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第69集 探空气球是什么?

第69集 探空气球是什么? 0:00/0:00
最新发布时间: 2020-02-16   浏览数:
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  气球在日常生活中很常见,它可以用来装饰开业庆典的拱门,可以印制自己的广告图案作为宣传,也可以印上结婚新人的相片作为祝贺等等,气球已经成为一道亮丽的风景线,越来越得到人们的青睐!这不,2017年9月份,不甘寂寞的气球成功占据了各大传媒的头条,正式翻身成为了一名“网红”。说起“网红”气球成名的原因,主要是它来自于中国科学院,是一个外形像是飞艇的系留气球。听众朋友们可能会好奇,居然还有研究气球的科学实验?其中隐藏着哪些科学技术呢? 

  说起气球,大家最早接触到的一定是五颜六色、可以用嘴吹的橡胶气球,也一定梦想过像《飞屋环游记》那样用气球把自己带上天。似乎很少有人会把气球和科研联系起来,但中国科学院确实有一个气球飞行器研究中心,全名是中国科学院浮空器系统研究发展中心。大家也许会想,中科院不是搞科研的地方吗,这个气球中心的任务难道就是做各种气球的? 

  当你真正了解了这项研究,会发现此气球非彼气球。高空科学气球属于浮空器的一类,主要用于科学试验和各类高空飞行任务。浮空器顾名思义就是主要依靠浮力作为主要升力来源的飞行器。这里进行飞行试验的气球可不简单,它们是拥有几万、几十万立方空间的高空科学气球,想要用嘴吹估计得全国人民一起来吹了。 

  当然,高空气球可不能靠嘴吹,除非你是个活的快速氦气发生器。一是因为空气是不能产生升力的,目前的浮空器所使用的基本都是氦气;二是因为每次发放使用的氦气都得用卡车来拉,而且充气操作往往要持续好几小时。所以说,浮空器与我们小时候玩过的气球还是有很大的差别的。但是等真正参与到飞行试验中,发现原来这里还是有一种和玩具气球类似的东西,也就是今天要介绍的探空气球了。 

  探空气球,顾名思义就是用来探测天空的气球,准确地说是探测从地面到几十公里高空的大气空间参数。在进行大型浮空器尤其是高空浮空器的飞行前,仅仅根据气象数据还无法很好地判断发放窗口和规划飞行路线,这就需要提前发放一系列的探空气球,利用反馈回来的数据进行分析和预测。说起探空气球,研究气象方面的人士一定不会陌生,世界各地那么多气象站几乎每天都要发放探空气球,来获取从地面到几十公里高空大气垂直剖面的参数。 

  探空气球在二十世纪二十年代就得到了实际应用,它们一直被沿用至今,并且没有多少根本性的变化。探空气球可以直接测量从地面到超过30千米高度的大气压力、温度、湿度和风速风向等高空气象数据。它们价格低廉且发放简单,对于各地气象站的大量使用来说是非常合适的。直到今天,探空气球仍是高空气象最主要的直接探测方式之一,原因包括低成本、易操作、升速慢。探空气球想要平稳获取大气垂直剖面较密集的数据点,速度快了还真不行。而且,虽然探空气球成本不高,使用后一般也不进行回收,但也不是可以随便放的。为了更准确地获取气象数据,每一个探空气球的发放时间点和气球的发放数量都是根据计算要求严格执行的。 

  探空气球基本为橡胶气球,其原料是天然橡胶,它比任何化学合成物质都有着更优异的伸长特性,它在一个方向上的伸长率可以超过500%。形成这种特质的原因在于,橡胶是具有可逆形变的高弹性聚合物材料,当橡胶分子不受外力作用时是一个具有大量弯曲的长链,所以当外力作用于橡胶时,分子链可拉伸范围极大;外力撤销后,橡胶便恢复到原来的状态。当在橡胶中添加硫元素进行硫化处理时,加入的硫在相邻的长链之间形成了交键,这提高了橡胶的弹性变形特性。橡胶气球在地面充入浮升气体后,逐渐呈现正球形,当气球上升时,材料不断拉伸,球体表面积不断增大,当气球到达其膨胀极限时就会爆炸,从而结束飞行过程。 

