作者：魏 科 副研究員
中科院大氣物理研究所 季風系統研究中心（CMSR）
已獲權轉載，如需轉載請聯繫作者
2017年9月25日，中國科學院大氣物理研究所研究小組與濟南市章丘區氣象局一起做氣球探空實驗，採用的氣球長約2米，寬約1米，不充氣看起來像是個飛機，充氣後長得像個胖頭的鯨魚。
2017年9月25日走失的氣球本尊
此氣球主要用於氣象探測，下方攜帶有5臺儀器。這些設備主要是用來測量觀測點的空氣氣體成分、汙染物氣溶膠和常規氣象參數。
下午4時50分左右，實驗基本結束，開始回收氣球，氣球下降到離地高度300米時，該高度處出現較大風速，系留氣球的纜繩被意外拉斷，氣球就這麼隨風飄走了……
這個氣球設計初始就並非直接上升隨風飄走的氣象探空氣球（sounding balloon，或者weather balloon），而是系留氣球（tethered balloon），這二者的區別明顯。
氣象探空氣球充了氣就一直隨風往上飛，到平流層中層以後（20-30km），因為外部空氣稀薄壓力小，氣球不斷膨脹，最終爆炸。大多數的氣球到不了20公裡，但是也有一些質量奇好的氣球甚至可以到達平流層高層40公裡以上，目前平均而言，德國人放得氣球飛得最高，常常能衝擊到30km以上，但是有一次菲律賓超常發揮，一直把氣球放到47.272公裡處，創下了探空氣球的世界紀錄。
爆炸後，氣象探空氣球攜帶的無線電探空儀會有小型的降落傘打開，然後一直降落到地面，地面人員根據各種定位方法回收設備（不過絕大多數是情況下是找不回來的，儘管探空儀上會註明聯繫方式，但往往氣球飄到數百公裡外的人跡罕至之處）。
系留氣球則通過長長的繩子系留在地面，上升高度可以調整，但是一般不會超過2~3千米，比較像專業版的風箏。在測量大氣最低層的氣象參數及空氣成分方面，與其他探空方式相比，比如建設高塔觀測，或者直升機/飛機觀測相比，系留氣球觀測很明顯更經濟實惠，也更符合科學用途。
人一直生活在地球的表面上，對第三維空間的探索只能依賴於爬山之類的活動，不過這仍然是在地球表面做運動。擺脫地心引力的束縛，是數千年以來的歷史難題。
1783年，法國孟格菲兄弟（Joseph-Michel and Jacques-Etienne Montgolfier）發明了熱氣球
探空氣球出現的歷史比較晚，1783年，世界的科技中心在法國，孟格菲兄弟（Joseph-Michel and Jacques-Etienne Montgolfier）在這一年發明了熱氣球，當時的熱氣球可是高科技，當年6月3日，兄弟兩在巴黎表演了空中飛行，在10分鐘內飛過了2000米，成為當時巴黎市民競相觀看的年度重大事件。
從此之後，人類終於走向了第三維空間，並迅速把人能到達的高度提高。在第二年的1784年，兄弟兩已經能熟練掌握駕駛技術了，達到的高度到了前所未有的3000米。
1862年9月2日，英國科學家James Glaisher (1809–1903)和Henry Coxwell (1819–1900) 和駕駛熱氣球一舉突破~36000-37000英尺（~11公裡），不過差點喪命。
人類乘坐熱氣球的記錄是英國人創造的，1862年9月2日， Henry Coxwell (1819–1900) 和 James Glaisher (1809–1903)駕駛英國人製作的熱氣球一舉突破~36000-37000英尺（~11公裡），不過這是拿命拼來的，高空空氣稀薄溫度嚴寒，科學家Glaisher在8839米高度時已經喪失了意志，意識模糊的Coxwell手已經凍傷，而氣球還在往上走，最終在喪失意志前，他用牙扯開了漏氣閥，氣球安全降落。
這件事給科學家們敲響了警種，靠人坐在熱氣球向上探索大氣，最終會出人命的！所以在19世紀最後10年裡，發明了探空氣球，只需要氣球把儀器帶上去就行，等氣球炸了落下來，看看儀器記錄即可。
這一思路的轉變，迅速帶來新的結果，1902年，法國科學家Teisserenc de Bort和德國科學家Richard Assmann（把德語翻譯成英語的人得有多恨德國人） 分別獨立發現了在對流層上面的平流層，這一發現在20多年後的1926年被氣象學家Sir Napier Shaw描述為「the most surprising discovery in the whole history of meteorology」。
現代氣球探空
氣象探空氣球迅速成為對天氣和氣候進行觀測的主力，截止目前，全球有11000多個地面氣象站和1200個探空氣象站，這1200個探空站每天進行兩次探空氣球釋放（國際標準是0時和12時），可以想像下全球1200個測站的工作人員充氣、懸掛設備、掐著時間同時釋放的盛況。
並不是所有氣球能到平流層，大概有1000個氣球能飛到10公裡（~100hPa），只有~800個氣球能到20公裡，最終大概~350個氣球到30公裡，可以說一路向上飛一路爆炸一路夭折。
只有低於1%的氣球能夠到達5hPa （~36公裡）
在每天兩次的觀測中，全球釋放的探空氣球走失的機率並不低，這要考慮到很多測站放氣球時候可能狂風大作，或者暴雨雷鳴，或者機械故障等，即使全部準確釋放，所有的探空氣球最終還是會爆炸，並無一例外的飄落地面的。
這樣比較下來，是不是系留氣球丟失也不是什麼太要緊的事了？
到了衛星測量時代了，探空氣球的探測依然必不可少，因為探空氣球有衛星觀測無法替代的優點。探空氣球是真實的實地的觀測，代表了最真實的大氣狀況。
因為衛星是從上面觀測，所以得到的結果往往是包含了整層大氣的數據，比如在下圖這個美國MSU衛星資料裡第2通道觀測的是對流層溫度，第4通道觀測的是平流層溫度，但是實際溫度資料裡包含了大量的其他層次的信號。
對流層的溫度雖然在對流層有較大的權重，可是一直到平流層頂都有信號夾雜其中。同理，第4通道的平流層溫度信號也包含了大量的對流層溫度，並不能準確的反應某個層次的真實情況，只能是作為一個大體的估計，如果用這樣的溫度序列分析長期趨勢，則會低估溫室效應造成的對流層的增暖和平流層的降溫。
圖片來自於(Fu et al., 2004)
在未來很長的時間裡，探空氣球還是對大氣探測的主要手段，大家還是要習慣走丟幾個氣球的低概率事件。並且在發現UFO等神秘現象時，最好先問一下是不是那個測站刮來的氣球正好被太陽照亮，在遙遠的天邊看起來像是扁扁的飛碟呢？
作者個人公共號 ↓
中科院大氣物理研究所