马上就要到跨年夜了，大家都准备好跨年的仪式感了吗？如果还没有，不如和科研人一起放飞气球许下新年愿望吧。不过，他们放的气球好像有点怪。在中国科学院大气物理研究所、暨南大学和兰州大学合作开展的2021年第二次青藏高原综合科学考察中，科考人员放飞探空气球的操作过程。浩渺神秘的天空难以企及，却是人类从古至今向往的探索地。
聪明的科学家们想到，可以让摆脱重力束缚的气球，带着仪器飞升上天，这样不就可以窥探天空的“秘密”了吗？探空气球。一百年前，人们就用气球探空观测了。人类生活在地球表面的大气层里，我们仰望的天空可以认为是笼罩在我们头顶的高空大气。温度、压力、湿度以及风速是人们了解大气状态的四个重要物理量。在靠近地面的低层大气中，人们通过架设布满了检测仪器的气象站和气象塔，来捕捉大气运动的“蛛丝马迹”。
但在只有云朵能够栖息的天空，该如何测量气象要素、了解高空大气的基本状态呢？正所谓“山不过来，我就过去”，人们利用能够飞升上天的气球，搭建起探空之旅的桥梁。人类使用气球进行高空气象观测的历史可追溯至20世纪初期。1902年德国气象学家阿斯曼首次提出在气球上绑上无线电探空仪，通过追踪气球上升过程中无线电探空仪的位置来测量风速。
此后，气球“带货”探测高空的方法在世界各国应用和发展了起来，我国在20世纪50年代也加入了气球探空的行列。现在探空气球已是综合气象观测系统的重要组成部分，是人类研究高空大气的重要探测手段，在气象学发展、天气预报、气候监测工作中起到了重要作用。除了气象领域外，由于成本低、周期短、灵活性高以及测量精度高等优势，在许多航空和空间科学技术的研究中，探空气球也是不可或缺的测量手段。
我国共有120多个探空台站，无论阴晴雨雪，值班的气象人员都在世界时00时和12时之前完成气球探空任务。这些每天定时放飞的气球，为我国积累起高空气象观测的重要数据。探空任务可不是简单放飞气球就搞定了。探空气球可不是普通气球。在气球上升的过程中，由于空气压强的不断减小，气球内的空气体积会发生膨胀。除此之外，高空温度低，光照强度强，达到平流层后大气中的臭氧含量增加。
因此，制作探空气球使用的是具有良好延展性、耐寒性、耐臭氧以及耐光老化性能的乳胶材料，从而保证了探空气球在完成使命前不会过早“牺牲”。气球升速也是发展探空气球时需要考虑的重要问题之一。气球的升速与所充气体的体积有关。如果充气量过少，升速过慢，气球在上升过程中容易随风飘移，当飘移距离过远，地面接收机无法接收到无线电发回的信号。另一方面，上升过程中耗时太长，电源提前耗尽也会导致观测终端。
如果充气量过多，升速过快，气球容易过早破碎，并且探测仪器需要一定的响应时间，过快的升速会导致观测数据不够准确。探空气球除了气球之外，最重要的就是悬挂其下的探空仪。探空仪是用来测量大气温度、压力和湿度的仪器，被包裹在一层很厚的泡沫中。厚厚的泡沫不仅保证了在执行任务过程中仪器不会轻易地被损坏，并且泡沫的保暖作用能够维持电池供电时间，降低了下降时带来的危险。
在放飞气球之后，测量仪器会对上升路径上的大气进行探测，并将观测信息如温度、湿度和气压数据通过无线电传回地面。探空仪还配备GPS芯片，可以利用GPS芯片监测探空仪在三维空间内的位置变化，从而推算出大气在各个层次上的风速风向。有不少人会好奇，探空气球完成任务后都去哪了？在探空气球达到目标高度爆炸后做下落运动。但不用担心它掉下来会砸伤人。
