氣象氣球

氣球作為一種升空器具，是高空觀測中使用的主要工具、與其他升空器具（氣機、火箭、衞星等）相比，具有不需要動力、花費少、使用方便的特點，氣象氣球的應用面很廣泛、根據使用要求的不同，氣象氣球的外形、升速（平移或降落）、荷重、可達高度以及顏色是多種多樣的。 ^[1] 

用橡膠或塑料等材料製成球皮，充以氫、氦等比空氣輕的氣體，攜帶儀器升空，進行高空氣象觀測的觀測平台。它具有廉價無動力升高的特點。和地面不連接的氣象氣球叫做自由氣球，用纜繩和地面連接的氣球叫做繫留氣球。氣球的製作材料和大小由它們的用途來確定。

在氣象氣球發展之初，曾應用了充以熱氣或氫氣的紙質或紡織物的球皮。到19世紀末，具有良好伸張率的膨脹性橡膠氣球製成，這樣就增加了氣球上升所能達到的高度，擴展了高空探測的範圍。20世紀60年代大型非膨脹性的薄膜塑料氣球在邊界層探測、全球範圍內定高的水平探測以及平流層的探測試驗方面得到日益廣泛的應用。

為攜帶儀器上升進行高空氣象要素測量，或為測定高空風而裝備電子設備，或兩者兼有的自由氣球。為了在空中，特別是在大氣較高層，使温度感應器不受太陽輻射的影響，除應用温度表防輻射罩外，還應使它充分通風，為此探空氣球的起始上升速度須達5～6米/秒。探空氣球所能達到的最大高度，即球皮破裂時的臨界高度，基本上取決於橡膠球皮的質量。在其他條件和升速均相同的情況下，球皮愈厚，則氣球所能達到的高度愈高。日常使用的重量1公斤左右的探空氣球，85%以上可達30公里左右的高度。

用纜繩拴在地面絞車上的氣象氣球。隨着水平風速的增大，繫留氣球升高的傾斜度加大，因此，大風天難以進行觀測。為了使繫留氣球在氣流中具有良好的穩定性，氣球形狀有時做成流線型。儀器設備或直接由氣球攜帶，在升空過程中進行觀測，或吊掛在纜繩的不同高度上進行觀測。它可以在一段較長的時間（幾小時至幾十小時）內連續測量各選定高度上氣象要素的變化，而不象探空氣球只能一次性測量，且其測值只代表某大氣層內的平均值。繫留氣球探測特別適用於大氣污染監測和研究大氣邊界層等。

在大氣中保持在等密度面上平穩地隨氣流飄移的自由氣球。定高氣球的壽命取決於氣球的材料和氣球工作的高度。為使球皮耐壓性強和保氣性好，常用聚乙烯薄膜和聚脂薄膜，或由多層塑料薄膜壓制而成複合膜。複合膜球皮可以減小球內氣體向外逸散的速率，經受少量的超壓（球內壓力超過環境大氣壓），延長氣球的壽命。也可採用在氣球下部開排氣口的方法，使球皮保持零壓狀態（球內外氣壓相等），以防止氣球的破裂。漂移在數公里高度的定高氣球易受結冰和山脈影響而下沉破裂，而10～20公里高度以上的高空定高氣球，可工作數月到2年以上。氣球的充氣量由需達到的平衡高度以及氣球和裝備的總重量來確定。大型定高氣球能攜帶300個下投探空儀，根據來自氣象衞星的指令在指定地區下投，測量資料由定高氣球收集後再通過衞星轉發至地面站。這種與衞星結合的定高氣球稱為母子定高氣球系統。定高氣球在測量氣團屬性變化和大氣電學特性等方面已廣泛應用。70年代全球大氣研究計劃第一次全球試驗中，曾大量應用定高氣球在赤道和低緯度地區以及南半球上空進行環球水平大氣探測，用的是名為戈斯特（GHOST）氣球。

升至平流層高度進行探測的大型氣象氣球。它採用現代定位跟蹤遙控遙測等技術，不同於常規的無線電探空氣球和定高氣球。它所攜帶的儀器能夠在指定地區下投回收。平流層氣球可觀測氣象要素、大氣成分、大氣電、大氣臭氧、太陽輻射，驗證壓-高公式（見大氣運動的平衡狀態）等。

平流層氣球具有10～30萬立方米或更大的容積，充氫氣後可以負載100～150公斤的儀器。已具有負載達1000公斤以上的大型氣球。平流層氣球是一種能完成20～40公里或更高的高空探測的觀測平台。施放氣球一般要選擇適合的季節和天氣條件，結合各高度上的風向、風速情況加以控制，例如氣球的水平位置利用高、低層風定位：低層為偏西風使氣球東移，待升至平流層時又利用高層的偏東風向西移動，以便在完成全過程探測後儘可能在接近施放場地加以回收；氣球的升降由地面遙控的排氣閥和平衡器進行排氣或拋壓艙物來控制。

平流層氣球探測主要用於科學試驗研究，它不僅用於大氣成分、臭氧、太陽常數、輻射量等探測，而且還用於高能物理、天文、空間物理等多學科的探測。 ^[2] 

氣象氣球有膨脹型與非膨脹型兩種。

膨脹型氣球的球皮是由伸縮性較大的橡膠製成，球內充氣後，球內外壓力差很小，氣球可隨大氣壓的降低而自由膨脹，氣球可一直上升到破裂為止，這種氣球一般是在大氣垂直探測中應用，製造球皮的橡膠有天然橡膠與合成橡膠（氯丁橡膠）兩種，為了保持球皮的伸縮性，橡膠內要適當加入耐寒、耐臭氧、耐光老化的助劑，此外還要加入防靜電的物質，以防氫氣爆炸。

非膨脹型氣球的球皮是由聚乙烯塑料薄膜、聚脂薄膜製成，一般在超壓狀態下工作，球皮幾乎無伸縮性，可保持一定形狀，用於水平探測，製作定高氣球、繫留氣球等。聚乙烯薄膜的性能優於橡膠，耐低温，受紫外線影響小，而且透氣率小，有較高抗拉強度，因此可以用來製造使用期較長、負荷較大的氣球。 ^[1]