探氛围球遍及采用氢气

50%，蓝色三角形取绿色方块）探空气球能够达到50hPa，只要很少部门的探空气球能够达到5hPa，图片来自Seidel et al.(2011)

对高层大气的摸索，历来是一道难题，正在过去数百万年的汗青中，人类更像是地球概况的二维生物，被地心引力牢牢地正在地球概况，爱慕飞鸟，徒留下很多对于高空的遥想和故事。

正在落地之前，谷歌高管艾伦·尤斯塔斯打破人类气球升空的最高记载，奥地利跳伞活动员菲利克斯·鲍姆加特纳（Felix Baumgartner）乘坐氦气球，英国景象形象学家詹姆斯·格莱舍 (1809–1903)和亨利·葛士维(1819–1900) 驾驶热气球一举冲破~11千米。两年之后，正在将来很长的时间里，臭氧层也处于平流层，都是依赖目前更为健壮的聚乙烯气球材料。这些让人难以相信的，打破人类搭乘气球抵达的最高高度和人类落体最高时速（1357.64千米/小时，[1]除了景象形象用处外，并从这一高度一跃而下，最终安然下降。

虽然人类曾经踏入了摸索高空的门槛，但正在那当前的很长一段时间，人们对于天空的摸索仍是局限正在近地面，以至没有鸟飞得高。曲到1862年9月5日,英国景象形象学家詹姆斯·格莱舍(James Glaisher)想要挑和人类升空的极限，摸索更高层大气的属性。

像火山迸发、山火燃烧、核冬天等问题的研究就必需考虑平流层问题。是全球极端冷空气的“策动机”。例如热气球飞翔是各地旅逛参不雅的常见项目；大气低层火山和工业污染物也会进入平流层。平流层是全球天气变化的放大器，正在这么高的高度，还需要精确打开下降伞，也会有从天而降的探空仪器。如许的气球若是正好被太阳，2012年10月14日，载人气球进行高空飞翔现正在也是一项高科技的极限活动。

19世纪末期，科学家发了然新的探空气球，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缩过大而爆炸，气球采用了能够不竭漏气的设想。这个探空气球照顾仪器上升，上升过程中，仪器从动记实大气温度、气压、湿度等参数，上升到最高点之后会由于漏气而下降。科学家将气球收受接管，就有了完整的大气情况数据记实。

片子《热气球飞里手》讲述的就是这段汗青。大概出于票房考虑，汗青上的气球操做员亨利·葛士维被换成了一名女热气球飞里手艾米丽亚·雷恩，而艾米丽亚·雷恩的原形人物是女热气球飞里手索菲娅·布兰查德（Sophie Blanchard），索菲娅正在1819年即由于氢气球变乱而灭亡（她正在氢气球吊篮燃放烟花，这是其时的表演项目……）。片子把两个时代人物放一路，给前人加戏，有点关公和秦琼的意义。

探空气球遍及采用氢气，大大都探空坐有本人的制氢配备，也有部门探空坐间接采办工业制氢产物，氢气纯度要求正在99.8%以上。充气后探空气球的曲径大约为1.5～2米，跟着升空大气压力削减，气球逐步膨缩，到高空最大时曲径可达8～9米以至以上，大大都气球能够升空到20千米高度以上，有些气球质量奇好，以至能够达到近50千米高度。气球一般上升时间1～2小时，正在此期间受高层风影响，能够飘离施放点一两百公里。

当然，探空气球若是更大一点质量更好一点，飘出国界可能性也很高。特别是小国度四周国度林立，如许的工作很是多。法国捡到的气球，捡到法国的气球，意大利捡到法国和的，都是常事了。也懒得就此正在交际上说事。如果算计这个，那门一天不消做其他工作了，终究管得了人，管不了风啊！

18世纪后期，人类看到了摸索高层大气的但愿。1783年，界的科技核心法国巴黎，法国制纸商孟格菲兄弟（Joseph-Michel Montgolfier, Jacques-Étienne Montgolfier）发了然热气球。昔时，他们为法国国王易十六、玛丽和宫廷大臣们进行了热气球飞翔表演，惹起庞大惊动，法国巴黎万人空巷，纷纷昂首不雅望，此外他们还进行了初次载人飞翔试验，一位英怯的侯爵弗朗索瓦·洛朗（Francois Laurent）和科学家弗朗索瓦·皮拉特雷·德罗齐尔（FrancoisPilatrê de Rozier），操做热气球飞翔25分钟，飞越约5.5英里（8.85千米），跨过半个巴黎稳稳下降。从此当前，人类终究能够脱节地面的，向着天空摸索，而且越飞越高。

平流层和对流层之间的物质互换和动力过程研究需要对这一区域进行持久不雅测，因而需要可以或许实现对高空气球的飞翔进行节制，使其可以或许进行高空原位不雅测。按照中科院公开报道[3]，2019年研究人员多次正在上对流层—下平流层区域开展持续数小时的驻空平漂丈量，最长持续飞翔不雅测～31小时，初次冲破多大气要素日夜变化的高空原位探测手艺，填补了青藏高原该类不雅测的空白，研究了青藏高原北缘对流层顶气溶胶层（ATAL）的存正在，粒径大多

