1 氣球及早期科學觀測
氣球是利用浮力原理升空的飛行器，中國古代的孔明燈是熱氣球的早期雛形，用松脂等燃料維持燈籠內空氣的較高溫度和較低密度，在重力場下的大氣中就產生了浮力，被用於節慶活動和傳遞軍事信號。1783年9月，作為造紙工匠的法國蒙特哥菲爾兄弟在凡爾賽宮廣場向王室和公眾演示了熱氣球飛行，兩個月後又完成了人類首次載人飛行，由此法國被認為是氣球的故鄉。之後用浮力大的氫氣作為浮升氣體、塗覆橡膠織物做氣囊的氣球、飛艇等發展起來，一度在軍事、運輸、科研中廣泛應用，後因著名的齊柏林越洋客運飛艇因靜電引起氫氣燃爆失事而衰落；而熱氣球延續至今，成為有眾多擁躉的運動和娛樂項目。
圖1 1983年法國紀念氣球首飛200年的明星片
氣球早期與科學結緣的著名事例是奧地利物理學家赫斯用氣球發現宇宙線的實驗。20世紀初空氣電離是研究熱點之一，開始人們認為是由地面放射性元素導致的。赫斯是物理學家，也是氣球飛行愛好者，1911~1912年他攜帶沃爾夫型金箔驗電器乘坐氫氣球進行了7次飛行實驗，即使以目前的眼光來看，這也是科學探險的壯舉。他發現海拔越高空氣電離越嚴重，5390米高空的大氣電離率是地面的5倍，表明導致空氣電離的源頭「可能是來自太空的穿透輻射」，即宇宙輻射。1914年德國物理學家柯爾霍斯特將氣球升至9300米，測得空氣電離是地面的9倍，確認了赫斯的結果。
圖2赫斯1912年乘坐氣球開展實驗的場景
宇宙線的發現促進了粒子物理學的發展。1932~1953年期間，在宇宙線及與大氣作用產物中陸續發現了正電子、μ子、π介子、Λ超子、
介子等，成為粒子物理研究的先驅。赫斯和發現正電子的安德森分享了1936年諾貝爾物理學獎。1947年，高度達30千米的氣球實驗揭示宇宙線除主要成分質子外，還包括氦核和多種重原子核，打開了粒子天體物理的大門。
圖3 大氣電離率隨高度變化(左：赫斯，1912；右：柯爾霍斯特，1913)
2 現代科學氣球及科學觀測
二戰之後，由於高分子材料等技術進步，氣球開始採用輕薄、耐低溫和廉價的聚乙烯薄膜製造，球膜重量從每平米300克降低到約20克，這是一個巨大進步。簡單分析可知，氣球在升限高度的浮力和重力平衡，有：W=V(ρa-ρg)g，其中W為總重，V是氣球體積，ρa和ρg分別是升限高度大氣和浮升氣體密度。氣體密度與壓力關係為ρ=μP/ RT。T為氣溫，R是通用氣體常數，μ是氣體克分子量。合併兩式得到以氣壓表示的氣球升限公式(注意氣壓小則高度高)：
該式表明了升限高度與氣球體積和系統總重的確定關係(公式右的前項在平流層基本是定值)，氣球體積越大高度越高，大幅減輕氣球自重，可攜帶相當重的載荷達到很高的高度。
氣球的高度和載重對科學研究非常重要。現代氣球大多採用零壓式「自然形」設計，有縱向加強筋，充氫或氦(現多用氦氣)，體積幾萬到上百萬立方米，載荷數百公斤至數噸，高度30~45千米或更高，上方剩餘大氣僅為地面的1%到0.1%，飄飛在大氣層頂，成本相對低廉，實驗靈活，準備周期短，廣泛用於紅外和X-γ射線天文，宇宙線和微波背景觀測，大氣和地球環境等科學研究以及空間儀器和空間技術試驗。零壓氣球在日落時因太陽輻射消失導致浮升氣體降溫，體積收縮而下降，需要通過拋壓艙物減重恢復飛行高度(每次過夜5%~7%系統重量)，這就限制了其飛行持續時間，約2~3天。
