【焦點(diǎn)熱聞】流浪的飛艇 | 地球知識(shí)局

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(資料圖片)

NO.2402-流浪的飛艇

作者：小凱

校稿：朝乾 / 編輯：金槍魚

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

順著西風(fēng)帶，一路遷徙至美國(guó)領(lǐng)空 ▼

直到當(dāng)?shù)貢r(shí)間4日下午2點(diǎn)39分，這個(gè)氣球在南卡羅來納州外海上空，被美軍F-22“猛禽”戰(zhàn)斗機(jī)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(gè)失控的氣球，引得西方媒體一片嘩然，國(guó)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(duì)天氣做出準(zhǔn)確和及時(shí)的預(yù)報(bào)，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(dòng)化的地面觀測(cè)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(jìn)行嘗試。1895年，在澳大利亞人勞倫斯·哈格雷夫的幫助下，美國(guó)氣象局開始使用箱式風(fēng)箏進(jìn)行規(guī)模化的氣象觀測(cè)，在全國(guó)設(shè)立了27個(gè)風(fēng)箏站，定期觀測(cè)空中的氣象要素。風(fēng)箏成為了19世紀(jì)至20世紀(jì)初期人們進(jìn)行低空觀測(cè)的重要工具。

風(fēng)箏探空采用自記的氣壓計(jì)、溫度計(jì)和濕度計(jì)，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(shí)測(cè)曲線。

早期的濕度計(jì)，利用毛發(fā)在不同濕度環(huán)境下的卷曲特性

來反映相對(duì)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(jìn)行高空觀測(cè)。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(qiáng)和過弱時(shí)都不適合放飛，還時(shí)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(chǎng)景十分的窄，天氣越不好越要進(jìn)行觀測(cè)

一個(gè)不小心就被雷劈了（圖：壹圖網(wǎng)）▼

隨著20世紀(jì)初航空技術(shù)的突飛猛進(jìn)，1919年美國(guó)氣象局開始向飛行員支付費(fèi)用，讓他們?cè)跈C(jī)翼支柱上安裝氣象觀測(cè)設(shè)備，同時(shí)規(guī)定飛行高度達(dá)到4公里以上才會(huì)給飛行員報(bào)酬，并且高度每增加300米，飛行員可以額外獲得10%的獎(jiǎng)金。

但是在這個(gè)高度上飛行是非常危險(xiǎn)的事情，飛行員有時(shí)會(huì)因?yàn)槿毖醵杳?/strong>。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1931-1938年間就有12名飛行員喪生。1925年到1943年間，美國(guó)氣象局和陸軍航空兵團(tuán)在全國(guó)建立起來由30多個(gè)航空站組成的大氣觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)開展定期觀測(cè)。

毋庸置疑，這種危險(xiǎn)又鮮有回報(bào)的研究

最先都是由軍事部門驅(qū)動(dòng)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(jì)初，它仍然只提供風(fēng)箏和飛機(jī)觀測(cè)結(jié)果的補(bǔ)充數(shù)據(jù)。

1783年，法國(guó)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(gè)多小時(shí)。查理還將自記溫度計(jì)、自記氣壓計(jì)和降落傘系在氫氣球下面，儀器隨著氣球升到高空，在達(dá)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(jì)末到20世紀(jì)初，英國(guó)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(cè)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(tái)臺(tái)長(zhǎng)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(jìn)行了高空探測(cè)飛行。

在高空低溫缺氧環(huán)境下，各種設(shè)備都會(huì)結(jié)冰

加熱器也可能停止運(yùn)轉(zhuǎn)

助理：為了升職加薪拼了?。▓D：壹圖網(wǎng)）▼

直到1909年，美國(guó)氣象局才開始規(guī)?；?/strong>地使用氣球進(jìn)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(shí)代英國(guó)人用于探測(cè)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(dāng)?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(dāng)其上升到高空時(shí)將膨脹到直徑10米，甚至更大，此時(shí)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(dá)的高度也越大，目前探空氣球可以到達(dá)40千米的高空完成測(cè)量。除了上升高度外，質(zhì)量良好的探空氣球還要同時(shí)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(jì)末的探空氣球就已經(jīng)能達(dá)到平流層高度（中緯度地區(qū)在10公里以上），比彼時(shí)風(fēng)箏或者飛機(jī)能達(dá)到的高度要高得多。

探空氣球在高空飛行性能上的優(yōu)勢(shì)

