图解被击落的中国飞艇究竟是啥东西？
被击落的中国飞艇，究竟是啥东西？
by：地球知识局 2023-02-09
地球知识局官方账号
当地时间2月2日，据美国国防部通报，该国蒙大拿州上空发现一个高空气球，根据计算机反演出的轨迹显示，该气球可能来自于中国。北京时间2月3日，中国外交部也在记者会上回应并确认该飞艇来自中国，属民用性质，用于气象科研，受到不可抗力影响误入美国。
顺着西风带，一路迁徙至美国领空 ▼
直到当地时间4日下午2点39分，这个气球在南卡罗来纳州外海上空，被美军F-22“猛禽”战斗机用导弹击落。为此，中国外交部提出强烈不满和抗议，同时保留作出进一步必要反应的权利。
气球被击破的瞬间（上）和美军回收的气球（下）
（图：壹图网） ▼
一个失控的气球，引得西方媒体一片哗然，国内外舆论众说纷纭，其中不乏过度解读者。作为吃瓜群众，我们不如回归气球本身，探究它本来的用途及发展历史。
用于探空的风筝、飞机和气球
为了对天气做出准确和即时的预报，人类必须持续不断地收集尽量丰富的大气数据。地面数据可采用人工或者自动化的地面观测仪器直接获取，但是高空的气温、气压、湿度、风速和风向等气象要素较难获得。
要想获得地面气象数据倒是不难
可地面和高空的数据相差通常很大
（图：壹图网）▼
最早的气象探空采用了风筝进行尝试。1895年，在澳大利亚人劳伦斯·哈格雷夫的帮助下，美国气象局开始使用箱式风筝进行规模化的气象观测，在全国设立了27个风筝站，定期观测空中的气象要素。风筝成为了19世纪至20世纪初期人们进行低空观测的重要工具。
风筝探空采用自记的气压计、温度计和湿度计，所谓“自记”就是仪器中的金属片/盒感应到的温压变化和毛发感应到的湿度变化传导给笔杆，并在纸上画出实测曲线。
早期的湿度计，利用毛发在不同湿度环境下的卷曲特性
来反映相对湿度的变化（图：壹图网）▼
随着气象探空中风筝的使用越来越多，诸多短板也逐渐暴露。风筝上升高度不足3000米，无法进行高空观测。在地面附近，风筝无法稳定的飞行，也无法记录有效数据。更何况风力过强和过弱时都不适合放飞，还时常发生断线的情况。此外，风筝的放飞还受地形限制较大，在地面建筑物附近或者丛林中都不能施放。
风筝的应用场景十分的窄，天气越不好越要进行观测
一个不小心就被雷劈了（图：壹图网）▼
随着20世纪航空技术的初突飞猛进，1919年美国气象局开始向飞行员支付费用，让他们在机翼支柱上安装气象观测设备，同时规定飞行高度达到4公里以上才会给飞行员报酬，并且高度每增加300米，飞行员可以额外获得10%的奖金。
但是在这个高度上飞行是非常危险的事情，飞行员有时会因为缺氧而昏迷。据统计，1931-1938年间就有12名飞行员丧生。1925年到1943年间，美国气象局和陆军航空兵团在全国建立起来由30多个航空站组成的大气观测网络开展定期观测。
毋庸置疑，这种危险又鲜有回报的研究
最先都是由军事部门驱动的
（图：壹图网）▼
虽然探空气球很早就被发明，但是直到20世纪初，它仍然只提供风筝和飞机观测结果的补充数据。
1783年，法国物理学家查理在工程师罗伯特兄弟的帮助下，乘坐着自己发明的氢气球在空中飞行两个多小时。查理还将自记温度计、自记气压计和降落伞系在氢气球下面，仪器随着气球升到高空，在达到一定高度后，气球爆炸，仪器随着降落伞落到了地面。
查理（雅克·查尔斯）和他的搭档
（图：meisterdrucke）▼
18世纪末到20世纪初，英国人杰弗里斯、沃利斯、福雷斯和格列塞尔等人一直在探索使用气球测量高空大气状态的方法。值得一提的是，1862年9月5日，格林威治气象台台长格列塞尔与助手在不带氧气设备的情况下，一同乘气球升入8800米高空，进行了高空探测飞行。
在高空低温缺氧环境下，各种设备都会结冰
加热器也可能停止运转
助理：为了升职加薪拼了！（图：壹图网）▼