隨著技術進步，科學氣球發展為成熟的高空和空間研究工具。美國國家航空航天局(NASA)，法國國家太空研究中心(CNES)，俄羅斯科學院，日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)，瑞典空間研究中心(SSC)，印度空間研究組織(ISRO)，巴西空間研究組織(INPE)，加拿大航天局(CSA)等國家空間機構都有科學氣球設施，氣球科學活動持續不斷，取得顯著成就。
美國國家基金委(NSF)於1961年資助在科羅拉多州建立氣球設施，1973年正式成為國家科學氣球設施(National Scientific Balloon Facility, NSBF)，1982年移交NASA，2003年為紀念哥倫比亞號太空梭失事改稱CSBF。NASA總部主持科學氣球任務計劃和技術發展規劃，GADEN和Wallops中心負責技術研究。
NASA提出了將氣球利用程度和效益最大化的方針，建有德州巴勒斯登、新墨西哥州薩姆納堡氣球站和阿拉斯加Fairbanks基地，1990年在南極McMurdo(70.5°S，157.5°W)建站開展繞南極的長時間飛行，還與巴西、澳大利亞、紐西蘭等合作開展南半球越洋飛行。美國氣球活動規模大，氣球體積多為30萬~110萬立方米，最大170萬立方米，載荷最重3.6噸，共發放2000多次，與NASA的空間計劃密切配合，取得顯著效益。
圖4 典型的科學氣球配置，112 萬立方米氣球起飛時高度200米，高空展開直徑140米
圖5 典型的動態式氣球發放：氣球頭部由滾筒約束充氦氣，吊艙鎖定在移動平臺上待球體升起並超前後解鎖。右上為高空脹滿的氣球及下部的排氣管
圖6美國在巴勒斯登站發放氣球的航拍照
1998年NASA啟動了超長時間氣球計劃(ULDB)，致力於發展大型超壓氣球，目標是體積73.6萬立方米，高度35千米，2噸載重，定高飛行100天，能力堪比衛星。超壓氣球在日落時內部壓力降低而體積不變，可長時間定高飛行，但技術難度很大。
ULDB雖比原計劃滯後，但技術進展顯著。2009年在南極創造了20萬立方米超壓氣球定高飛行54天的記錄，2013年53.22萬立方米超壓氣球載2噸多載荷飛行了32天，2016年在紐西蘭又發放成功53.22萬立方米超壓氣球(編號662NT)，攜1.25噸的康普頓分光與成像儀(COSI)，在33.5千米高度飛行46天，吊艙在秘魯降落回收。
圖7美國ULDB超壓氣球的
縮比實驗，球形採用南瓜形，一種外形穩定的歐拉體
圖8攜帶COSI的662NT超壓氣球起飛情景，右上為升限飛行中的超壓氣球
同時期，利用南極夏季不落日和極渦環形氣流條件，美國大型重載零壓氣球南極長時間飛行取得很大成功，1995~2012年進行了44次飛行，其中22次繞極單圈(8~20天)，6次雙圈(20~32天)，4次三圈(35~42天)，最長55天，至今共飛行56次。有力支持了高價值的南極氣球科學活動。
圖9 2013年Super-TIGER項目繞南極3圈55天的航跡，是NASA重載零壓氣球的續航記錄
法國作為近代氣球的發源地十分重視科學氣球，法國CNES設氣球部，是歐洲氣球活動的中心。作者在訪問CNES時，CNES負責人表示「我們用空間預算中的1%投入科學氣球，獲得10%的收益」。法國國內氣球站有Arie sur l』Adour和Gap in theAlps，曾進行從義大利西西里島到西班牙降落的跨地中海飛行，2013年起在加拿大開展2~3天長時間飛行。法國共發放氣球1000餘次，最大氣球120萬立方米，採用軟式發放方式。
