【焦點熱聞】流浪的飛艇 | 地球知識局

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NO.2402-流浪的飛艇

作者：小凱

校稿：朝乾 / 編輯：金槍魚

當?shù)貢r間2月2日，據(jù)美國國防部通報，該國蒙大拿州上空發(fā)現(xiàn)一個高空氣球，根據(jù)計算機反演出的軌跡顯示，該氣球可能來自于中國。北京時間2月3日，中國外交部也在記者會上回應(yīng)并確認該飛艇來自中國，屬民用性質(zhì)，用于氣象科研，受到不可抗力影響誤入美國。

順著西風(fēng)帶，一路遷徙至美國領(lǐng)空 ▼

直到當?shù)貢r間4日下午2點39分，這個氣球在南卡羅來納州外海上空，被美軍F-22“猛禽”戰(zhàn)斗機用導(dǎo)彈擊落。

氣球被擊破的瞬間（上）和美軍回收的氣球（下）

（圖：壹圖網(wǎng)） ▼

一個失控的氣球，引得西方媒體一片嘩然，國內(nèi)外輿論眾說紛紜，其中不乏過度解讀者。作為吃瓜群眾，我們不如回歸氣球本身，探究它本來的用途及發(fā)展歷史。

為了對天氣做出準確和及時的預(yù)報，人類必須持續(xù)不斷地收集盡量豐富的大氣數(shù)據(jù)。地面數(shù)據(jù)可采用人工或者自動化的地面觀測儀器直接獲取，但是高空的氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)速和風(fēng)向等氣象要素較難獲得。

要想獲得地面氣象數(shù)據(jù)倒是不難

可地面和高空的數(shù)據(jù)相差通常很大

（圖：壹圖網(wǎng)）▼

最早的氣象探空采用了風(fēng)箏進行嘗試。1895年，在澳大利亞人勞倫斯·哈格雷夫的幫助下，美國氣象局開始使用箱式風(fēng)箏進行規(guī)?；臍庀笥^測，在全國設(shè)立了27個風(fēng)箏站，定期觀測空中的氣象要素。風(fēng)箏成為了19世紀至20世紀初期人們進行低空觀測的重要工具。

風(fēng)箏探空采用自記的氣壓計、溫度計和濕度計，所謂“自記”就是儀器中的金屬片/盒感應(yīng)到的溫壓變化和毛發(fā)感應(yīng)到的濕度變化傳導(dǎo)給筆桿，并在紙上畫出實測曲線。

早期的濕度計，利用毛發(fā)在不同濕度環(huán)境下的卷曲特性

來反映相對濕度的變化（圖：壹圖網(wǎng)）▼

隨著氣象探空中風(fēng)箏的使用越來越多，諸多短板也逐漸暴露。風(fēng)箏上升高度不足3000米，無法進行高空觀測。在地面附近，風(fēng)箏無法穩(wěn)定地飛行，也無法記錄有效數(shù)據(jù)。更何況風(fēng)力過強和過弱時都不適合放飛，還時常發(fā)生斷線的情況。此外，風(fēng)箏的放飛還受地形限制較大，在地面建筑物附近或者叢林中都不能施放。

風(fēng)箏的應(yīng)用場景十分的窄，天氣越不好越要進行觀測

一個不小心就被雷劈了（圖：壹圖網(wǎng)）▼

隨著20世紀初航空技術(shù)的突飛猛進，1919年美國氣象局開始向飛行員支付費用，讓他們在機翼支柱上安裝氣象觀測設(shè)備，同時規(guī)定飛行高度達到4公里以上才會給飛行員報酬，并且高度每增加300米，飛行員可以額外獲得10%的獎金。

但是在這個高度上飛行是非常危險的事情，飛行員有時會因為缺氧而昏迷。據(jù)統(tǒng)計，1931-1938年間就有12名飛行員喪生。1925年到1943年間，美國氣象局和陸軍航空兵團在全國建立起來由30多個航空站組成的大氣觀測網(wǎng)絡(luò)開展定期觀測。

