Dlaczego balony pogodowe rozszerzają się na dużych wysokościach?

Mimo że balony pogodowe od samego początku wyglądają na zwiotczałe, małe i dziwne – jak słabe pływające bąbelki – kiedy osiągają wysokość ponad 100 000 stóp (30 000 metrów), balony są napięte, mocne, a czasem tak duże jak dom. Począwszy od wynalezienia balonu na ogrzane powietrze w XVIII wieku, loty balonem umożliwiły przenoszenie obiektów wysoko w niebo.

W 1785 r. angielski lekarz John Jeffries, który często otrzymuje uznanie jako pierwsza osoba, która użyła balonów na ogrzane powietrze do celów naukowych - przymocowany termometr, barometr i higrometr (przyrząd mierzący wilgotność względną) do gorącego balon. Balon osiągnął szybującą wysokość 9000 stóp (2700 m) i zmierzył dane atmosferyczne. Od 2010 roku nowoczesne balony pogodowe osiągają wysokość ponad 100 000 stóp i wykorzystują do wznoszenia się helu lub wodoru zamiast gorącego powietrza.

Aby wystrzelić balon meteorologiczny, meteorolodzy napełniają balon helem lub wodorem, najlżejszymi i najobficiej występującymi pierwiastkami we wszechświecie. Jednak naukowcy nie napełniają balonu do końca: kiedy balon zaczyna się unieść się, obudowa balonu (lub koperta) wygląda na zwiotczałą, a nie napiętą jak nadmuchany balon lub gorące powietrze balon.

Naukowcy nie napełniają balonu po brzegi ze względów strategicznych: gdy balon unosi się do atmosfery, ciśnienie wokół balonu spada. Ciśnienie spada, ponieważ powietrze staje się cieńsze w wyższej atmosferze. Gdy ciśnienie spada, balon wypełnia się szczelnie, do pełnej pojemności, aby zrekompensować utratę ciśnienia zewnętrznego.

Według dr Donalda Yee z San Francisco Estuary Institute ciśnienie atmosferyczne na poziomie gruntu jest znacznie silniejsze niż wysoko w cieńszej atmosferze. Gdyby balon był całkowicie wypełniony od samego początku, gdy ciśnienie na zewnątrz balonu spadło, balon próbowałby się rozszerzyć, aby wyrównać ciśnienie, ale zamiast tego pękłby.

Meteorolodzy i naukowcy wykorzystują balony pogodowe do wykonywania pomiarów meteorologicznych na dużych wysokościach. Naukowcy przyczepiają instrument zwany radiosondą do podstawy balonu wypełnionego helem. Radiosonda, która mierzy temperaturę, wilgotność i ciśnienie powietrza, przesyła pomiary meteorologiczne do stacji naziemnych za pośrednictwem nadajników radiowych.

Gdy balon pogodowy wznosi się na duże wysokości, gdzie ciśnienie powietrza spada, ciśnienie helu lub wodoru wewnątrz balonu wzrasta i rozszerza balon. W ten sposób balon i radiosonda mogą wznosić się w stałym tempie wysoko w atmosferę. Balony powiększają się z prędkością około 1000 stóp na minutę.

Według Wendella Bechtolda, meteorologa prognozującego dla National Weather Service w St. Louis Missouri, balon wznosi się na wysokość około 100 000 stóp, wystarczająco, aby zobaczyć niebieską zaokrągloną krawędź Ziemi z przestrzeń. Przy tej wysokości balon — w zależności od rozmiaru koperty lub materiału balonu — jest rozciągnięty na szerokość samochodu lub domu.

Kiedy balon nie może już rozciągać się na zewnątrz, a tym samym wznosić się dalej, balon pęka. Gaz w środku ucieka, a radiosonda i rozbity balon spadają z powrotem na ziemię. Spadochron przymocowany do instrumentu zapobiega uszkodzeniom; jednak balon nie może być ponownie użyty.

Przed przymocowaniem radiosondy do balonu meteorolodzy wkładają do wnętrza radiosondy małą torebkę. Wewnątrz torby znajduje się karta informująca, kto znajdzie upadły balon i instrument, co to jest i jaki jest jego cel naukowy. Osoba ta powinna wysłać radiosondę z powrotem do centrum rekondycjonowania, gdzie naukowcy odczytują dane, naprawiają wszelkie uszkodzenia i ponownie wykorzystują radiosondę do przyszłego lotu.