圖10法國特有的「軟式」起飛法，即用輔助氣球升起吊艙避免觸地損傷的科學氣球發放場景
法國的紅外熱氣球和中小型超壓氣球別具特色。紅外熱氣球體積約4.5萬立方米，50 千克載荷，靠氦氣升空，逐步換成空氣，夜間靠地面長波輻射加熱，晝夜呈30~18千米高度起伏，特別適合大氣剖面研究，2001年創造了沿赤道環球飛行71天的紀錄。
日本JAXA的宇宙科學研究所(ISAS)設氣球部，開展了長達50年的科學氣球活動，早期氣球站在三陸，後移至在北海道Taiki，共發放氣球600多個，最大體積60萬立方米，發展了超壓氣球和輕量化高高度氣球(球膜不足3微米厚，高度達59千米)，1993年在南極洲昭和(Syowa)基地建立了氣球站，開展長時間飛行。科學氣球在日本空間科學和技術試驗中具有重要作用。
瑞典是北極區域氣球活動的中心，1974年瑞典空間中心在基律納市建立Esrange基地(68°N, 20°E)開展氣球飛行，實現了環繞北極的飛行，最大氣球體積110萬立方米，共飛行600餘次。瑞典與俄羅斯籤訂協議，氣球吊艙可在俄境內降落，飛行時間3天到一周。許多國家前往瑞典開展極區空間物理、大氣科學等研究。
圖11 KTH的脈衝星X-射線偏振望遠鏡PoGO，在基律納用110萬立方米氣球升空
印度1969年在Hyderabad建立了氣球基地和國家氣球研究機構(NBF)，位於地球磁場赤道附近(8°N)，有其特殊的地理優勢，放飛了500多次高空氣球，多為10萬~20萬立方米，1997後成功發放了40萬和74萬立方米氣球。
科學氣球系統包括氣球球體、發放系統和基地設施，還包括視距或衛星中繼測控數傳系統，氣球吊艙能源、定位、姿控、浮力控制、電子學和數據管理系統，飛行安全管理系統，吊艙回收降落傘等系統，以及搜尋回收和運輸等設施。各國均配置了標準化、功能可組合的先進設備。
3 氣球科學觀測的重要事例
利用科學氣球開展了大量天體物理、宇宙科學、大氣和地球科學研究，領域廣泛，成果豐碩。以下介紹一些代表性項目。
BOOMERANG(迴旋器)，為美國宇宙微波背景探測氣球實驗。宇宙微波背景的發現(1964)和COBE衛星結果(1989)有力支撐了宇宙大爆炸和暴漲理論，分獲諾貝爾物理獎。但宇宙背景的微小不均勻性蘊藏著宇宙大爆炸後約37.6萬光年高速膨脹期量子起伏(聲波震蕩)、背景光子與天體作用和宇宙結構的大量信息，需要比COBE衛星角解析度高得多的設備進行測量。1998年美國實施BOOMERANG任務，在南極用80萬立方米氣球進行了11天飛行，得到解析度小於1度的局部宇宙微波背景圖，清晰地描繪出微波背景的不均勻性，並測出宇宙相對密度Ω0在誤差範圍內為1。
圖12顯示探測結果很好地符合幾何平坦宇宙理論模型的結果預期，即宇宙內含的總物質量產生的重力使其不至塌縮也不至於撕裂，氣球觀測結果為2003年發射的威爾金森衛星WMAP提供了堅實基礎，其重要科學結論也得到證實。
圖12迴旋器觀測到的宇宙背景不均勻性圖形(上)，與宇宙彎曲和平直模型預測圖形(下)的比較
氣球超導磁譜儀BESS，是美日合作項目，測量宇宙線中的低能反質子，尋找反氦核，研究早期宇宙的基本粒子過程、原始黑洞及暗物質證據等，起步於1990年，早於丁肇中先生的AMS計劃。探測器包括薄壁超導磁線圈，內漂移室、軌跡漂移室、飛行時間閃爍描跡儀等，1997年後採用氣凝膠切倫科夫計數器取代漂移室。
