中有关键的作用，平流层环流异常往往是地面天气的先兆和环流背景，是全球极端冷空气的“发动机”。臭氧层也处于平流层，与臭氧损耗相关的ODS物质的观测，大气低层火山和工业污染物也会进入平流层。另外，平流层是全球气候变化的放大器，可以把区域和短期气候事件为全球和长期气候影响，像火山爆发、山火燃烧、核冬天等问题的研究就必须考虑平流层问题。

除了这些常规的气象探空以外，探空气球还发展出了其他的种类，例如系留气球（浮空艇），这类气球在升空后通过缆绳将其栓在地面绞车或其他锚泊设施上，并通过调整缆绳长度控制其升空高度，可携带多种探测仪器，除了温压风湿等常规气象探测意外，还可以进行大气成份和污染物等观测。我国科学家在南极、北极和青藏高原上都进行过相关的观测实验。2022年“巅峰使命”珠峰科考中，我国科学家用浮空艇完成10次升空大气科学观测，最高升空至9050米，创造了浮空艇原位大气科学观测的世界纪录。

我国科学家在北极进行系留气球对大气边界层进行观测，图片来源：中科院大气所

珠穆朗玛峰绒布河谷施放TMT系留气艇图片来源：中科院大气所

平流层和对流层之间的物质交换和动力过程研究需要对这一区域进行长期观测，因此需要能够实现对高空气球的飞行进行控制，使其能够进行高空原位观测。根据中科院公开报道^{^[3]}，2019年研究人员多次在上对流层—下平流层区域开展持续数小时的驻空平漂测量，最长连续飞行观测～31小时，首次突破多大气要素昼夜变化的高空原位探测技术，填补了青藏高原该类观测的空白，研究揭示了青藏高原北缘对流层顶气溶胶层（ATAL）的存在，粒径大多 < 0.25 μm（占98%）

，并通过轨迹模拟，阐明ATAL主要有两大主要来源，分别是喜马拉雅山南麓对流上升和亚洲夏季风反气旋环流引起的沿等熵面准水平运动。

八、被误会的UFO

探空气球普遍采用氢气，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大约为1.5～2米，随着升空大气压力减少，气球逐渐膨胀，到高空最大时直径可达8～9米甚至以上，大多数气球可以升空到20千米高度以上，有些气球质量奇好，甚至可以到达近50千米高度。气球一般上升时间1～2小时，在此期间受高层风影响，可以飘离施放点一两百公里。

由于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，风速远大于超强台风的风速。在这种西风里做观测，当气球升空到平流层中层时，气球已经在数百公里以外了。如果气球质量超级好，一路上升到平流层中高层（30 km以上），那气球会飘得更远。在此基础上若是光线合适，往往会被看做是UFO，网上这么闹的时候，全球气象观测网的观测人员往往笑而不语

。

当然，探空气球如果更大一点质量更好一点，飘出国界可能性也很高。尤其是小国家周围国家林立，这样的事情非常多。法国捡到瑞士的气球，瑞士捡到法国的气球，意大利捡到法国和瑞士的，都是常事了。各国也懒得就此在外交上说事。要是计较这个，那外交部门一天不用做其他事情了，毕竟管得了人，管不了风啊

！

除了气象用途外，这类探空气球已经被发展出了各种功能，例如热气球飞行是各地旅游观光的常见项目；我国东北人民用氢气球打松果，近几年还出现不慎失控，气球带着人升空飘走的新闻报道，让人为操作人员捏一把汗。载人气球进行高空飞行现在也是一项高科技的极限运动，2012年10月14日，奥地利跳伞运动员菲利克斯·鲍姆加特纳（Felix Baumgartner）乘坐氦气球，到达39公里的高空，并从这一高度一跃而下，最终平安降落，打破人类搭乘气球抵达的最高高度和人类自由落体最高时速（1357.64千米/小时，843.6英里/小时）的记录。两年之后，2014年10月24日，谷歌高管艾伦·尤斯塔斯打破人类气球升空的最高纪录，乘坐氦气球到达41.1公里,并成功跳跃。这些让人难以置信的壮举，都是依赖目前更为结实的聚乙烯气球材料。当然，在这么高的高度，温度、气压、空气密度都远低于地面，需要穿和宇航员类似的压力服。在落地之前，还需要准确打开降落伞，并熟练操控降落伞平安降落才行。

在未来很长的时间里，探空气球还是对大气探测的主要手段之一，所以走丢几个气球的概率不低，也会有从天而降的探空仪器。如果偶然发现UFO等神秘现象时，首先得想一下是不是气象探空气球。这样的气球如果正好被太阳照亮，在遥远的天边看起来还是很像飞碟的。

■ 参考文献
Seidel, D. J., N. P. Gillett, J. R. Lanzante, K. P. Shine and P. W. Thorne, 2011: Stratospheric temperature trends: our evolving understanding. Wiley Interdisciplinary Reviews-Climate Change, 2, 592-616, doi: 10.1002/wcc.125.
[1]https://scied.ucar.edu/learning-zone/atmosphere/history-discovery-atmosphere

[2] https://www.cas.cn/syky/202001/t20200113_4731156.shtml

[3] https://www.britannica.com/science/ionosphere-and-magnetosphere