氣球在日常生活中很常見，它可以用來裝飾開業(yè)慶典的拱門，可以印制自己的廣告圖案作為宣傳，也可以印上結(jié)婚新人的相片作為祝賀等等，氣球已經(jīng)成為一道亮麗的風(fēng)景線，越來越得到人們的青睞！這不，2017年9月份，不甘寂寞的氣球成功占據(jù)了各大傳媒的頭條，正式翻身成為了一名“網(wǎng)紅”。說起“網(wǎng)紅”氣球成名的原因，主要是它來自于中國科學(xué)院，是一個(gè)外形像是飛艇的系留氣球。聽眾朋友們可能會(huì)好奇，居然還有研究氣球的科學(xué)實(shí)驗(yàn)？其中隱藏著哪些科學(xué)技術(shù)呢？?

　　說起氣球，大家最早接觸到的一定是五顏六色、可以用嘴吹的橡膠氣球，也一定夢想過像《飛屋環(huán)游記》那樣用氣球把自己帶上天。似乎很少有人會(huì)把氣球和科研聯(lián)系起來，但中國科學(xué)院確實(shí)有一個(gè)氣球飛行器研究中心，全名是中國科學(xué)院浮空器系統(tǒng)研究發(fā)展中心。大家也許會(huì)想，中科院不是搞科研的地方嗎，這個(gè)氣球中心的任務(wù)難道就是做各種氣球的？?

　　當(dāng)你真正了解了這項(xiàng)研究，會(huì)發(fā)現(xiàn)此氣球非彼氣球。高空科學(xué)氣球?qū)儆诟】掌鞯囊活悾饕糜诳茖W(xué)試驗(yàn)和各類高空飛行任務(wù)。浮空器顧名思義就是主要依靠浮力作為主要升力來源的飛行器。這里進(jìn)行飛行試驗(yàn)的氣球可不簡單，它們是擁有幾萬、幾十萬立方空間的高空科學(xué)氣球，想要用嘴吹估計(jì)得全國人民一起來吹了。?

　　當(dāng)然，高空氣球可不能靠嘴吹，除非你是個(gè)活的快速氦氣發(fā)生器。一是因?yàn)榭諝馐遣荒墚a(chǎn)生升力的，目前的浮空器所使用的基本都是氦氣；二是因?yàn)槊看伟l(fā)放使用的氦氣都得用卡車來拉，而且充氣操作往往要持續(xù)好幾小時(shí)。所以說，浮空器與我們小時(shí)候玩過的氣球還是有很大的差別的。但是等真正參與到飛行試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)原來這里還是有一種和玩具氣球類似的東西，也就是今天要介紹的探空氣球了。?

　　探空氣球，顧名思義就是用來探測天空的氣球，準(zhǔn)確地說是探測從地面到幾十公里高空的大氣空間參數(shù)。在進(jìn)行大型浮空器尤其是高空浮空器的飛行前，僅僅根據(jù)氣象數(shù)據(jù)還無法很好地判斷發(fā)放窗口和規(guī)劃飛行路線，這就需要提前發(fā)放一系列的探空氣球，利用反饋回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)測。說起探空氣球，研究氣象方面的人士一定不會(huì)陌生，世界各地那么多氣象站幾乎每天都要發(fā)放探空氣球，來獲取從地面到幾十公里高空大氣垂直剖面的參數(shù)。?

　　探空氣球在二十世紀(jì)二十年代就得到了實(shí)際應(yīng)用，它們一直被沿用至今，并且沒有多少根本性的變化。探空氣球可以直接測量從地面到超過30千米高度的大氣壓力、溫度、濕度和風(fēng)速風(fēng)向等高空氣象數(shù)據(jù)。它們價(jià)格低廉且發(fā)放簡單，對于各地氣象站的大量使用來說是非常合適的。直到今天，探空氣球仍是高空氣象最主要的直接探測方式之一，原因包括低成本、易操作、升速慢。探空氣球想要平穩(wěn)獲取大氣垂直剖面較密集的數(shù)據(jù)點(diǎn)，速度快了還真不行。而且，雖然探空氣球成本不高，使用后一般也不進(jìn)行回收，但也不是可以隨便放的。為了更準(zhǔn)確地獲取氣象數(shù)據(jù)，每一個(gè)探空氣球的發(fā)放時(shí)間點(diǎn)和氣球的發(fā)放數(shù)量都是根據(jù)計(jì)算要求嚴(yán)格執(zhí)行的。?

　　探空氣球基本為橡膠氣球，其原料是天然橡膠，它比任何化學(xué)合成物質(zhì)都有著更優(yōu)異的伸長特性，它在一個(gè)方向上的伸長率可以超過500%。形成這種特質(zhì)的原因在于，橡膠是具有可逆形變的高彈性聚合物材料，當(dāng)橡膠分子不受外力作用時(shí)是一個(gè)具有大量彎曲的長鏈，所以當(dāng)外力作用于橡膠時(shí)，分子鏈可拉伸范圍極大；外力撤銷后，橡膠便恢復(fù)到原來的狀態(tài)。當(dāng)在橡膠中添加硫元素進(jìn)行硫化處理時(shí)，加入的硫在相鄰的長鏈之間形成了交鍵，這提高了橡膠的彈性變形特性。橡膠氣球在地面充入浮升氣體后，逐漸呈現(xiàn)正球形，當(dāng)氣球上升時(shí)，材料不斷拉伸，球體表面積不斷增大，當(dāng)氣球到達(dá)其膨脹極限時(shí)就會(huì)爆炸，從而結(jié)束飛行過程。?