反物質缺失是粒子物理學的重大課題，1955年在伯克利BeVatron加速器上首次發現了反質子(獲1959年諾貝爾物理學獎)，1979年美國科學家用氣球磁譜儀在130~320兆電子伏能區測到28個宇宙線中的反質子，其反/正質子流強比遠超宇宙線與星際氣體作用模型，由此反質子的宇宙起源成為重要課題。1989年中蘇長時間氣球合作時，作者聽列寧格勒物理技術學院的科學家說，他們早於美國人用氣球磁譜儀發現了宇宙反質子，很可能當時冷戰「鐵幕」遮蔽了蘇聯科學家的成就。
圖13作者1993年在日本KEK，BESS探測器前
1993年到2002年，BESS在加拿大林恩湖氣球站進行了9次氣球飛行，共探測到2400多個反質子，後升級為BESS-Polar，2004年在南極飛行8.5天，2008年飛行24.5天，獲8000多個反質子事例，得到反氦/氦比閾值低於3×108，為當時最重要的結果。
美國南極氣球天文計劃，與ULDB計劃同步，NASA徵集了大量氣球天文任務建議，進行優選後形成南極氣球天文計劃，包括約20個具有原創科學思想和新一代尖端儀器研發的項目。由於超壓氣球尚在試驗中，該計劃主要用大型零壓氣球實施，許多項目飛行了多次，任務持續至今，是科學氣球史上最宏大的計劃。
圖14南極氣球計劃氣球發放場景
南極氣球天文計劃包括粒子和非粒子天體物理兩部分，粒子天體物理分為宇宙線起源加速、中微子天文、暗物質/反物質三個方向，重要項目有：先進薄型離子量能器ATIC，宇宙線能量和質量探測器CREAM，宇宙線電子同步輻射望遠鏡CREST，銀河全離子成分記錄儀Super-TIGER，南極暫現脈衝天線ANITA，總反物質譜儀GAPS(尋找反氘核和中微子湮滅通道)等。在ATIC項目中，中國科學家常進建議同時觀測高能電子和伽馬射線以及改進粒子鑑別方法，經2002~2007年四次飛行累計56天，發現電子能譜在300~800吉電子伏能區有一個顯著的「超」，引發了觀測原初宇宙線電子的一批空間任務，推動了我國暗物質探測衛星DAMPE的立項和重大成果產出。ANITA採用非常奇特的方法，用40個超寬帶四角高靈敏天線探測中微子次級效應的電磁脈衝，居然在2009年30天飛行中測到2個可能宇宙中微子事例。
非粒子天體物理安排了大爆炸宇宙學、X和伽馬射線源、系外行星/宇宙生物學等方向，主要項目有：宇宙學/天體物理擴散輻射絕對輻射計ARCADE，E/B模實驗EBEX，宇宙微波前景源探測NCT，平流層太赫茲天文臺STO，球載大孔徑亞毫米波望遠鏡BLAST，高空透鏡觀測臺HALO(暗能量)，都卜勒敏感核伽馬探測DoGONE，球載系外行星光譜望遠鏡BEST(口徑0.75米，offner光譜儀)，行星離子碳譜儀ICarbS，系外星塵盤探測Zidiac等，都是非常新穎的項目。其中ARCADE採用全新釐米波(3-100毫米)精密差分輻射計測量宇宙背景，超流氦製冷；EBEX用2米望遠鏡，1500個超導量子幹涉換能邊緣敏感器，測量宇宙大爆炸後10-35秒暴漲期在背景上留下原初引力波印跡。
圖15平流層太赫茲天文臺STO/STO-2,後續為GUSTO，探測星際介質和水汽、恆星和星系形成
美國南極氣球計劃取得許多成果，如ARCADE發現CMBR的強烈射電輻射源，LSU非直接探測到暗物質跡象，BLAST發現星系形成的重要現象等，CREAM、GAPS的後續探測器已被送上國際空間站。作者認為其最重要的意義是引領了研究方向，加強了研究深度，激發了科學家的潛能並培養了大批人才。