毋庸置疑，這種危險又鮮有回報的研究

最先都是由軍事部門驅(qū)動的

（圖：壹圖網(wǎng)）▼

雖然探空氣球很早就被發(fā)明，但是直到20世紀初，它仍然只提供風(fēng)箏和飛機觀測結(jié)果的補充數(shù)據(jù)。

1783年，法國物理學(xué)家查理在工程師羅伯特兄弟的幫助下，乘坐著自己發(fā)明的氫氣球在空中飛行兩個多小時。查理還將自記溫度計、自記氣壓計和降落傘系在氫氣球下面，儀器隨著氣球升到高空，在達到一定高度后，氣球爆炸，儀器隨著降落傘落到了地面。

查理（雅克·查爾斯）和他的搭檔

（圖：meisterdrucke）▼

18世紀末到20世紀初，英國人杰弗里斯、沃利斯、福雷斯和格列塞爾等人一直在探索使用氣球測量高空大氣狀態(tài)的方法。值得一提的是，1862年9月5日，格林威治氣象臺臺長格列塞爾與助手在不帶氧氣設(shè)備的情況下，一同乘氣球升入8800米高空，進行了高空探測飛行。

在高空低溫缺氧環(huán)境下，各種設(shè)備都會結(jié)冰

加熱器也可能停止運轉(zhuǎn)

助理：為了升職加薪拼了?。▓D：壹圖網(wǎng)）▼

直到1909年，美國氣象局才開始規(guī)?；?/strong>地使用氣球進行探空，他們用光學(xué)經(jīng)緯儀追蹤小型的探空氣球以獲取高空的風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)。

經(jīng)過多年的發(fā)展，如今的探空氣球，從外表看起來甚至與維多利亞時代英國人用于探測大氣的氣球并沒有什么不同，但是發(fā)展成熟的橡膠工業(yè)已經(jīng)使探空氣球的性能有了質(zhì)的飛躍。

厚重且彈性差的帆布，讓位給了性能優(yōu)越的新材料

（圖：shutterstock）▼

氣球在地面充入氫氣或氦氣，充入量根據(jù)氣球的重量、當?shù)氐臍鈮?、溫度和所需的上升速度而定。在地面上氣球的直徑?米左右，當其上升到高空時將膨脹到直徑10米，甚至更大，此時的球皮厚度卻僅為一張A4紙的1/40。

探空氣球的重量越大，能夠到達的高度也越大，目前探空氣球可以到達40千米的高空完成測量。除了上升高度外，質(zhì)量良好的探空氣球還要同時具備耐熱空氣老化、耐臭氧老化、耐曬老化和耐低溫等性能。

這次新聞事件主角飛行物，就具備4萬米高空飛行的能力

（圖：維基百科）▼

在19世紀末的探空氣球就已經(jīng)能達到平流層高度（中緯度地區(qū)在10公里以上），比彼時風(fēng)箏或者飛機能達到的高度要高得多。

探空氣球在高空飛行性能上的優(yōu)勢

（參考：BBC）▼

但是氣球爆炸后，記錄有數(shù)據(jù)的儀器落回地面，經(jīng)過幾天或者幾周后才能被找到，如果出現(xiàn)儀器損壞或者丟失的情況，數(shù)據(jù)也無從獲得。有人在氣球上綁上繩子，使其始終和地面相連，這樣確實保證了觀測數(shù)據(jù)的獲取，但也限制了氣球所能上升的高度。

拴上繩子，本質(zhì)上只是放了個異形風(fēng)箏罷了

（圖：壹圖網(wǎng)）▼

真正讓探空氣球成為氣象探空的主要手段，也讓氣象探空邁入大規(guī)模業(yè)務(wù)化時代的，是無線電傳輸高空數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展。

1928年，蘇聯(lián)科學(xué)家莫爾恰夫發(fā)明了無線電探空儀。無線電探空儀可以實時記錄并向地面發(fā)送實測數(shù)據(jù)，避免了探空氣球的儀器回收難題。兩年后，莫爾恰夫在白俄羅斯首次完成了平流層的無線電探空儀觀測，探空高度達到了15~20公里。

