Hvordan fungerer en vejrballon?

Ved en isoleret vejrstation i det centrale USA kommer en tekniker ud af et lille murstensskur og griber en vejrballon . Det er ikke en hvilken som helst fødselsdagsballon, vel at mærke, men en massiv, hvid kugle på mere end 1,5 meter i diameter. Fyldt med mere end 300 kubikfod (8,5 kubikmeter) heliumgas trækker den enorme ballon mod videnskabsmandens hånd med en kraft på omkring fire pund.

På den anden side griber videnskabsmanden en radiosonde, en letvægts papkasse fyldt med videnskabelige instrumenter, der er bundet til bunden af ​​ballonen. Han skrider ud i en tom lysning og slipper forsigtigt ballonen og radiosonden.

Mens ballonen suser væk fra Jorden, er radiosonden allerede hårdt på arbejde og sender atmosfærisk information tilbage til datacentre.

Efter en time er ballonen steget til næsten 100.000 fod (30.480 meter). Dette er stratosfæren, det næstsidste atmosfæriske lag før det ydre rum. Nedenfor er Jordens træk skjult af et tykt lag sky. Ovenfor er den blå himmel falmet til mørk sort. Det er et smukt syn, som kun ses af en håndfuld astronauter og testpiloter.

For ballonen vil disse betagende udsigter være dens sidste øjeblikke. Efterhånden som vejrballonen klatrer højere, udvider den sig. Den startede måske beskedent, men nu, næsten 29 kilometer høj, er ballonen svulmet op til størrelsen af ​​en lastbil i bevægelse.

Udstrakt til dets grænser brister ballonens tynde syntetiske gummi og sender den lille radiosonde styrtdykket tilbage mod Jorden. Inden for få sekunder fanger vinden en lille, orange faldskærm og bremser enhedens nedstigning. Timer senere – og hundredvis af kilometer fra hvor den først løftede sig – rører vejrballonen jorden.

Hver dag foretager hundredvis af disse balloner rundt om i verden denne dramatiske, rumnære rejse. Mere end 70 år efter, at forskerne sendte den første eksperimentelle vejrballon op, er de stadig arbejdshestene i moderne meteorologiske prognoser. Uanset om det er en tornado-advarsel eller vejrudsigten på nyhederne klokken 6, er vejrballoner det, der holder folk på jorden tunet ind på de meteorologiske funktioner i den øvre atmosfære.

Hvilken slags information indsamler en vejrballon, og hvordan opnår den denne bedrift? Læs videre for at finde ud af det.

1. Anvendelser til vejrballoner
2. Komponenter af en vejrballon
3. Vejrballonopsendelser

Bruges til vejrballoner

I 1785 lettede den franske ballonfarer Jean-Pierre Blanchard fra Paris på en rekordstor rejse over Den Engelske Kanal. Med på turen var John Jeffries, en amerikansk læge kendt for at boltre sig i vejrobservation. I himlen over Nordeuropa håbede Jeffries at registrere nogle af de første målinger nogensinde af den øvre atmosfære. Da ballonen kom faretruende tæt på at styrte ind i Den Engelske Kanal, blev Jeffries imidlertid tvunget til at kaste sit udstyr overbord for at lette læsset.

I dag udfører vejrballoner det meste af arbejdet for os, og lader eksperterne holde sig sikkert på jorden. Alene i USA opsendes vejrballoner to gange om dagen fra 92 vejrstationer. Det svarer til i alt 67.160 balloner om året. På verdensplan er mere end 900 vejrstationer afhængige af daglige vejrballonopsendelser.

Det er næsten umuligt at forudsige vejret uden at kende forholdene i den øvre atmosfære. Det kan være solrigt og stille ved havoverfladen, men ved 18.000 fod (5.486 meter) kan et svagt stormsystem snart blive til noget mere farligt. Ved at sende regelmæssige eskadroner af balloner op for at måle forholdene i den øvre atmosfære, kan meteorologer holde øje med bryggende storme.

For et århundrede siden kunne forskerne kun forudsige vejret ud fra målinger taget på jorden. Med et så begrænset datasæt er det bedste meteorologer kan gøre at forudsige vejret et par timer ud i fremtiden. Med vejrballoner kan forskerne dog tegne vejrforholdene flere dage i forvejen.

Denne information holder ikke bare joggere ude af regnen - den redder liv. Vejrdata i høj højde er afgørende for at forudsige kommende naturkatastrofer som tornadoer, tordenvejr eller lynoversvømmelser. Takket være vejrballoner kan embedsmænd skrubbe forsyninger og beredskabspersonale til et berørt område timer før en vejrkatastrofe rammer.