環境和大氣研究。科學氣球在大氣、海洋科學和全球環境研究中發揮靈活多樣的重要作用，僅舉幾例。HIBISCUS-木槿計劃，歐盟委員會「全球變化/氣候和生物多樣性」大型國際合作(2002~2004)，與ESA的ENVISAT衛星，NASA的SAGE III衛星等配合，開展了23次零壓和超壓氣球飛行，球載儀器包括紫外/可見/紅外分光計、雷射雷達、臭氧儀、表面聲波傳感器、光學微粒分光計等，對多種大氣微量成分和雲、氣溶膠等進行原位測量，並開展衛星數據的真實性檢驗；GAINS-美國大氣海洋局NCAR的全球大氣海洋原位測量計劃(2006~2008)，採用數百個長時間飛行「Windstar」可控超壓氣球在全球範圍組成觀測網絡，飛行高度18~28千米，觀測海洋和大氣相互作用、火山噴發、海藻潮，與衛星觀測互補；極區大氣研究-CNES與NCAR合作項目，發放了19個超壓氣球，用下投探空儀、紫外臭氧儀、粒子計數器、GPS掩星等方法研究區域大氣動力學、極區中尺度重力波，臭氧耗盡動力學的微物理/化學過程，進行衛星紅外輻射冰面數據修正，改進數值天氣預報。上述計劃都取得了重要的綜合效益。
重要的空間技術試驗，舉幾個典型事例。有翼飛行器重返大氣層試驗：日本在20世紀90年代初發展小型太空梭，要解決太空梭高速進入稀薄大氣層的氣動特性、氣動加熱防護、穩定性控制等關鍵問題。日本ISAS用氣球在平流層釋放太空梭縮比樣機，在重力和動力聯合加速下達到所需試驗條件，獲得了大量姿態、結構響應和振動等動力學參數，氣動加熱和機體溫度場分布等重要參數；火星低密度超音速制動器(LDSD)試驗：NASA為發展新型火星著陸技術，用直徑33米的巨型旋轉超音速「飛碟」減緩飛船進入稀薄火星大氣層的速度。為測試該技術的有效性、提高成熟度，在夏威夷建造專門試驗場，用氣球將試驗系統升入太平洋上空約36千米高空，2012年進行了縮比試驗，2014年和2016年進行了兩次全尺寸試驗，發現了相關的技術問題，試驗在繼續進行。
圖16在夏威夷建設的氣球設施。LDSD載荷重3.6噸(含火箭發動機)，需在高空加速到4馬赫
美國、俄羅斯、日本、法國等國還開展了火星、金星、木星、土衛六泰坦等太陽系天體氣球探測和火星大氣飛機等技術研究，在地球大氣中開展了一系列模擬試驗。20世紀90年代初中蘇氣球合作期間，蘇聯列別捷夫物理所的科學家提出，蘇-法合作「火星96」計劃擬用夜間著陸、白天升空的氣球大範圍探測火星風場和地表物質成分，需要在地球高空模擬火星氣球從容器中展開的實驗，希望中方提供60萬立方米氣球。作者為此訪問了蘇聯負責月球和行星探測的巴巴金空間中心，最終實施了中方提供氣球，蘇方用我們需要的氫氣設備交換的合作。
科學氣球涉及領域廣泛，方法靈活多樣，與各國的空間研究和各種科學計劃密切配合，發揮了探索引領，激勵創新，凝練科學目標，發展實驗方法、驗證關鍵技術，培養鍛鍊隊伍等重要作用。
本文選自《現代物理知識》2020年第2期
原標題：浮空平臺科學實驗專題一——氣球科學觀測100年（上）
來源：現代物理知識雜誌
《現代物理知識》
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編輯：前進四
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