搭配蘇聯(lián)自研的高空氣球使用效果更佳

（圖：shutterstock）▼

1931年，芬蘭人維薩拉發(fā)明了芬式無線電探空儀。這類探空儀非常小巧，大概相當于一個文具盒的大小，重量只有250克，而且不受惡劣天氣的影響，探空高度也進一步抬高到30~40km。由于其出色的性能，這類無線電探空儀迅速在全世界推廣使用，維薩拉也創(chuàng)立了以自己名字命名的公司。

到了這個高度，已經(jīng)完全屬于平流層

（圖：壹圖網(wǎng)）▼

除了無線電探空儀和探空氣球以外，要完成一次高空氣象觀測還需要地面設(shè)備的支持，其中最重要的是信號接收和定位系統(tǒng)。

20世紀初，美國氣象局用來測量風(fēng)速的探空氣球在使用時與一盞小燈同時放飛，用光學(xué)經(jīng)緯儀追蹤燈光確定氣球的位置來測算風(fēng)速和風(fēng)向。晴空時追蹤距離的極限只有5公里左右，有云或者天氣惡劣時，氣球追蹤距離極限便大大降低。

而二戰(zhàn)催生的另一項發(fā)明——雷達——則更好地完成了這一功能。1935年，蘇格蘭物理學(xué)家瓦特發(fā)明了第一臺實用雷達。第二年的1月，英國人在索夫克海岸架起了第一個雷達站。二戰(zhàn)之后，雷達迅速在氣象、航空、資源勘探等各個領(lǐng)域得到應(yīng)用。

目前，我國業(yè)務(wù)中采用的接收系統(tǒng)就是L波段二次測風(fēng)雷達，它可以放大、解調(diào)探空儀發(fā)回的探空信號。

部隊使用的光學(xué)經(jīng)緯儀（左）

測風(fēng)雷達的構(gòu)造示意圖（右）

（圖：壹圖網(wǎng) / windar photonics）▼

同時，為了測量高空風(fēng)場，雷達需要實時給探空氣球定位。定位過程中，地面雷達向探空儀發(fā)出“詢問信號”，探空儀收到信號后，發(fā)出響應(yīng)的“回答信號”被雷達接收。

根據(jù)“一問一答”的時間間隔和“回答信號”來向，業(yè)務(wù)人員就可以測定探空氣球離雷達的直線距離、方位角、仰角，然后根據(jù)氣球的漂移情況，進一步推算出風(fēng)速和風(fēng)向。

雷達定位工作的原理 ▼

衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是繼雷達系統(tǒng)之后的下一代接收系統(tǒng)。雷達在工作時需要大功率發(fā)射機，因而地面設(shè)備投資較大，在低仰角下測風(fēng)誤差大；而衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)地面設(shè)備簡單，可自動化潛能大，可以大幅度減少運行和維護費用，定位也更準確。

衛(wèi)星氣象系統(tǒng)站得更高，也因此看得更遠

在不同觀測尺度下和氣象氣球能夠很好地配合

（圖：shutterstock）▼

如今，美國和歐洲的地面接收系統(tǒng)已經(jīng)被GPS導(dǎo)航測風(fēng)探空系統(tǒng)替代，我國在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)成功之后，也研制成功了基于北斗導(dǎo)航定位的探空系統(tǒng)，現(xiàn)在正在業(yè)務(wù)試運行階段，未來將代替現(xiàn)有的雷達系統(tǒng)，提升我國的探空觀測水平。

盡管如今是衛(wèi)星測量的時代，但是探空氣球作為一種接觸式（非遙感）的探測手段，仍然是能夠反映最真實的大氣狀況的方法。

體感的總比“看”到的更準確信息更豐富一些

（圖：shutterstock）▼

目前，全國各地分布著120個探空站，每日兩次進行常規(guī)探空，即每日8時和20時釋放探空氣球，在地面到高度約40千米的范圍內(nèi)收集氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)速和風(fēng)向的數(shù)據(jù)。