Ligesom modelraketter og fjernstyrede flyvemaskiner er vejrballoner også kommet ind på hobbymarkedet. I 2009 brugte videnskabsmændene Oliver Yeh og Justin Lee fra Massachusetts Institute of Technology en vejrballon, en køler, en mobiltelefon og et digitalkamera til at tage et billede af Jorden i stor højde for mindre end 150 USD.

Snart var andre hobbyfolk i gang med at samle deres egne nærrumskameraer. Selvfølgelig advarer Yeh og Lee om, at det kan være farligt at lancere ting i stratosfæren [kilde:Project Icarus]. Hvis den ikke er udstyret med ordentlige faldskærme, kan en amatør vejrballon blive et dødbringende projektil, hvis den falder i et byområde. Ballonerne kunne også fremprovokere en katastrofe ved at blive suget ind i jetmotorerne på et passagerfly. Hvis du begynder at bygge dit eget videnskabelige projekt i høj højde, skal du sørge for at følge alle passende forholdsregler.

Specialdesignede højhøjdeballoner bruges også ofte af NASA til at udføre eksperimenter i nærheden af ​​rummet. Under et meteorregn kan en højhøjdeballon samle kosmisk støv udsendt af de passerende rumklipper. "Smarte" balloner i strandboldstørrelse er blevet lanceret for at holde styr på vejrforholdene omkring NASA-faciliteter før en raketopsendelse [kilde:Mullins]. NASA har endda leget med at sende højhøjdeballoner for at undersøge atmosfæren omkring Mars.

Vi vil se nærmere på komponenterne i en vejrballon på næste side.

Hvorfor lade radiosonder have alt det sjove? I juli 1982 bandt lastbilchaufføren Larry Walters 42 vejrballoner til en græsplænestol med det mål at flyve ud af Los Angeles, følge vindstrømmene over ørkenen og komme sikkert til ro i Rocky Mountains. Ballonerne havde dog mere løftekraft, end Walters havde regnet med, og inden for få minutter var hans flyvende græsplænestol skudt op til kølige 16.000 fod (4.879 meter). Heldigvis havde Walters en luftpistol ombord, og han var i stand til at skyde et par af ballonerne ud og falde sikkert ned i en baggård i Long Beach, Californien.

Komponenter af en vejrballon

Af og til vågner en amerikansk husejer for at finde en brugt vejrballon i hans eller hendes baghave. Det er et mærkeligt syn:Lasede strimler af neopren, sammenfiltrede snore, en sammenkrøllet sliske og en lille papkasse. Det er ingen overraskelse, at vejrballoner ofte forveksles med udenjordiske rumfartøjer.

Kernekomponenten i hele samlingen er radiosonden, en papæske i skoæskestørrelse pakket med tre grundlæggende atmosfæriske instrumenter:

• Termistor. En keramisk beklædt metalstang, der fungerer som et rudimentært termometer.
• Hygristor. En lille rutsjebane, der fungerer som en fugtighedssensor. Objektglasset er belagt med film af lithiumchlorid (LiCl), hvis elektriske modstand ændres baseret på den omgivende luftfugtighed.
• Aneroidbarometer. Et lille metalinstrument fyldt med luft, der måler lufttrykket. Når lufttrykket omkring den falder i højere højder, udvider beholderen sig og udløser en sensor.

Radiosonden har også en laveffekts radiosender til at videresende data fra alle tre instrumenter tilbage til modtagere på jorden. Et lille batteri giver strøm til radiosonden.

Fordelen ved en radiosonde er, at forskere ikke behøver at hente enheden for at få vejrdata. I 1920'erne og 30'erne, da meteorologer brugte drager eller fly til at måle vejrdata i den øvre atmosfære, skulle specialister vente, indtil flyet landede, eller dragen blev rullet ind, før de kunne begynde at foretage vejrberegninger.

Holder hele samlingen i vejret er en stor ballon lavet af neopren, et syntetisk gummi. Ballonerne fyldes enten med helium eller brint afhængigt af den enkelte opsendelsesstations præferencer. Brint er billigere, har bedre løfteevne og kan nemt udvindes fra vand. Imidlertid er brint også meget brandfarligt - et faktum, der har fået mange eksplosionssky vejrstationer til at anvende helium i stedet for.