  橡胶气球的大小受到制造方法的限制,而且有效的承载能力一般比较小。橡胶气球自身的质量一般在几百克,探空仪的质量一般也在一千克以内,单人手持就可发放。根据充入的气体量可以控制气球的升速,同时也决定气球探测的高度。因为充入的气体越多,升速越快,但达到膨胀极限的高度也越低,在破裂之前探测的高度也低。所以实际使用时要根据对探测高度和升空速度的要求确定充气量。 

  当然,这个方法仅限于特殊使用情况,气象站在使用时都是有一套成熟的操作规范的,只要照着做就好了。至于发放方式,风小的时候怎么都好说,把气球升起来,一撒手就行。至于风大的时候,就看工作人员的运算速度和身体协调能力了。等气球越升越高,又成了大家锻炼视力的好时候,往往到最后变成一个小点的时候,眨一下眼就找不到了。 

  探空仪内部安装有大气参数测量装置和GPS定位装置,同时还配有供电能源,通过地面的天线对探空气球进行追踪并获取回传数据。大气参数探测一般包括大气温度、湿度和当地大气压,GPS定位装置则用于获取位置及位置变化,以便推算高度、升速、水平风速风向等等。气球与探空仪之间一般都系有很长的拉绳,长度一般在十几米到几十米不等,以防止探空仪随气球大幅度摆动,影响GPS数据。当然,有些情况下也可以把探空仪直接连接至球体底部,一切根据探测的需求来决定。 

  探空气球在完成使命后会爆炸并自由下落,由于探空仪本身重量很轻,并且外部一般包裹有很厚的泡沫,因此会产生很大的阻力,再加上气球残留碎片的阻力,整个系统的降落速度会相对比较慢,至少不会对地面人员造成威胁。尽管如此,探空气球的发放还是应该尽量选在地广人稀的地方进行。 

  近些年来,很多高校的学生甚至爱好者们,喜欢使用探空气球完成各种各样的“临近空间”飞行。这里所说的临近空间,就是人类活动的大气区域和外太空之间的空间,高度一般定义在20至100公里。探空气球可以携带几百克乃至公斤量级的小型无线电设备或其他电子设备;可以携带经过保温处理的小型相机进行航拍;还可以加装小型摄像机对升空过程和下降过程进行第一视角的记录。 

  如果想把这些设备回收,还需要在气球与设备之间安装一个降落伞和植入一套定位系统。甚至还有人在气球底部安装了一个自动排气系统,使气球在到达一定高度后自动排气,进而达到浮力与重力保持平衡的效果,完成一段水平飞行。总之,气球就像一个高中物理实验课上的通用实验平台,你可以发挥你的聪明才智,想出各种飞行和试验的方式并把这些想法付诸实践,在探索科学的同时,享受其中的乐趣。 

  当然,探空气球的应用不只是停留在科学探索和兴趣爱好这个层面,气球还更多地被用于造福人类。 

  美国有一家空间数据公司,曾推行过一个代号为“天战计划”的气球民用计划,用探空气球携带通信设备飞行到20公里的高度,为美国的油气公司提供通信信号,而且信号覆盖率比地面发射塔还要好。这种低成本的“空中基站”为这些公司节省了大量开支。说起这个计划大家可能比较陌生,但最近几年大热的谷歌气球项目,其实就是以“天站计划”的设计理念为原型。当然,他们使用的气球已经是比探空气球不知先进多少倍的超压气球了。 

  总的来说,探空气球是人类研究平流层的重要工具,在气象学发展和造福人类中起到了重要作用。目前,虽然更先进的工具,比如探空火箭、气象雷达、气象卫星等已经广泛应用,但探空气球仍是科学研究中不可缺少的工具。 

  好的,今天的非常科学到这里就要告一段落了。如果您想要了解更多的科普信息,可以搜索微信公众号“feichangkexue”来关注我们,或者通过新浪官方微博“经济之声非常科学”与我们节目组进行互动。主持人亚楠代表编辑制作感谢大家的收听,并诚邀您明天同一时间继续与我们相约《非常科学》。 


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