以氣球為平臺的探空觀測方法只能完成當?shù)貧庀笠氐臏y量，為了獲取更加完整的全球性大氣數(shù)據(jù)，加強國家間合作，2007年舉行的第十五次世界氣象大會上決定建立世界氣象組織綜合全球觀測系統(tǒng)，關(guān)于高空觀測的資料交換是其中的重要內(nèi)容。截至目前，全球資料交換探空站共有818個。

中國的業(yè)務(wù)網(wǎng)包含了120個站點，承擔(dān)全球資料交換任務(wù)的有89個站點，站點間的平均距離在300km左右。但是站點分布并不均勻，東部地區(qū)站點較密，西部地區(qū)站點稀疏。

在全球氣候觀測系統(tǒng)（GCOS）的網(wǎng)站上

可以看到世界各地的一些探空站

不同顏色的點屬于不同的項目（來源：GCOS）▼

除了測量用于預(yù)報的氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)向和風(fēng)速等常規(guī)氣象要素以外，氣象探空還常常用于科學(xué)研究，可以測量大氣中的臭氧、輻射、大氣電場等。

例如，我國的青藏科考隊在珠峰大本營將探空氣球放飛至海拔高度為38.2千米的高空，氣球停止升空，在此過程中測量了高原上的完整的臭氧濃度分布，這對臭氧在地面的生成、高空和地面的交換過程的研究有很大幫助。

除了珠峰，在另外一些重要的氣候站點（例如極地）

也早早就有氣象科學(xué)家的足跡

（圖：shutterstock）▼

近幾十年，飛艇也成為各國技術(shù)攻關(guān)的目標。自“十五”計劃以來，我國多家單位也開始了這方面的研究。某單位研制的飛艇可以在19~20km高度駐空飛行30天以上，巡航速度為25m/s，目前已經(jīng)完成了3天的關(guān)鍵技術(shù)試驗。

飛艇的造型可以很多變，魚雷形是一種傳統(tǒng)

（圖：壹圖網(wǎng)）▼

平流層飛艇相對于探空氣球和飛機有更長的留空時間，相對于衛(wèi)星有更大的載荷和更小的制造和運行成本。未來或可實現(xiàn)類似靜止衛(wèi)星一樣的長時間“凝視”，可以部署在氣象觀測困難、自然條件惡劣的地區(qū)。

所以下一次當你在仰望天空時，天空或許也在凝視你

（圖：壹圖網(wǎng)）▼

直到今天，人們所能獲取的高空大氣數(shù)據(jù)還遠遠不夠。雖然陸地上觀測站密布，但是我們卻不能同等程度上有效地收集海洋上的大氣數(shù)據(jù)。人們對于地球大氣的探測和研究仍然道阻且長。

參考資料：

1. 曹曉鐘,夏元彩,羅皓文,劉立輝,劉銀鋒,劉振宇,李欣,郭然,郭啟云.氣象探空觀測的技術(shù)發(fā)展與未來展望[J].氣象科技進展,2022,12(05):27-36.

2. https://www.thetimes.co.uk/article/weather-eye-how-box-kites-revolutionised-meteorology-3vw228htpxt

3. https://www.cma.gov.cn/kppd/kppdrt/201403/t20140320_241017.html

4. https://amdar.noaa.gov/docs/bams/

5. https://www.weather.gov/upperair/reqdahdr

6. http://cq.cma.gov.cn/sqxj/qxfw/qxkj/202112/t20211223_4322361.html

7. 李琳,賀海燕.高空氣象探測工作中的常見問題及對策探討[J].農(nóng)業(yè)災(zāi)害研究,2022,12(07):115-117.

8. 楊曉武,林雪嬌,張楠,施麗娟,裴翀.世界氣象組織（WMO）全球綜合觀測系統(tǒng)（WIGOS）最新進展[J].氣象科技進展,2022,12(05):120-126.

9. 肖迪娥,張望.氣象氣球的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(一)[J].中國橡膠,2009,25(09):11-14.

10. 曹曉鐘,夏元彩,羅皓文,劉立輝,劉銀鋒,劉振宇,李欣,郭然,郭啟云.氣象探空觀測的技術(shù)發(fā)展與未來展望[J].氣象科技進展,2022,12(05):27-36.

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封面：壹圖網(wǎng)