直到1909年，美国气象局才开始规模化地使用气球进行探空，他们用光学经纬仪追踪小型的探空气球以获取高空的风速和风向数据。
经过多年的发展，如今的探空气球，从外表看起来甚至与维多利亚时代英国人用于探测大气的气球并没有什么不同，但是发展成熟的橡胶工业已经使探空气球的性能有了质的飞跃。
厚重且弹性差的帆布，让位给了性能优越的新材料
（图：shutterstock）▼
气球在地面充入氢气或氦气，充入量根据气球的重量、当地的气压、温度和所需的上升速度而定。在地面上气球的直径在2米左右，当其上升到高空时将膨胀到直径10米，甚至更大，此时的球皮厚度却仅为一张A4纸的1/40。
探空气球的质量越大，能够到达的高度也越大，目前探空气球可以到达40千米的高空完成测量。除了上升高度外，质量良好的探空气球还要同时具备耐热空气老化、耐臭氧老化、耐晒老化和耐低温等性能。
这次新闻事件主角飞行物，就具备4万米高空飞行的能力
（图：维基百科）▼
探空气球+无线电探空仪+接收系统
在19世纪末的探空气球就已经能达到平流层高度（中纬度地区在10公里以上），比彼时风筝或者飞机能达到的高度要高得多。
探空气球在高空飞行性能上的优势
（参考：BBC）▼
但是气球爆炸后，记录有数据的仪器落回地面，经过几天或者几周后才能被找到，如果出现仪器损坏或者丢失的情况，数据也无从获得。有人在气球上绑上绳子，使其始终和地面相连，这样确实保证了观测数据的获取，但也限制了气球所能上升的高度。
拴上绳子，本质上只是放了个异形风筝罢了
（图：壹图网）▼
真正让探空气球成为气象探空的主要手段，也让气象探空迈入大规模业务化时代的，是无线电传输高空数据技术的发展。
1928年，苏联科学家莫尔恰夫发明了无线电探空仪。无线电探空仪可以实时记录并向地面发送实测数据，避免了探空气球的仪器回收难题。两年后，莫尔恰夫在白俄罗斯首次完成了平流层的无线电探空仪观测，探空高度达到了15~20公里。
搭配苏联自研的高空气球使用效果更佳
（图：shutterstock）▼
1931年，芬兰人维萨拉发明了芬式无线电探空仪。这类探空仪非常小巧，大概相当于一个文具盒的大小，重量只有250克，而且不受恶劣天气的影响，探空高度也进一步抬高到30~40km。由于其出色的性能，这类无线电探空仪迅速在全世界推广使用，维萨拉也创立了以自己名字命名的公司。
到了这个高度，已经完全属于平流层
（图：壹图网）▼
除了无线电探空仪和探空气球以外，要完成一次高空气象观测还需要地面设备的支持，其中最重要的是信号接收和定位系统。
20世纪初，美国气象局用来测量风速的探空气球在使用时与一盏小灯同时放飞，用光学经纬仪追踪灯光确定气球的位置来测算风速和风向。晴空时追踪距离的极限只有5公里左右，有云或者天气恶劣时，气球追踪距离极限便大大降低。
而二战催生的另一项发明——雷达——则更好地完成了这一功能。1935年，苏格兰物理学家瓦特发明了第一台实用雷达。第二年的1月，在英国人在索夫克海岸架起了第一个雷达站。二战之后，雷达迅速在气象、航空、资源勘探等各个领域得到应用。
目前，我国业务中采用的接收系统就是L波段二次测风雷达，它可以放大、解调探空仪发回的探空信号。
部队使用的光学经纬仪（左）
测风雷达的构造示意图（右）
（图：壹图网 / windar photonics）▼
同时，为了测量高空风场，雷达需要实时给探空气球定位。定位过程中，地面雷达向探空仪发出“询问信号”，探空仪收到信号后，发出响应的“回答信号”被雷达接收。
根据“一问一答”的时间间隔和“回答信号”来向，业务人员就可以测定探空气球离雷达的直线距离、方位角、仰角，然后根据气球的漂移情况，进一步推算出风速和风向。
雷达定位工作的原理 ▼
卫星导航定位系统是继雷达系统之后的下一代接收系统。雷达在工作时需要大功率发射机，因而地面设备投资较大，在低仰角下测风误差大；而卫星导航定位系统地面设备简单，可自动化潜能大，可以大幅度减少运行和维护费用，定位也更准确。
