胡　明　　劉　潔

2001年12月正是南極洲的夏天，一組科學(xué)家和工程技術(shù)人員放飛了一個(gè)帶有大型科學(xué)儀器的巨大氣球。10多年來，美國(guó)航空航天局(NASA)和國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)每年都要在這里放飛氣球，以進(jìn)行科學(xué)研究。他們放飛的氣球攜帶一個(gè)叫做"虎"(TIGER)的探測(cè)器。這是一種銀河系元素的記錄儀，由華盛頓大學(xué)、航空航天局的哥達(dá)德空間飛行中心、加州技術(shù)學(xué)院和明尼蘇達(dá)州大學(xué)的科學(xué)家共同建造。它隨氣球飄浮到大氣層，去探測(cè)宇宙射線。

宇宙射線與探測(cè)器

以原子核為主體的宇宙射線以近于光的速度在宇宙中穿行，它們從宇宙的各個(gè)方向來到地球煻超新星釋放出來的強(qiáng)有力的沖擊波則是宇宙射線的加速器。元素周期表中的所有元素都來自于宇宙射線，這些元素在地球上所占的比例與它們?cè)谔?yáng)系中所占的比例大體相同。宇宙是由大約90%的氫、9%的氦以及1%的第28號(hào)元素(鎳)以前的元素組成。元素周期表中鎳以后的元素非常的稀少，在整個(gè)宇宙里它們存在的總量少于0.00001%。據(jù)科學(xué)家分析，這些超重的元素只能在超大規(guī)模星球的核心中形成或形成于巨大的超新星爆發(fā)的過程中。以前一直未能對(duì)這些稀有元素的宇宙射線進(jìn)行過很好的研究，現(xiàn)在研究工作可以借助"虎"探測(cè)器來進(jìn)行了。

對(duì)宇宙射線的研究有90多年，它們是我們能從銀河系遠(yuǎn)端獲得的唯一物質(zhì)。雖然目前有兩種主要的理論，但仍未弄清它們的起源。對(duì)于宇宙射線的起源有兩種理論。一種理論認(rèn)為宇宙射線來自于熱氣，它們類似于太陽(yáng)這樣的恒星的大氣層，證據(jù)就是在溫度高達(dá)10000度的絕對(duì)溫度下會(huì)發(fā)生電離的元素有大量的宇宙射線；而另一種理論則認(rèn)為宇宙射線來源于星際間的塵埃粒子。但是在大多數(shù)情況下，構(gòu)成星際間塵埃的元素也是在10000度絕對(duì)溫度下會(huì)發(fā)生電離的元素?？茖W(xué)家希望能夠在稀有的重元素中找到一些能打破這兩種理論均衡性的元素。

因?yàn)殂y河系、太陽(yáng)系和地球的磁場(chǎng)極大地影響著這些粒子的運(yùn)動(dòng)路經(jīng)，所以通過運(yùn)動(dòng)軌跡難以找到它們的出發(fā)點(diǎn)，也不可能用"天文學(xué)"的方法來研究它們；另外，宇宙射線同樣能在大氣層里分解，因此只能通過衛(wèi)星或氣球?qū)λ鼈冞M(jìn)行直接的研究。

"虎"探測(cè)器是一個(gè)很大的立方體，有幾米寬，一噸多重。研制地面加速器是為了能把粒子加速到光速，并對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。而"虎"探測(cè)器在很多方面類似于地面高能加速器中使用的設(shè)備。每種進(jìn)入"虎"探測(cè)器的宇宙射線都要經(jīng)受探測(cè)器中各種探測(cè)儀器的測(cè)量，如粒子的能量、速度和軌跡。各種探測(cè)儀器都按照一個(gè)類似的辦法進(jìn)行工作，即粒子在探測(cè)器中產(chǎn)生少量的光，并被精確地測(cè)量。把來自各探測(cè)儀器的信息匯總，可確定通過"虎"探測(cè)器的每種射線的類型和能量。