Alt i alt koster en komplet vejrballonsamling omkring et par hundrede dollars. En raket i høj højde kan på den anden side koste flere hundrede tusinde dollars for blot en enkelt flyvning. Selv en flyrejse i høj højde kan koste tusindvis af dollars i timen. Den relative billighed ved vejrballoner er det, der har holdt dem den foretrukne enhed til registrering af vejrdata i mere end seks årtier.

Med så mange tusinde vejrballoner, der trænger sig på himlen, er det uundgåeligt, at nogle forveksles med fremmede rumfartøjer. Den mest højprofilerede sag var i juli 1947, da militærembedsmænd i Roswell, N.M., bedøvede verden med rapporter om, at de havde fundet resterne af en "flyvende skive". Senere viste regeringsrapporter imidlertid, at affaldet var fra en tophemmeligt eksperimentel ballon, der blev brugt til at overvåge sovjetiske atomprøvesprængninger.

Vejrballonen lanceres

I et isoleret felt midt i Australien pustede NASA-embedsmænd langsomt en massiv heliumballon op, der ville bære et $2 millioner gammastråleteleskop ind i den øvre atmosfære. Placeringen var perfekt til en ballonopsendelse:flad, tør og klar. Inden ballonen var helt oppustet, fangede et pludseligt vindstød ballonen og sendte den farende hen over landskabet. Besætningsmedlemmer løb for livet, da teleskopet smadrede ind i en nærliggende SUV og rev gennem et hegn, før det krøllede sammen i en bunke mere end 492 fod (150 meter) væk.

Af de mange ting, der kan gå galt under en ballonopsendelse, er det naturligvis noget af det værste at efterlade et spor af ødelæggelse. De fleste vejrballoner bliver derimod affyret uden problemer. I USA vil vejrstationer typisk have bygget et skur på stedet specielt med henblik på ballonoppustning. For at forberede en ballon til opsendelse vil en tekniker først sikre ballonen til en dyse og begynde at fylde den med helium eller brint. Mens den fyldes, tester han radiosondens batteri, tuner radioudstyret og sætter hele samlingen sammen med en lang nylonledning.

Når ballonen er pustet op til omtrent på størrelse med en yogabold, binder teknikeren den af ​​og fører den udenfor. Når han går ballonen et stykke væk fra træer, elledninger og andre forhindringer, vil han simpelthen give den et blidt skub opad.

Så snart ballonen begynder at flyde, begynder radiosonden at arbejde og sender data til vejrcomputere på jorden. I realtid plotter disse computere dataene ind i tredimensionelle vejrmodeller og sender dem til vejrstationer over hele landet. Jordteknikere sporer i mellemtiden den stigende ballon med radarudstyr. Ved at notere den sidelæns bevægelse af den opadgående ballon, kan de beregne vindhastighed og vindretning i forskellige højder.

Der er en grund til, at vejrballoner ikke bare flyder ud i rummet. Når ballonen bevæger sig længere væk fra Jorden, er der mindre luft at skubbe mod ydersiden af ​​ballonen. Med mindre lufttryk at tøjle den, udvider gassen inde i ballonen sig, når dens højde stiger. Ballonen kan dog kun udvide sig så meget, og den vil typisk briste i højder over 15 miles (24,1 kilometer) - omkring tre gange højere end Mount Everest.

Hvis radiosonden blot fik lov til at styrtdykke til jorden, kunne den skabe dødelig kaos på menneskelige bosættelser nedenfor. Det er derfor, hver vejrballon har en lille faldskærm forbundet til ledningen, der forbinder radiosonden med ballonen. Når ballonen stiger op, forbliver faldskærmen foldet af den nedadgående luftstrøm. Når forsamlingen begynder at falde, blæses faldskærmen imidlertid op, hvilket bremser ballonen til håndterbare 22 miles i timen (9,8 meter i sekundet).

Meget af tiden bliver vejrballoner simpelthen til affald efter en tur i det nære rum. Hvis balloner fanger et særligt kraftigt vindstød, kan de rejse adskillige hundrede miles - og røre ned overalt fra en sumpet mose til de sneklædte tinder i Rocky Mountains. At sende helikoptere for at hente næsten 200 vejrballoner, der opsendes i USA hver dag, er simpelthen ikke i budgettet.

Men inde i hver radiosonde er der en stor portokonvolut. Hvis du nogensinde støder på en gammel vejrballon, skal du blot placere den i konvolutten og lægge den i en postkasse, og få dage senere returneres den til National Weather Service for at flyve igen.