　　橡膠氣球的大小受到制造方法的限制，而且有效的承載能力一般比較小。橡膠氣球自身的質(zhì)量一般在幾百克，探空儀的質(zhì)量一般也在一千克以內(nèi)，單人手持就可發(fā)放。根據(jù)充入的氣體量可以控制氣球的升速，同時(shí)也決定氣球探測的高度。因?yàn)槌淙氲臍怏w越多，升速越快，但達(dá)到膨脹極限的高度也越低，在破裂之前探測的高度也低。所以實(shí)際使用時(shí)要根據(jù)對探測高度和升空速度的要求確定充氣量。?

　　當(dāng)然，這個(gè)方法僅限于特殊使用情況，氣象站在使用時(shí)都是有一套成熟的操作規(guī)范的，只要照著做就好了。至于發(fā)放方式，風(fēng)小的時(shí)候怎么都好說，把氣球升起來，一撒手就行。至于風(fēng)大的時(shí)候，就看工作人員的運(yùn)算速度和身體協(xié)調(diào)能力了。等氣球越升越高，又成了大家鍛煉視力的好時(shí)候，往往到最后變成一個(gè)小點(diǎn)的時(shí)候，眨一下眼就找不到了。?

　　探空儀內(nèi)部安裝有大氣參數(shù)測量裝置和GPS定位裝置，同時(shí)還配有供電能源，通過地面的天線對探空氣球進(jìn)行追蹤并獲取回傳數(shù)據(jù)。大氣參數(shù)探測一般包括大氣溫度、濕度和當(dāng)?shù)卮髿鈮?，GPS定位裝置則用于獲取位置及位置變化，以便推算高度、升速、水平風(fēng)速風(fēng)向等等。氣球與探空儀之間一般都系有很長的拉繩，長度一般在十幾米到幾十米不等，以防止探空儀隨氣球大幅度擺動(dòng)，影響GPS數(shù)據(jù)。當(dāng)然，有些情況下也可以把探空儀直接連接至球體底部，一切根據(jù)探測的需求來決定。?

　　探空氣球在完成使命后會(huì)爆炸并自由下落，由于探空儀本身重量很輕，并且外部一般包裹有很厚的泡沫，因此會(huì)產(chǎn)生很大的阻力，再加上氣球殘留碎片的阻力，整個(gè)系統(tǒng)的降落速度會(huì)相對比較慢，至少不會(huì)對地面人員造成威脅。盡管如此，探空氣球的發(fā)放還是應(yīng)該盡量選在地廣人稀的地方進(jìn)行。?

　　近些年來，很多高校的學(xué)生甚至愛好者們，喜歡使用探空氣球完成各種各樣的“臨近空間”飛行。這里所說的臨近空間，就是人類活動(dòng)的大氣區(qū)域和外太空之間的空間，高度一般定義在20至100公里。探空氣球可以攜帶幾百克乃至公斤量級的小型無線電設(shè)備或其他電子設(shè)備；可以攜帶經(jīng)過保溫處理的小型相機(jī)進(jìn)行航拍；還可以加裝小型攝像機(jī)對升空過程和下降過程進(jìn)行第一視角的記錄。?

　　如果想把這些設(shè)備回收，還需要在氣球與設(shè)備之間安裝一個(gè)降落傘和植入一套定位系統(tǒng)。甚至還有人在氣球底部安裝了一個(gè)自動(dòng)排氣系統(tǒng)，使氣球在到達(dá)一定高度后自動(dòng)排氣，進(jìn)而達(dá)到浮力與重力保持平衡的效果，完成一段水平飛行。總之，氣球就像一個(gè)高中物理實(shí)驗(yàn)課上的通用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，你可以發(fā)揮你的聰明才智，想出各種飛行和試驗(yàn)的方式并把這些想法付諸實(shí)踐，在探索科學(xué)的同時(shí)，享受其中的樂趣。?

　　當(dāng)然，探空氣球的應(yīng)用不只是停留在科學(xué)探索和興趣愛好這個(gè)層面，氣球還更多地被用于造福人類。?

　　美國有一家空間數(shù)據(jù)公司，曾推行過一個(gè)代號為“天戰(zhàn)計(jì)劃”的氣球民用計(jì)劃，用探空氣球攜帶通信設(shè)備飛行到20公里的高度，為美國的油氣公司提供通信信號，而且信號覆蓋率比地面發(fā)射塔還要好。這種低成本的“空中基站”為這些公司節(jié)省了大量開支。說起這個(gè)計(jì)劃大家可能比較陌生，但最近幾年大熱的谷歌氣球項(xiàng)目，其實(shí)就是以“天站計(jì)劃”的設(shè)計(jì)理念為原型。當(dāng)然，他們使用的氣球已經(jīng)是比探空氣球不知先進(jìn)多少倍的超壓氣球了。?

　　總的來說，探空氣球是人類研究平流層的重要工具，在氣象學(xué)發(fā)展和造福人類中起到了重要作用。目前，雖然更先進(jìn)的工具，比如探空火箭、氣象雷達(dá)、氣象衛(wèi)星等已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但探空氣球仍是科學(xué)研究中不可缺少的工具。?

　　好的，今天的非?？茖W(xué)到這里就要告一段落了。如果您想要了解更多的科普信息，可以搜索微信公眾號“feichangkexue”來關(guān)注我們，或者通過新浪官方微博“經(jīng)濟(jì)之聲非?？茖W(xué)”與我們節(jié)目組進(jìn)行互動(dòng)。主持人亞楠代表編輯制作感謝大家的收聽，并誠邀您明天同一時(shí)間繼續(xù)與我們相約《非?？茖W(xué)》。?



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