科學(xué)氣球

宇宙射線是在1911年由維克多·漢斯(VictorHess)從熱氣球上發(fā)現(xiàn)的。從那以后，科學(xué)家們大都使用氣球把儀器帶到大氣層。今天，巨大的氣球已能到達(dá)并被放置在99.5%的大氣之上。在那里，科學(xué)家們不僅僅能研究地球大氣，而且可以研究宇宙射線、伽瑪射線、紫外線和其他天體物理學(xué)領(lǐng)域的問題，否則需要一艘宇宙飛船才能克服地球大氣層的干擾，獲得它們的測(cè)量數(shù)據(jù)。一個(gè)重達(dá)幾千公斤的大型儀器可以搭載氣球飛到離地面幾十公里的地方，而費(fèi)用僅為采用航天飛機(jī)或火箭來完成同樣工作所需經(jīng)費(fèi)的一小部份。在很多情況下，在花費(fèi)大量投資進(jìn)行一次空間探測(cè)之前，氣球可以搭載科學(xué)儀器飛行，對(duì)科學(xué)儀器的性能進(jìn)行考察試驗(yàn)。

美國(guó)國(guó)家科學(xué)氣球?qū)嶒?yàn)室是美國(guó)航空航天局一個(gè)專門負(fù)責(zé)放飛這些氣球的分部。其放飛小組位于德州的巴勒斯坦，他們每年到世界各地去旅行并放飛20多個(gè)研究試驗(yàn)氣球。

探測(cè)氣球升起的地方

建在南極洲羅斯冰架上的美國(guó)邁克莫多(McMurdo)基地，是南極洲最大的基地，在夏季最高峰時(shí)，人數(shù)通?？蛇_(dá)1200人，大約是整個(gè)南極大陸人數(shù)的四分之一。放飛可長(zhǎng)期飛行氣球的邁克莫多氣球站，就在邁克莫多基地附近。它位于南極洲岸邊的羅斯火山島。這里是一個(gè)很理想的地方，地處南極洲夏季活水所能深入的最遠(yuǎn)處，可以用貨船來代替飛機(jī)運(yùn)送所需的全部設(shè)備，而且羅斯火山島堅(jiān)固的表層適于建造基地。在南極洲沒有冰雪的地方只有不到2%，在冰雪上建造的放飛場(chǎng)會(huì)因長(zhǎng)期使用而下沉。正是由于上述原因，一些地球探險(xiǎn)家把羅斯島作為南極考察的基地。他們當(dāng)年建造的小屋現(xiàn)在仍在那里，并作為歷史景點(diǎn)而受到保護(hù)。這里的夏季有一段時(shí)間不結(jié)冰，邁克莫多的街道上到處是泥濘的水坑。雖然在夏季太陽(yáng)總不落山，但是當(dāng)它接近到地平線，即"晚上"時(shí)，溫度總是在冰點(diǎn)以下。

為什么南極洲被認(rèn)為是放飛長(zhǎng)期飛行氣球的最好地方呢?這里有幾個(gè)原因。第一個(gè)原因是南極洲的夏季能提供24小時(shí)的陽(yáng)光，這有兩個(gè)好處:一是科學(xué)儀器可以使用大量重量較輕的太陽(yáng)能電池提供能量，以替代沉重的化學(xué)蓄電池，這可以為氣球減輕幾百公斤的重量。另一方面，當(dāng)氣球夜晚飛行時(shí)，氣球中的氦氣將會(huì)變冷致使氣球失去高度。為了保持氣球的高度，必須經(jīng)常扔掉幾百公斤的沙袋，這限制了中等容積的氣球僅僅能飛行幾天。雖然在南極洲飛行的氣球在白天隨太陽(yáng)角度的變化而變換飛行高度，但這種變化無(wú)需借助沙袋。第二個(gè)原因是，南極洲比類似緯度的北極好，因?yàn)闅馇蝻w行都是在大陸或永久性冰塊上進(jìn)行。而在北極點(diǎn)不結(jié)冰的水域環(huán)繞飛行，萬(wàn)一發(fā)生緊急情況著陸就有可能丟失儀器。同時(shí)，南極洲是國(guó)際領(lǐng)地，在飛越其上空時(shí)不需要像北半球那樣，需要得到其他國(guó)家的同意。還有，南極地球磁場(chǎng)的形狀允許更多的粒子到達(dá)極地上空的大氣層頂部，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過可以到達(dá)赤道大氣層頂部的粒子數(shù)。這意味著在同一次飛行期間，能采集到更多的數(shù)據(jù)。