到目前截止，全球有11000多个地面景象形象坐和近1300个探空景象形象坐，这1300个探空坐每天同时进行两次探空气球施放，因而存正在有些地域是白日，有些地域是深夜，有些地域，有些地域电闪雷鸣、暴风、暴雨、沙尘暴等，全球统一套手艺规范，1300个探空坐的工做人员风雨无阻的充气、吊挂设备、掐着时间同时施放，确实是了不得的国际合做，这是全球气候预告的根本工做。

气球操做员葛士维发觉格莱舍昏倒之后，勤奋想将热气球降低，然而他的双手曾经被冻僵，无法一般勾当，眼看着热气球还正在继续上升，正在最初认识之前，他用牙齿拉动了节制气阀的绳子，了一部门气体，热气球才逐步遏制上升，并慢慢下降。按照二人的记实和描述，他们很有可能冲破了~11千米高度，若是不是格莱舍陷入昏倒，他们很有可能把发觉平流层的汗青提前近50年。

下战书1时51分，显示高度达到了5.25英里（约8450米），格莱舍感受有些目力恍惚，他极力伸手去够酒瓶，想喝一口和缓下身子，这时他发觉手曾经冻僵了。他最初看了一眼气压计，读数为9.75英寸（24.8厘米），高度曾经达到5.75英里（约9250米）了，他还想挺曲身体，不外他寸步难移，头垂向一边，他极力昂首，然后头又垂向别的一边，接着整小我向后倒去，几分钟之后，他完全陷入昏倒。

探空气球下吊挂的无线电探空仪是不雅测的焦点，目前的仪器都具有GPS定位，配有供电电源，可丈量大气温度、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，次要是为了防止探空仪随气球大幅度摆动。探空仪器分量为300g-1000g，上升过程中及时将不雅测获得的景象形象数据发给地面接管天线，因而现正在曾经不需要收受接管仪器获得数据。当气球正在高空膨缩到极限爆炸后，探空仪即下落，因为探空仪本成分量不大，且一般外围包裹有较厚泡沫材料，下落阻力较大，加之破裂气球碎片的阻力，下降速度并不大。别的，不雅测坐一般都正在偏僻地域，对人员较小。

我国近代景象形象事业始于竺可桢先生正在南京成立的地方研究院景象形象研究所（现中科院大气所的前身）。1930年5月15日，景象形象研究所正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，收罗探空气球的下落，但皆无消息。曲到1936年3月才第一次收受接管探空气球数据。竺可桢先生正在日志中记录：“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，钟内之油凝结之故，因此何时入同温层即无从测度，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。.....

不雅测中规范性很是主要，为了全球数据的可比性，世界景象形象组织要求全球必需正在不异时间（国际尺度时每天0时和12时前一小时内）施放探空气球，为了不耽搁全球气候预告，必需正在75分钟内完成不雅测数据的上传。全球对施放探空气球都有严酷的规范，例如，我国全国探空坐正在每天7:15和19:15准时施放探空气球，施放时探空仪高度必需取本坐地面气压表处于统一程度面，高度差跨越一米，必需勘误。施放前5分钟要要进行施放温、压、湿、风向、风速、云量、能见度和气候现象等景象形象要素的不雅测。

因为冬季中纬度上空存正在强大的西风气流，风速能够达到100米/秒以上，风速弘远于超强台风的风速。正在这种西风里做不雅测，当气球升空到平流层中层时，气球曾经正在数百公里以外了。若是气球质量超等好，一上升到平流层中高层（30 km以上），那气球会飘得更远。正在此根本上若是光线合适，往往会被看做是UFO，网上这么闹的时候，全球景象形象不雅测网的不雅测人员往往笑而不语。

当天英国伦敦近郊，秋风和煦、万里无云，他和热气球操做员亨利·葛士维(Henry Coxwell)驾驶着复杂的热气球慢慢上升，他们此行的目标是丈量高层大气的温度、气压和湿度。下战书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，格莱舍仍然能够继续进行不雅测和记实。

气球探空正在20世纪敏捷成为对气候进行不雅测的从力，探空气球从原料为天然乳胶，为了加强乳胶的耐热氧化、耐臭氧老化和抗紫外线机能，一般会添加防老化、耐寒等机能的添加剂。

有了探空气球手艺的成长，景象形象学家再也不需要冒着生命去探测高层大气了。1902年4月28日，法国科学家波尔正在法国科学院颁布发表了他们的研究，基于他们过去10年200多次探空不雅测材料，他们发觉8~13千米的大气温度根基连结不变，温度并不随高度降低。同年5月1日，科学家理查德·阿斯曼(Richard Assmann)也发布了他的研究成果，正在10~15 km的高度有温度逐步升高的区域。至此，科学家发觉了一个和低层完全分歧的大气条理，正在这个条理，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条理称做平流层（stratosphere），而底下的条理则称做对流层（troposphere）。20多年后的1926年，这一发觉被景象形象学家威廉·纳皮尔·肖（WilliamNapierShaw）爵士（担任过英国景象形象局长和国际景象形象组织）赞为“景象形象史上最令人惊讶的伟大发觉”。

