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科学|气球，不止装饰

1 气球及早期科学观测
气球是利用浮力原理升空的飞行器 ， 中国古代的孔明灯是热气球的早期雏形 ， 用松脂等燃料维持灯笼内空气的较高温度和较低密度 ， 在重力场下的大气中就产生了浮力 ， 被用于节庆活动和传递军事信号 。 1783年9月 ， 作为造纸工匠的法国蒙特哥菲尔兄弟在凡尔赛宫广场向王室和公众演示了热气球飞行 ， 两个月后又完成了人类首次载人飞行 ， 由此法国被认为是气球的故乡 。 之后用浮力大的氢气作为浮升气体、涂覆橡胶织物做气囊的气球、飞艇等发展起来 ， 一度在军事、运输、科研中广泛应用 ， 后因著名的齐柏林越洋客运飞艇因静电引起氢气燃爆失事而衰落；而热气球延续至今 ， 成为有众多拥趸的运动和娱乐项目 。
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图1 1983年法国纪念气球首飞200年的明星片
气球早期与科学结缘的著名事例是奥地利物理学家赫斯用气球发现宇宙线的实验 。 20世纪初空气电离是研究热点之一 ， 开始人们认为是由地面放射性元素导致的 。 赫斯是物理学家 ， 也是气球飞行爱好者 ， 1911~1912年他携带沃尔夫型金箔验电器乘坐氢气球进行了7次飞行实验 ， 即使以目前的眼光来看 ， 这也是科学探险的壮举 。 他发现海拔越高空气电离越严重 ， 5390米高空的大气电离率是地面的5倍 ， 表明导致空气电离的源头“可能是来自太空的穿透辐射” ， 即宇宙辐射 。 1914年德国物理学家柯尔霍斯特将气球升至9300米 ， 测得空气电离是地面的9倍 ， 确认了赫斯的结果 。
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图2赫斯1912年乘坐气球开展实验的场景
宇宙线的发现促进了粒子物理学的发展 。 1932~1953年期间 ， 在宇宙线及与大气作用产物中陆续发现了正电子、μ子、π介子、Λ超子、
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介子等 ， 成为粒子物理研究的先驱 。 赫斯和发现正电子的安德森分享了1936年诺贝尔物理学奖 。 1947年 ， 高度达30千米的气球实验揭示宇宙线除主要成分质子外 ， 还包括氦核和多种重原子核 ， 打开了粒子天体物理的大门 。
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图3 大气电离率随高度变化(左：赫斯 ， 1912；右：柯尔霍斯特 ， 1913)
2 现代科学气球及科学观测
二战之后 ， 由于高分子材料等技术进步 ， 气球开始采用轻薄、耐低温和廉价的聚乙烯薄膜制造 ， 球膜重量从每平米300克降低到约20克 ， 这是一个巨大进步 。 简单分析可知 ， 气球在升限高度的浮力和重力平衡 ， 有：W=V?(ρa-ρg)?g ， 其中W为总重 ， V是气球体积 ， ρa和ρg分别是升限高度大气和浮升气体密度 。 气体密度与压力关系为ρ=μP/ RT 。 T为气温 ， R是通用气体常数 ， μ是气体克分子量 。 合并两式得到以气压表示的气球升限公式(注意气压小则高度高)：
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该式表明了升限高度与气球体积和系统总重的确定关系(公式右的前项在平流层基本是定值) ， 气球体积越大高度越高 ， 大幅减轻气球自重 ， 可携带相当重的载荷达到很高的高度 。
气球的高度和载重对科学研究非常重要 。 现代气球大多采用零压式“自然形”设计 ， 有纵向加强筋 ， 充氢或氦(现多用氦气) ， 体积几万到上百万立方米 ， 载荷数百公斤至数吨 ， 高度30~45千米或更高 ， 上方剩余大气仅为地面的1%到0.1% ， 飘飞在大气层顶 ， 成本相对低廉 ， 实验灵活 ， 准备周期短 ， 广泛用于红外和X-γ射线天文 ， 宇宙线和微波背景观测 ， 大气和地球环境等科学研究以及空间仪器和空间技术试验 。 零压气球在日落时因太阳辐射消失导致浮升气体降温 ， 体积收缩而下降 ， 需要通过抛压舱物减重恢复飞行高度(每次过夜5%~7%系统重量) ， 这就限制了其飞行持续时间 ， 约2~3天 。
随着技术进步 ， 科学气球发展为成熟的高空和空间研究工具 。 美国国家航空航天局(NASA) ， 法国国家太空研究中心(CNES) ， 俄罗斯科学院 ， 日本宇宙航空研究开发机构(JAXA) ， 瑞典空间研究中心(SSC) ， 印度空间研究组织(ISRO) ， 巴西空间研究组织(INPE) ， 加拿大航天局(CSA)等国家空间机构都有科学气球设施 ， 气球科学活动持续不断 ， 取得显著成就 。
美国国家基金委(NSF)于1961年资助在科罗拉多州建立气球设施 ， 1973年正式成为国家科学气球设施(National Scientific Balloon Facility, NSBF) ， 1982年移交NASA ， 2003年为纪念哥伦比亚号航天飞机失事改称CSBF 。 NASA总部主持科学气球任务计划和技术发展规划 ， GADEN和Wallops中心负责技术研究 。


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