（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(shí)保證了觀測(cè)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(gè)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(shí)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(shí)時(shí)記錄并向地面發(fā)送實(shí)測(cè)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(cè)，探空高度達(dá)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(dāng)于一個(gè)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(jìn)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(gè)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(cè)還需要地面設(shè)備的支持，其中最重要的是信號(hào)接收和定位系統(tǒng)。

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

而二戰(zhàn)催生的另一項(xiàng)發(fā)明——雷達(dá)——?jiǎng)t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(tái)實(shí)用雷達(dá)。第二年的1月，英國(guó)人在索夫克海岸架起了第一個(gè)雷達(dá)站。二戰(zhàn)之后，雷達(dá)迅速在氣象、航空、資源勘探等各個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。

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

部隊(duì)使用的光學(xué)經(jīng)緯儀（左）

測(cè)風(fēng)雷達(dá)的構(gòu)造示意圖（右）

（圖：壹圖網(wǎng) / windar photonics）▼

同時(shí)，為了測(cè)量高空風(fēng)場(chǎng)，雷達(dá)需要實(shí)時(shí)給探空氣球定位。定位過程中，地面雷達(dá)向探空儀發(fā)出“詢問信號(hào)”，探空儀收到信號(hào)后，發(fā)出響應(yīng)的“回答信號(hào)”被雷達(dá)接收。

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

雷達(dá)定位工作的原理 ▼

衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是繼雷達(dá)系統(tǒng)之后的下一代接收系統(tǒng)。雷達(dá)在工作時(shí)需要大功率發(fā)射機(jī)，因而地面設(shè)備投資較大，在低仰角下測(cè)風(fēng)誤差大；而衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)地面設(shè)備簡(jiǎn)單，可自動(dòng)化潛能大，可以大幅度減少運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用，定位也更準(zhǔn)確。

衛(wèi)星氣象系統(tǒng)站得更高，也因此看得更遠(yuǎn)

在不同觀測(cè)尺度下和氣象氣球能夠很好地配合

（圖：shutterstock）▼

如今，美國(guó)和歐洲的地面接收系統(tǒng)已經(jīng)被GPS導(dǎo)航測(cè)風(fēng)探空系統(tǒng)替代，我國(guó)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(yùn)行階段，未來將代替現(xiàn)有的雷達(dá)系統(tǒng)，提升我國(guó)的探空觀測(cè)水平。

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

體感的總比“看”到的更準(zhǔn)確信息更豐富一些

（圖：shutterstock）▼

目前，全國(guó)各地分布著120個(gè)探空站，每日兩次進(jìn)行常規(guī)探空，即每日8時(shí)和20時(shí)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?yàn)槠脚_(tái)的探空觀測(cè)方法只能完成當(dāng)?shù)貧庀笠氐臏y(cè)量，為了獲取更加完整的全球性大氣數(shù)據(jù)，加強(qiáng)國(guó)家間合作，2007年舉行的第十五次世界氣象大會(huì)上決定建立世界氣象組織綜合全球觀測(cè)系統(tǒng)，關(guān)于高空觀測(cè)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(gè)。

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

在全球氣候觀測(cè)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(diǎn)屬于不同的項(xiàng)目（來源：GCOS）▼

除了測(cè)量用于預(yù)報(bào)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(cè)量大氣中的臭氧、輻射、大氣電場(chǎng)等。

例如，我國(guó)的青藏科考隊(duì)在珠峰大本營(yíng)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(cè)量了高原上的完整的臭氧濃度分布，這對(duì)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(diǎn)（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(guó)技術(shù)攻關(guān)的目標(biāo)。自“十五”計(jì)劃以來，我國(guó)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(yàn)。

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(duì)于探空氣球和飛機(jī)有更長(zhǎng)的留空時(shí)間，相對(duì)于衛(wèi)星有更大的載荷和更小的制造和運(yùn)行成本。未來或可實(shí)現(xiàn)類似靜止衛(wèi)星一樣的長(zhǎng)時(shí)間“凝視”，可以部署在氣象觀測(cè)困難、自然條件惡劣的地區(qū)。

所以下一次當(dāng)你在仰望天空時(shí)，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(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。雖然陸地上觀測(cè)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(duì)于地球大氣的探測(cè)和研究仍然道阻且長(zhǎng)。

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(cè)的技術(shù)發(fā)展與未來展望[J].氣象科技進(jìn)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(cè)工作中的常見問題及對(duì)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(cè)系統(tǒng)（WIGOS）最新進(jìn)展[J].氣象科技進(jìn)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(shì)(一)[J].中國(guó)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(cè)的技術(shù)發(fā)展與未來展望[J].氣象科技進(jìn)展,2022,12(05):27-36.

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