卫星气象系统站得更高，也因此看得更远
在不同观测尺度下和气象气球能够很好地配合
（图：shutterstock）▼
如今，美国和欧洲的地面接收系统已经被GPS导航测风探空系统替代，我国在北斗卫星导航系统建设成功之后，也研制成功了基于北斗导航定位的探空系统，现在正在业务试运行阶段，未来将代替现有的雷达系统，提升我国的探空观测水平。
气象服务和科学研究的基石
尽管如今是卫星测量的时代，但是探空气球作为一种接触式（非遥感）的探测手段，仍然是能够反映最真实的大气状况的方法。
体感的总比“看”到的更准确信息更丰富一些
（图：shutterstock）▼
目前，全国各地分布着120个探空站，每日两次进行常规探空，即每日8时和20时释放探空气球，在地面到高度约40千米的范围内收集气温、气压、湿度、风速和风向的数据。
以气球为平台的探空观测方法只能完成当地气象要素的测量，为了获取更加完整的全球性大气数据，加强国家间合作，2007年举行的第十五次世界气象大会上决定建立世界气象组织综合全球观测系统，关于高空观测的资料交换是其中的重要内容。截止目前，全球资料交换探空站共有818个。
中国的业务网包含了120个站点，承担全球资料交换任务的有89个站，站点间的平均距离在300km左右。但是站点分布并不均匀，东部地区站点较密，西部地区站点稀疏。
在全球气候观测系统（GCOS）的网站上
可以看到世界各地的一些探空站
不同颜色的点属于不同的项目（来源：GCOS）▼
除了测量用于预报的气温、气压、湿度、风向和风速等常规气象要素以外，气象探空还常常用于科学研究，可以测量大气中的臭氧、辐射、大气电场等。
例如，我国的青藏科考队在珠峰大本营将探空气球放飞至海拔高度为38.2千米的高空，气球停止升空，在此过程中测量了高原上的完整的臭氧浓度分布，这对臭氧在地面的生成、高空和地面的交换过程的研究有很大帮助。
除了珠峰，在另外一些重要的气候站点（例如极地）
也早早就有气象科学家的足迹
（图：shutterstock）▼
近几十年，飞艇也成为各国技术攻关的目标。自“十五”计划以来，我国多家单位也开始了这方面的研究。某单位研制的飞艇可以在19~20km高度驻空飞行30天以上，巡航速度为25m/s，目前已经完成了3天的关键技术试验。
飞艇的造型可以很多变，鱼雷形是一种传统
（图：壹图网）▼
平流层飞艇相对于探空气球和飞机有更长的留空时间，相对于卫星有更大的载荷和更小的制造和运行成本。未来或可实现类似静止卫星一样的长时“凝视”，可以部署在气象观测困难、自然条件恶劣的地区。
所以下一次当你在仰望天空时，天空或许也在凝视你
（图：壹图网）▼
直到今天，人们所能获取的高空大气数据还远远不够。虽然陆地上观测站密布，但是我们却不能同等程度上有效地收集海洋上的大气数据。人们对于地球大气的探测和研究仍然道阻且长。
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参考资料：
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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,贺海燕.高空气象探测工作中的常见问题及对策探讨[J].农业灾害研究,2022,12(07):115-117.
8. 杨晓武,林雪娇,张楠,施丽娟,裴翀.世界气象组织（WMO）全球综合观测系统（WIGOS）最新进展[J].气象科技进展,2022,12(05):120-126.
9. 肖迪娥,张望.气象气球的现状和发展趋势(一)[J].中国橡胶,2009,25(09):11-14.
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