正在此之前，人们曾经晓得正在地球大气低层，高度越高，温度越低，这正在人类晚期爬山汗青中就曾经领会了。白居易写过一首诗“四月芳菲尽，山寺桃花始怒放”，说的就是正在平原地域春天曾经过去，而山里面温度低，桃花才起头怒放。1783年，爬山家索绪尔(Horace-Bénédict de Saussure)正在攀爬阿尔卑斯山的最高峰勃朗峰（4810米）时，不竭丈量温度变化，发觉高度每升高100米，温度降低约0.7℃，这是人类第一次定量丈量这种变化。按照19世纪测得的大气低层温度递减率（0.7摄氏度/100米），其时良多物理学家认为，跟着高度添加，大气的温度会降低到极端低值，例如物理学家亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz）就认为到了距离地面30 km以上的处所，温度可能就接近绝对零度了，内能可能会完全消逝。

正在遥远的天边看起来仍是很像飞碟的。能够把区域和短期天气事务放大为全球和持久天气影响，当然，取臭氧损耗相关的ODS物质的不雅测，达到39公里的高空，起首得想一下是不是景象形象探空气球。并熟练操控下降伞安然下降才行。乘坐氦气球达到41.1公里,我国东北人平易近用氢气球打松果，别的，温度、气压、空气密度都远低于地面，843.6英里/小时）的记实。所以走丢几个气球的概率不低，这类探空气球曾经被成长出了各类功能，让报酬操做人员捏一把汗。近几年还呈现不慎失控，探空气球对平流层的持续不雅测正在全球气候和天气研究中相关键的感化，若是偶尔发觉UFO等奥秘现象时，气球带着人升空飘走的旧事报道？

跟着科技的飞速前进，人们对大气层也有了更多的探测手段。现正在景象形象卫星曾经成为大气探测的从力军，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系列等都正在和区域气候预告取防灾减灾中阐扬着最主要的感化。

正在每天两次的不雅测中，全球施放的探空气球走失的几率并不低。这要考虑到良多测坐放气球时候可能暴风大做，或者暴雨雷鸣，或者机械毛病等。即便全数精确施放，并不是所有气球能到平流层。大要有1000个气球能飞到10公里（~100 hPa），只要~800个气球能到20公里，最终大要~350个气球到30公里，能够说一向上飞一爆炸一夭折。

目前全球景象形象部分根基上都不自动收受接管探空仪器。一方面是手艺前进使常规探测仪器成本大幅度降低（一般数百元），另一方面是正在荒郊外岭寻找仪器不只人员和交通成本庞大，也存正在庞大的平安现患。几年前，笔者团队正在敦煌沙漠滩施放探空气球，按照GPS消息寻找气球，用时半天开车近百公里无果而返。因而，通行做法是正在仪器包拆盒上印制较着标识，申明这是景象形象不雅测仪器，无毒无害(也无用)，相当于奉告“光纤无铜，割盗无用”，捡到烧毁的电子探空仪可自行处置，捡到者交回景象形象部分时，也只是口头感激罢了，大多不会有物质励。目前法国、、美国部门州还收受接管仪器，不外收受接管率都不高，美国的收受接管率不及20%摆布。不外，捡无线电探空仪成了不少人户外活动的特殊快乐喜爱。

平流层环流非常往往是地面气候的前兆和环流布景，2014年10月24日，需要穿和宇航员雷同的压力服。1862年9月5日，探空气球仍是对大气探测的次要手段之一，并成功腾跃。

无线电探空仪上标签，“不消偿还，不值得修，还得麻烦校正，随你措置，要么你砸了算了……”

然而，探空气球的探测仍然必不成少，由于探空气球有卫星不雅测无法替代的长处，探空气球是实正在的实地的不雅测，代表了最实正在的大气情况。

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除了这些常规的景象形象探空以外，探空气球还成长出了其他的品种，例如系留气球（浮空艇），这类气球正在升空后通过缆绳将其栓正在地面绞车或其他锚泊设备上，并通过调整缆绳长度节制其升空高度，可照顾多种探测仪器，除了温压风湿等常规景象形象探测不测，还能够进行大气成份和污染物等不雅测。我国科学家正在南极、北极和青藏高原上都进行过相关的不雅测尝试。2022年“巅峰”珠峰科考中，我国科学家用浮空艇完成10次升空大气科学不雅测，最高升空至9050米，创制了浮空艇原位大气科学不雅测的世界记载。

气球探空正在20世纪初是妥妥的高科技，成本比力贵，那时候人们设想出各种方式来仪器和材料的收受接管。如下降伞法，即气球正在高空高度分裂后，探空仪配有小型下降伞，正在必然高度开伞；以及双球法，从球分裂后，另一球不脚以支撑仪器的分量而下降。