为什么气象气球不能永久留在大气中?

Question

我读了关于气象气球的文章，文章说气象气球飞行通常持续两个小时左右。当我查到原因时，一些文章说，当气球在大气中飞得足够高时，气球会从低压中爆裂，导致气球内的氢或氦膨胀，直到气球爆裂。

我的问题是:如果气象气球总是在达到一定高度时爆开，为什么他们不确保气球携带的有效载荷太重，以至于气球无法达到那个高度(或者放更少的氢气)。如果这些气球被气象学家之类的人使用，把气球留在空中，而不是不断地放新的气球，不是更便宜吗?

Answer 1

除了在几个小时内完成一次上升的无线电探空仪之外，还有driftsondes它们会在大气中停留数天或数周，通常它们的浮力会跟踪特定的压力水平。他们通常携带一个下拉探空仪的有效载荷，可以定期部署，在下降的过程中进行采样，就像无线电探空仪在上升过程中所做的那样。由于这些平台比无线电探空仪更大、更昂贵，它们通常用于有针对性的野外作战，特别是在难以发射大量无线电探空仪的地方。有关摘要，请参阅Cohn et al (2013)https://doi.org/10.1175/BAMS-D-12-00075.1而且，我曾间接参与过他们提到的其中一项活动，我赞同他们的评论:

与飞机的空投探空系统一样，使用漂流探空仪进行现场实验需要大量的成本，并且需要大量的提前计划。了解可能的飞行路线并获得飞越许多国家的许可可能需要几个月的时间。如果气球飘过的区域没有获得飞越许可，那么它就必须被砍掉。

除了这个困难之外，漂流井不能永久停留在空中的一般原因包括，

• 所有的气球都会漏气，所以它们不能无限期地悬浮在空中
• 气球材料会变质，尤其是在极端温度下
• 仪器需要电力，太阳能电池板增加了重量和复杂性
• 有限数量的下拉探空仪，尽管这不是唯一的有效载荷类型

我注意到(但不太了解)最近的STRATEOLE-2漂流探空(Haase et al, 2018;https://eos.org/science-updates/around-the-world-in-84-days)可以在空中停留大约三个月，这意味着它可以绕赤道三圈。

Answer 2

这取决于每个气象气球测量的是什么;他们在捕捉什么数据。

大多数气象气球在24小时周期内按特定时间释放。这种气球在大气中上升时可以测量高度、温度、气压、湿度等。这些数据被用来得到大气的数据横截面。这使得气象学家能够更好地了解在一天的过程中大气中发生了什么。

一旦气球提供了这些数据，它们就完成了自己的工作。不断地提供大气中特定水平面的数据，一旦气球达到最终高度，就没有知道不同高度的数据有用。

Answer 3

这有几个原因。其中之一就是空中交通问题。大气中对天气有影响的部分(即大气troposhere和更低的平流层)也恰好是几乎所有飞机飞行的地方。这就是为什么当气球操作发生时，会通知空中交通管制，并发出NOTAMs(飞行员通知或美国现在称之为空中任务通知)。对于正常的气球发射来说，气球只会在有潜在危险的高度停留几分钟(在空中交通密度最大的高度只会停留几分钟)，所以在发射周围规划空中交通并不是太大的问题。然而，如果气球一直停留在它收集有用信息的高度，它也会一直对空中交通构成威胁。

另一个原因，正如其他答案所提到的，是气象气球发射的目的是为了收集数据所有从地表到平流层至少较低部分的高度，而不仅仅是一个高度。所以，气球的飞行主要由爬升阶段组成，然后终止是一个特征，而不是一个错误。气球上的无线电探空仪收集所有高度的环境温度、露点、气压、风速和风向等数据。这些资料可协助气象学家确定各种有用的资料，例如雨量预报、雷暴发展的可能性、预计地面会出现什么类型的降水(如有)，以及高空(航空天气预报)锋面通过时不同气团的深度、高空风、急流的位置、方向和震级等。探空仪收集的数据是这样的:

从田纳西州纳什维尔发射的NWS气象气球最近的无线电探空仪数据。
左边的单位是气压，单位是毫巴(红色为千米高度)。
来源:国家气象局

此外，气球容易受到风的影响。很多的风。让它们保持在一个相对于地面的位置不那么容易，特别是在对天气观测很有兴趣的大气部分，即使在表面风基本平静的情况下，高空通常也有不平凡的风。正如上图中的探空仪数据所示，在这次特殊的发射中，高空风速测量到约118节(136英里/小时或219公里/小时)。据美国国家气象局称，即使是正常的气球发射可漂移125英里(200公里)在飞行。如果你只是让气球无限自由漂浮，那么它们不会在你想要的地方停留太久，至少不会在大气中有趣的部分。为了产生可靠的、可比较的记录，气球需要在指定的时间从地面上相同的位置发射。当然，你可以把气球拴在地面上，让它们保持在一个基本固定的位置，但足够长到20公里/ 65,000英尺左右的拴绳是不实际的，而且还会大大增加空中交通的风险。

Answer 4

绝大多数气象气球的设计目的是收集地球大气性质的垂直剖面。这对于气球来说是不可能的，因为气球的高度几乎是恒定的。仅在美国，每天就会发射数百个气象气球，这些气球不断上升，然后就爆了。弹出是有意的。虽然有效载荷可能需要降落伞，但破裂的气球本身不需要。它的工作在弹出点完成。

Answer 5

有这样的东西，零压力气球，他们很薄，柔韧，并不是一个连续的封闭空间，所以他们自动平衡压力和工作就像一个充满氦气的降落伞。

从理论上讲，如果你能制造出一种100%不渗透氦原子的材料，并且使其处于零压力的形式因子，并且在开放端防止任何可能分散和失去氦的湍流，你就会有一个永远漂浮的气球。

这种材料还必须能够承受极端的温度和辐射。此外，由于它们会悬浮在离太空如此近的地方，小碎片刺穿它将是一个真正的威胁，而且粒子不需要穿过太多的大气层，因此在击中气球之前燃烧的机会更小。

所以不可能呢?不。成本效益?差远了。

另外，如果你有任何设备故障，或者希望它随着新技术的发展而下降，该怎么办?当然，你可以让它有一个机械驱动装置来引起通缩，前提是故障不是机械驱动装置;

总之，在各个层面上都是不切实际的。

但同样，也不是不可能。

Answer 6

1. 没有气球可以无限期地停留在空中。气体会从气球中泄漏，气球会慢慢地沉入空中交通带，然后一路下降，同时随风而行。

用更好的材料制成的气球越大，停留的时间就越长，但为了防止空中交通干扰，人们应该设计一些有控制的下降。

2. 新闻中的气球不是典型的气象气球。

典型的气象气球被用来快速(在几个小时内)测量大气热剖面(以及一些与高度有关的其他数据)，然后它们爆裂并下降。它们也小得多，通常在2公斤或更少的范围内。它们的电子有效载荷的电源是一个小电池，只能维持预定的任务，所以没有必要让它们升空。

让它们变得更大更重，只会让它们变得更危险，而没有明显的好处。