氣球放飛與回收

12月中旬，正當(dāng)科學(xué)小組準(zhǔn)備放飛氣球時(shí)，一場(chǎng)代號(hào)"赫比厄"(Herbie)的颶風(fēng)式夏季暴風(fēng)雪猛烈襲擊著邁克莫多和其附近的地區(qū)。在那些被島嶼掩蔽的被稱為"鎮(zhèn)"的地方，風(fēng)速高達(dá)每小時(shí)120公里，另有大量的雪花從冰架上刮下來。"鎮(zhèn)"上的能見度很低，人們只能在兩個(gè)建筑物之間小心翼翼地挪動(dòng)。但在"鎮(zhèn)"外，風(fēng)速加大到每小時(shí)186公里，并且能見度降到了零度，即成了"乳白色的天空"。暴風(fēng)雪持續(xù)了4天，在它結(jié)束后，花費(fèi)了好多天來修復(fù)長(zhǎng)達(dá)11公里的放飛場(chǎng)外的道路，清理跑道及那里的氣球放飛架。

暴風(fēng)雪后的第一項(xiàng)工作就是放飛一個(gè)探測(cè)38公里高空風(fēng)速的小型"探路者"號(hào)氣球。38公里是"虎"探測(cè)器所要達(dá)到的高度。在風(fēng)暴來臨之前，高空風(fēng)飄忽不定，"虎"探測(cè)器有被吹落到海里的危險(xiǎn)。但是現(xiàn)在風(fēng)吹向西方，它應(yīng)能在極點(diǎn)周圍飛行，并直接返回到原地。

12月20日，地面天氣看上去很好，放飛程序開始啟動(dòng)。在對(duì)"虎"探測(cè)器進(jìn)行全面檢查合格后，它被一個(gè)由起重機(jī)改裝并作為放飛架來使用的設(shè)備升起并被帶到發(fā)射臺(tái)。這是一個(gè)巨大的環(huán)型架子。到發(fā)射臺(tái)后，氣象預(yù)報(bào)員告知地面上的風(fēng)還不適合發(fā)射，風(fēng)需要變小。隨后等待了12個(gè)多小時(shí)，氣象預(yù)報(bào)員說風(fēng)停了，氣球可以放飛了。

巨大的氣球由近兩噸重的高強(qiáng)度聚乙烯塑料制成，其厚度只有像三明治的包裝袋那樣厚。氣球的總體積為82萬(wàn)立方米，在其充氣前有一輛卡車那樣大。氣球需要"虎"探測(cè)器逆風(fēng)放置，沿著幾百米的發(fā)射場(chǎng)伸展開來。逆風(fēng)方向?yàn)闅馇蜷_始升起提供了保障。氣球帶著有效負(fù)載直接從發(fā)射起重機(jī)上漂浮起來。在探測(cè)器和氣球之間，一個(gè)紅白相間、37米長(zhǎng)的巨大降落傘也隨后展開，它在探測(cè)器結(jié)束使命時(shí)為其提供軟著陸。

需要滿滿一卡車的液態(tài)氦去充滿氣球。在最大飄浮高度，氦氣能使氣球的體積膨脹200多倍，直徑將達(dá)到大約122米，足夠覆蓋一個(gè)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)。

2001年12月21日，當(dāng)?shù)貢r(shí)間12:30分，充氣完成，氣球脫掉尾部的扣鎖，飛向?qū)庫(kù)o、尉藍(lán)色的天空。幾小時(shí)后，氣球到達(dá)39320米的最大高度。