I de aftagende dage af Anden Verdenskrig spændte det japanske militær bomber til bunden af ​​vejrballoner og sendte dem flydende mod Canada og USA. Japanerne regnede med, at ballonerne ville sætte gang i en bølge af skovbrande og dødelige eksplosioner, hvilket bremsede den amerikanske fremrykning over Stillehavet. Japansk propaganda rapporterede, at ballonerne havde dræbt 10.000 amerikanere, men i virkeligheden var den eneste kaos, der forårsagede, seks menneskers død.

Mange flere oplysninger

Relaterede artikler

• Sådan fungerer varmluftsballoner
• Sådan virker blimps
• Sådan fungerer ufoer
• Sådan fungerer heliumballoner
• Sådan fungerer helikoptere
• Sådan fungerer fly
• Sådan fungerer satellitter

Kilder

• Aerostar International Inc. "Aerospace Products." (1. maj 2011)http://www.aerostar.com/aerospace.htm
• Barry, Mark. "Det officielle websted for 'The Lawn Chair Pilot'." (1. maj 2011) http://www.markbarry.com/lawnchairman.html
• Columbia Scientific Balloon Facility. "CSF's mission, historie og resultater." 2006. (1. maj 2011) http://www.csbf.nasa.gov/mission.html
• Eastern Illinois University. "Værktøjer fra den atmosfæriske videnskabsmand." (1. maj 2011) http://www.ux1.eiu.edu/~cxtdm/met/bbss.html
• Lasar, Matthew. "Pas på vejrballoner:store trådløse vil have dit spektrum." 2010. (1. maj 2011) http://arstechnica.com/tech-policy/news/2010/10/watch-out-weather-balloons-big-wireless-wants-your-spectrum.ars
• Mullins, Justin. "NASA udvikler 'smarte' vejrballoner til opsendelsessteder." 23. maj 2007. (1. maj 2011) http://www.newscientist.com/article/dn11911-nasa-develops-smart-weather-balloons-for-launch-sites.html
• NASA. "En vild tur på jagt efter meteorer." 14. april 1999. (1. maj 2011) http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/1999/ast14apr99_1/
• National Weather Service. "Radiosonde Observationer." (1. maj 2011) http://www.ua.nws.noaa.gov/factsheet.htm
• National Weather Service Eastern Region Hovedkvarter. "NWS Radiosonde Observations - Factsheet." (1. maj 2011) http://www.erh.noaa.gov/gyx/weather_balloons.htm
• National Weather Service Forecast Office Las Vegas Nevada. "Vejrballoner." (1. maj 2011) http://www.wrh.noaa.gov/vef/kids/wxballoon.php
• National Weather Service Weather Forecast Office, Aberdeen, South Dakota. "Fakta om vejrballoner." (1. maj 2011) http://www.crh.noaa.gov/abr/?n=wxballoonfacts.php
• Renner, Jeff. "Bliver vejrballoner nogensinde genvundet og genbrugt, og er nogen opsendt her?" 25. maj 2010. (1. maj 2011) http://www.king5.com/weather/weather-minds/Are-Weather-Balloons-ever-recovered-and-re-used-and-are-any-lanceret -here-94887169.html
• Videnskabsvenner. "Brug af vejrballondata til at kortlægge atmosfærisk temperatur." 25. maj 2007. (1. maj 2011) http://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project_ideas/Weather_p013.shtml
• Scientific Sales Inc. "METEOROLOGISKE/VEJR-BALLONER." (1. maj 2011) http://www.scientificsales.com/Meteorological-Balloons-Weather-Balloons-Sounding-Balloon-s/25.htm
• Sorrel, Charlie. "The $150 Edge-of-Space-kamera:MIT-studerende slog NASA på øl-pengebudget." 15. september 2009. (1. maj 2011) http://www.wired.com/gadgetlab/2009/09/the-150-space-camera-mit-students-beat-nasa-on-beer-money- budget/
• SpaceQuotations.com. "Ser tilbage på jordens citater." (5. maj 2011) http://www.spacequotations.com/earth.html
• Stover, Dawn. "50 år efter Roswell." Populær Videnskab. juni 1997.
• University of Wisconsin-Madison Department of Oceanic and Atmospheric Services. "Radiosondes - En øvre luftsonde." (1. maj 2011) http://www.aos.wisc.edu/~hopkins/wx-inst/wxi-raob.htm
• USA Centennial of Flight Commission. "Tidlige videnskabelige balloner." (1. maj 2011) http://www.centennialofflight.gov/essay/Lighter_than_air/early_scientific_balloons/LTA7.htm
• USA Centennial of Flight Commission. "Radiosonde." (1. maj 2011) http://www.centennialofflight.gov/essay/Dictionary/radiosonde/DI71.htm