为什么气象气球不能永久留在大气中?

Question

我正在阅读有关气象气球的文章，文章说气象气球飞行通常持续两个小时左右。当我查找原因时，一些文章说，当气球在大气中达到足够高的高度时，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:如果气象气球到达一定高度时总是爆裂，为什么他们不确保气球携带的有效载荷太重，气球无法到达那个高度(或者放更少的氢)。如果这些气球被气象学家等人使用，那么把气球留在天空中，而不是不断地放新的气球，不是更便宜吗?

Answer 1

除了无线电探空仪可以在几个小时内完成一次上升，还有driftsondes它们在大气中停留数天或数周，通常会设置浮力来跟踪特定的压力水平。他们通常携带有效载荷的下投探空仪，他们可以定期部署，在下降的过程中进行采样，就像无线电探空仪在上升的过程中一样。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活动，特别是在难以发射大量无线电探空仪的地方。关于总结，见Cohn et al(2013)。https://doi.org/10.1175/BAMS-D-12-00075.1而且，作为他们提到的其中一项运动的外围参与者，我赞同他们的评论:

像飞机上的落差探空仪系统一样，使用漂流探空仪进行现场实验需要大量的成本和大量的提前计划。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数月时间。如果气球在未获得飞越许可的地区附近漂流，则必须将其砍下。

除了这个困难之外，漂流探空仪不能永久停留在空中的一般原因包括，

• 所有的气球都会漏水，所以它们不能无限期地停留在空中
• 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
• 有限数量的下落探空仪，尽管这不是唯一的有效载荷

我注意到(但不太了解)最近的STRATEOLE-2漂移探空仪(Haase等人，2018;https://eos.org/science-updates/around-the-world-in-84-days)可以在高空停留大约三个月，这意味着它可以绕赤道大约三圈。

Answer 2

这取决于每个气象气球测量的是什么;他们捕获了什么数据。

大多数气象气球是在24小时周期的特定时间释放的。当气球在大气层中上升时，可以测量高度、温度、气压、湿度等。这些数据被用来获得穿越大气层的数据横截面。这使气象学家能够更好地了解一天中大气的变化情况。

一旦气球提供了这些数据，它们就完成了任务。一旦气球到达最终高度，不断地提供大气中特定地平线的数据就不如了解不同高度的数据有用了。

Answer 3

这有几个原因。其中之一是空中交通问题。大气中对天气感兴趣的部分(即大气)troposhere和更低的平流层)也恰好是几乎所有飞机的飞行轨道。这就是为什么当气象气球操作时，会通知空中交通管制和NOTAMs(通知飞行员，或者美国现在称之为空中任务通知)。对于普通的气球发射来说，气球只会在有潜在危险的高度停留几分钟(在空中交通最密集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什么大事。然而，如果气球持续停留在收集有用信息的高度，它也会持续对空中交通构成威胁。

正如其他答案所提到的，另一个原因是气象气球的发射是为了收集数据所有从地表到至少平流层下层的高度，而不仅仅是一个高度。因此，气球的飞行主要由爬升阶段和终止阶段组成，这是一个特征，而不是一个缺陷。气球上的无线电探空仪收集各种高度的环境温度、露点、气压、风力大小和风向等数据。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、地面预计会有何种降水(如果有的话)，以及在较高高度(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、方向和强度等。无线电探空仪收集的数据是这样的:

最近从田纳西州纳什维尔发射的NWS气象气球的无线电探空数据。
左边的单位是气压，单位是毫巴(千米高度用红色表示)。
来源:国家气象局

此外，气球会受到风的影响。很多的风。让它们相对于地面固定在一个地方并不容易，尤其是在大气中对天气观测很有兴趣的部分，那里通常有不寻常的风，即使地面上的风基本上是平静的。正如上图中的无线电探空仪数据所示，在这次特殊的发射中，测量到的高空风速高达118节(136英里/小时或219公里/小时)。根据美国国家气象局的数据，即使是正常的气球发射可以漂流125英里(200公里)在飞行。如果你只是让气球无限期地自由漂浮，那么它们就不会在你想要它们的地方停留很长时间，至少不会在大气中有趣的部分停留。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的相同位置发射。当然，你可以把气球系在地面上，以使它们保持在一个固定的位置，但是长到足以达到20公里/ 65,000英尺左右的系绳并不完全实用，也会极大地放大对空中交通构成的风险。

Answer 4

绝大多数气象气球的设计目的是收集地球大气层的垂直剖面。这对于保持在或多或少固定高度的气球来说是不可能的。仅美国每天就发射数百个气象气球，这些气球不断上升，上升，然后爆炸。爆裂声是有意的。虽然有效载荷可能需要降落伞，但破裂的气球本身并不需要。它的工作是在弹出点完成的。

Answer 5

还有零压气球，它们很薄，柔韧，不是一个连续的封闭空间，所以它们会自动平衡压力，就像一个充满氦气的降落伞一样工作。

从理论上讲，如果你能制造出一种100%不渗透氦原子的材料，并使其处于零压力状态，并且在开放的一端防止任何可能分散和损失氦的湍流，你就会有一个永久漂浮的气球。

这种材料还必须能够承受极端的温度和辐射。此外，由于它们在如此接近太空的地方盘旋，小碎片刺破它将是一个真正的威胁，而且粒子不必穿过太多的大气，因此在击中气球之前燃烧的机会更少。

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，会发生什么?当然，你可以让它有一个机械驱动的装置来引起通货紧缩，只要它不是故障所在;

总之，在各个层面上都是不切实际的。

但再次强调，并非不可能。

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出来，气球会慢慢沉入空中交通波段，然后一路下降，同时随风而行。

用更好的材料制成的更大的气球会停留更长的时间，但为了防止空中交通干扰，人们应该把它们设计成有控制的下降。

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(在几小时内)测量大气热剖面(以及一些与高度相关的其他数据)，然后它们突然爆炸并坠落。它们也要小得多，通常在2公斤或更小的范围内。他们的电子有效载荷的电源是一个小电池，只有这么多的果汁来维持预定的任务，所以没有必要把它们放在上面。

让它们变得更大更重只会让它们变得更危险，没有明显的好处。