探空仪的总“体重”通常只有几百克，加上包裹着巨大的泡沫以及下落过程中受到的空气阻力，降落速度相对较慢，因此不会对地面人员造成威胁。目前探空台站业务使用的探空仪都是小型简易的温压湿传感器，一般不做硬性回收要求。而在一些科学探测任务中，由于携带的观测仪器价格昂贵，为了节约科考经费，科考队员还是会克服各种困难，尽可能地对仪器进行回收。
比如在2021年中国科学院大气物理研究所在第二次青藏高原综合科学考察中，探空气球需要携带价格昂贵的POPS粒子计数器上升至30km的高空，来探究大气成分的垂直结构。为了成功回收仪器，科考队与青海格尔木市气象局协作，并在当地牧民的协助下，8次观测试验中成功回收探空仪器5次，为国家节省了约30万元的科考经费。
近日，中科院大气物理研究所刘毅研究员课题组开展了一项研究平流层大气动力特征的科研任务，探空气球又一次大显身手。虽然绝大部分天气现象都发生在大气低层的对流层中，但对流层之上的平流层对天气和气候变化同样起到重要影响：重力波在平流层破碎等原因会产生湍流，湍流动能通过耗散为热能的形式将能量留在平流层，从而改变了对流层向中层大气传输的能量通量。
这不仅会影响天文观测和通信传输，还对飞行于平流层中的飞机的航行安全带来安全隐患因此湍流特征，也是平流层的重点研究内容。湍流的尺度范围从厘米到公里，利用高空间分辨率的观测才能够更好地捕捉小尺度湍流的身影。相对于对流层来说，平流层高度较高、运动状态相对稳定，湍流的发生频率小于对流层和边界层，这些都给平流层的观测研究提出了很大的挑战。而探空气球由于其自身所具备的优势，是执行这项观测任务的不二之选。
刘毅课题组在内蒙古的古巴彦淖尔市开展平流层动力湍流观测实验，使用了零压探空气球，从而能够保证观测系统能够以较均匀的速度到达指定高度。观测系统中的恒温热线风速仪电桥、电池、信号转换器和工控机等被放置在球形载荷中。该载荷是一个聚苯乙烯泡沫盒，能够隔绝温度变化对探测仪器的影响，同时减弱仪器落地时受到地面冲击带来的损害。
恒温热线风速仪的探头置于泡沫载荷顶端上方20 cm，采样频率高达2千赫兹（每秒2千次）。气球的平均上升速度约为5m/s，在这样的高采样频率下，观测的垂直空间分辨率高达2.5毫米，因而厘米量级尺度的湍流也难逃它的“法眼”。载荷中还放置了一个三轴陀螺仪记录载荷的旋转摆动姿态，来评估载荷摆动对观测造成的影响。无线电探空仪被放置在了载荷最下方，用来探测大气的温度、湿度、压力等大气参数。
由于恒温热线风速仪对风场的变化非常灵敏，因此连接气球与仪器的绳子长达80m，这样长的距离可以避免气球在上升过程中产生的气流扰动对探头的影响。为了便于放飞气球，绳子在放飞前用卷轴缠绕起来，当气球稳定升空后，卷轴打开释放绳子。在探空气球下方还装备了降落伞，当达到指定高度，降落伞与气球间的绳子被切断，降落伞迅速打开，减小了载荷的下落速度。
在整个实验过程中，GPS被用来不断地定位，以确定最终的着陆点，从而对装置进行回收和再使用。探空气球被成功发射到内蒙古巴彦淖尔市24公里的高空上。通过分析整个飞行高度范围内恒温热线风速仪的探测数据发现，平流层中存在着湍流层，厚度从几米到几百米不等，并且湍流层与非湍流层具有清晰的边界。
这次实验是我国首次在平流层中成功开展的毫米垂直空间分辨率的湍流探测实验，并获得了平流层低层的动力湍流特征，为今后对平流层的研究打下了良好的观测基础。带着自由和梦幻的彩色气球，承载着人们对新的一年的美好期盼；对科学家来说，探空气球象征着探索天空的一往无前。一个又一个放飞的气球，穿过云，穿过雨，穿过自然世界的未知，传来一个关于天空的“秘密”。