科學(xué)小組異常興奮，在第一天及以后的日子里，氣球通過"數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星"(TDRSS)將所有的數(shù)據(jù)傳送給科學(xué)小組，并對(duì)探測(cè)儀器發(fā)送指令。氣球在微風(fēng)中飛行，沒有主動(dòng)駕駛的功能，只能對(duì)高度有所控制。減少沙袋的重量能減輕氣球的負(fù)荷，增加氣球的高度。通過氣球上的一個(gè)閥門釋放氦氣，來降低氣球的高度。

在過去的年代里，有許多飛行器圍繞著南極點(diǎn)航行，飛行時(shí)間從9天到25天。裝載"虎"探測(cè)器的氣球是第一個(gè)環(huán)航南極點(diǎn)兩次的氣球，第一次飛行用時(shí)13.5天，安全返航幾乎直接回到原地；第二次在南極點(diǎn)進(jìn)行了環(huán)繞盤旋，并在18天后返回了羅斯冰架。兩次飛行總共持續(xù)了31.8天，是這類氣球飛行的新記錄(舊記錄是26天)。在整個(gè)飛行過程中，試驗(yàn)一直進(jìn)行得非常好。

著陸時(shí)出現(xiàn)了一些問題。試驗(yàn)設(shè)備在離開氣球后，靠自身的降落傘飄落到地面，隨后降落傘應(yīng)與儀器進(jìn)行分離，以使地表風(fēng)不能拖住它，然而分離沒有成功。因此，直到羅斯冰架上的風(fēng)變得平靜以前，終止飛行的指令始終沒有發(fā)出。一架小型飛機(jī)被派往氣球和探測(cè)設(shè)備著陸的地區(qū)，科學(xué)小組成員看到雪中一條拖帶的痕跡通往東北方向。沿著拖帶痕跡前進(jìn)約32公里，他們發(fā)現(xiàn)氣球在一個(gè)小時(shí)里仍然飄浮過冰架幾公里。氣球和探測(cè)設(shè)備雖然著陸了，卻沒有辦法讓它們停下來。小型飛機(jī)在裝滿燃料后，又重新回到氣球和探測(cè)設(shè)備的著陸區(qū)，繼續(xù)沿著拖帶痕跡前進(jìn)。他們發(fā)現(xiàn)，趁著風(fēng)停止的間隙降落傘落在了冰面上，探測(cè)器安全了。在經(jīng)過約120公里的雪地行駛后，它幾乎沒造成多大損傷。

由于"虎"探測(cè)器被重新找到而且只有一點(diǎn)小損傷，科學(xué)小組計(jì)劃2年后再返回南極洲，做另一次飛行。"虎"探測(cè)器所采集到的極重的宇宙射線很少，還很難得到十分有用的結(jié)果。在第二次飛行時(shí)，測(cè)量將肯定得到改善。但是，即使是"虎"探測(cè)器多次飛行也只能增進(jìn)我們對(duì)宇宙射線中40(鋯)以前元素的了解。宇宙射線中元素周期表后半部分的元素更稀少，需要更大的探測(cè)儀器在空間飛行幾年才有可能采集到。

"虎"探測(cè)器科學(xué)小組只是一個(gè)大研究組的一部分，這個(gè)大研究組正在研制"重核探測(cè)者飛行器"，能測(cè)量這些稀有元素在宇宙中的含量。該飛行器由兩個(gè)儀器組成，其中一個(gè)是比"虎"更大、更先進(jìn)的探測(cè)設(shè)備。該探測(cè)設(shè)備可以采集并測(cè)量元素82(鉛)以前的宇宙射線元素。另一個(gè)儀器是"極重的宇宙射線成分觀察者"。它通過留在玻璃上的宇宙射線微小的痕跡去尋找元素70(鐿)和元素96(鋦)之間的元素。它將最終為我們提供元素周期表中2/3元素在宇宙中含量的詳細(xì)資料。在此之前，"虎"探測(cè)器將繼續(xù)飛行在大氣高層，做大量的空間科學(xué)探測(cè)工作。責(zé)任編輯:簡(jiǎn)言■