立即下载 知乎日报 每日提供高质量新闻资讯

大家好,给大家介绍一下,上次中科院走失的那个「气球」

图片:中科院之声 / 知乎

中科院之声,传播科学,服务公众

十一前几天,中国科学院大气物理研究所走失的气球成了大新闻,这让我很意外,不知道是不是因为悬赏的 4000 块。据说这几年有人买房子哪怕能省 2000 块也选择离婚(真爱啊!),这样比较一下,4000 块也是有诱惑力的。

2017 年 9 月 25 日走失的气球本尊

事件回放

2017 年 9 月 25 日,中国科学院大气物理研究所研究小组与济南市章丘区气象局一起做气球探空实验,采用的气球长约 2 米,宽约 1 米,不充气看起来像是个飞机,充气后长得像个胖头的鲸鱼。

此气球主要用于气象探测,下方携带有 5 台仪器。这些设备主要是用来测量观测点的空气气体成分、污染物气溶胶和常规气象参数。

下午 4 时 50 分左右,实验基本结束,开始回收气球,气球下降到离地高度 300 米时,该高度处出现较大风速,系留气球的缆绳被意外拉断,气球就这么随风飘走了……

探空气球 vs 系留气球

这个气球设计初始就并非直接上升随风飘走的气象探空气球(sounding balloon,或者 weather balloon),而是系留气球(tethered balloon),这二者的区别明显。

前者充了气就一直随风往上飞,到平流层中层以后(20-30km),因为外部空气稀薄压力小,气球不断膨胀,最终爆炸。大多数的气球到不了 20 公里,但是也有一些质量奇好的气球甚至可以到达平流层高层 40 公里以上。目前平均而言,德国人放得气球飞得最高,常常能冲击到 30km 以上,但是有一次菲律宾超常发挥,一直把气球放到 47.272 公里处,创下了探空气球的世界纪录。爆炸后,气象探空气球携带的无线电探空仪会有小型的降落伞打开,然后一直降落到地面,地面人员根据各种定位方法回收设备(不过绝大多数是情况下是找不回来的,尽管探空仪上会注明联系方式,但往往气球飘到数百公里外的人迹罕至之处)。

系留气球则通过长长的绳子系留在地面,上升高度可以调整,但是一般不会超过 2~3 千米,比较像专业版的风筝。在测量大气最低层的气象参数及空气成分方面,与其他探空方式相比,比如建设高塔观测,或者直升机 / 飞机观测相比,系留气球观测很明显更经济实惠,也更符合科学用途。

探空气球的历史

人一直生活在地球的表面上,对第三维空间的探索只能依赖于爬山之类的活动,不过这仍然是在地球表面做运动。摆脱地心引力的束缚,是数千年以来的历史难题。

1783 年,法国孟格菲兄弟(Joseph-Michel and Jacques-Etienne Montgolfier)发明了热气球

探空气球出现的历史比较晚,1783 年,世界的科技中心在法国,孟格菲兄弟(Joseph-Michel and Jacques-Etienne Montgolfier)在这一年发明了热气球,当时的热气球可是高科技,当年 6 月 3 日,兄弟两在巴黎表演了空中飞行,在 10 分钟内飞过了 2000 米,成为当时巴黎市民竞相观看的年度重大事件。从此之后,人类终于走向了第三维空间,并迅速把人能到达的高度提高。在第二年的 1784 年,兄弟两已经能熟练掌握驾驶技术了,达到的高度到了前所未有的 3000 米。

1862 年 9 月 2 日,英国科学家 James Glaisher (1809–1903)和 Henry Coxwell (1819–1900) 和驾驶热气球一举突破~36000-37000 英尺(~11 公里),不过差点丧命。

人类乘坐热气球的记录是英国人创造的,1862 年 9 月 2 日, Henry Coxwell (1819–1900) 和 James Glaisher (1809–1903)驾驶英国人制作的热气球一举突破~36000-37000 英尺(~11 公里),不过这是拿命拼来的,高空空气稀薄温度严寒,科学家 Glaisher 在 8839 米高度时已经丧失了意志,意识模糊的 Coxwell 手已经冻伤,而气球还在往上走,最终在丧失意志前,他用牙扯开了漏气阀,气球安全降落。

这件事给科学家们敲响了警种,靠人坐在热气球向上探索大气,最终会出人命的!所以在 19 世纪最后 10 年里,科学家们发明了探空气球,只需要气球把仪器带上去就行,等气球炸了落下来,看看仪器记录即可。

这一思路的转变,迅速带来新的结果,1902 年,法国科学家 Teisserenc de Bort 和德国科学家 Richard Assmann(把德语翻译成英语的人得有多恨德国人) 分别独立发现了在对流层上面的平流层,这一发现在 20 多年后的 1926 年被气象学家 Sir Napier Shaw 描述为“the most surprising discovery in the whole history of meteorology”

现代气球探空

气象探空气球迅速成为对天气和气候进行观测的主力,截止目前,全球有 11000 多个地面气象站和 1200 个探空气象站,这 1200 个探空站每天进行两次探空气球释放(国际标准是 0 时和 12 时),可以想象下全球 1200 个测站的工作人员充气、悬挂设备、掐着时间同时释放的盛况。

并不是所有气球能到平流层,大概有 1000 个气球能飞到 10 公里(~100hPa),只有~800 个气球能到 20 公里,最终大概~350 个气球到 30 公里,可以说一路向上飞一路爆炸一路夭折。

只有低于 1%的气球能够到达 5hPa (~36 公里)

在每天两次的观测中,全球释放的探空气球走失的几率并不低,这要考虑到很多测站放气球时候可能狂风大作,或者暴雨雷鸣,或者机械故障等,即使全部准确释放,所有的探空气球最终还是会爆炸,并无一例外的飘落地面的。

这样比较下来,是不是系留气球丢失也不是什么太要紧的事了?

卫星时代

到了卫星测量时代了,探空气球的探测依然必不可少,因为探空气球有卫星观测无法替代的优点。探空气球是真实的实地的观测,代表了最真实的大气状况。

因为卫星是从上面观测,所以得到的结果往往是包含了整层大气的数据,比如在下图这个美国 MSU 卫星资料里第 2 通道观测的是对流层温度,第 4 通道观测的是平流层温度,但是实际温度资料里包含了大量的其他层次的信号。对流层的温度虽然在对流层有较大的权重,可是一直到平流层顶都有信号夹杂其中。

同理,第 4 通道的平流层温度信号也包含了大量的对流层温度,并不能准确的反应某个层次的真实情况,只能是作为一个大体的估计,如果用这样的温度序列分析长期趋势,则会低估温室效应造成的对流层的增暖和平流层的降温。

图片来自于(Fu et al., 2004)

在未来很长的时间里,探空气球还是对大气探测的主要手段,大家还是要习惯走丢几个气球的低概率事件。并且在发现 UFO 等神秘现象时,最好先问一下是不是哪个测站刮来的气球正好被太阳照亮,在遥远的天边看起来像是扁扁的飞碟呢?

坐等山东发现 UFO 的报道!

来源:冷暖两心知

作者魏科,系中国科学院大气物理所副研究员

扫描二维码下载知乎日报

支持 iOS 和 Android
二维码下载知乎日报
阅读更多 巴西版腌笃鲜:一道看上去当之无愧的「黑暗料理」 下载 「知乎日报」 客户端查看更多