大气探测的历史

大气探测的历史
从古代起直到１７世纪，大气科学方面几乎毫无进展。

古代的哲学兼科学家们尽管意识到了云、风暴、闪电、极光、虹等现象，但对它们既没有理解，也没有系统地进行观测。

并在其后的若干世纪中，他们的后继者也未能再做点什么。

物理学的基础是在１７世纪奠定的，在这个时期大气科学的历史开始了。

几种仪器的发明使得在大气中进行定量测定成为可能。

其中值得注意的是温度表（源自伽利略！６０７年发明的不完善的仪器）、托里诉利气压表（１６４３）、虎克风速表（１６６７）。

吉尔帕特（１６００）向世界展示了第一个地球磁场的模型。

现已知道地磁是在高层大气物理中起重要作用的现象。

伽利略、牛顿、波义耳、巴斯克和惠更斯这些科学巨人着手建立形成大气科学基础结协的力学、热力学、流体力学，光学和波传播学说的基本原理。

地球物理流体力学的基础是由牛顿（１６８７）发表的万有引力定律而奠定的。

他还预报说大气应有潮汐运动。

大气压强现象则是由伽利略、托里诉利、巴斯噶和牛顿所阐明的。

一些17世纪的自然哲学家们对当地天气现象作了详尽的记录。

１８世纪大气科学和物理学及化学继续发展。

温度表和气压表的改进、新仪器如毛发湿度表（戴·沙书尔。

１７８３）的发明慢慢地推动了气象科学前进。

对大气垂直温度分布的试验性探测最早用风筝（１７４９）而后则用气球（１７８４）进行。

科学家们（特别是天文学家）以及一些非专业人员担负起进行气象记录这一工作，而这种记录注定为下一世纪初建立天气学提供基本资料。

作为大气热力学基础的气体热力学基本原理是由查理、盖－吕萨克和道尔顿建立的。

1752年，电学的研究还没有完全开始，富兰克林就在雷暴云中进行了危险的风筝试验而开创了大气电学。

化学上的进展对大气科学也同样重要。

梅奥认为空气是由两种成分（一是情性气体，一是活性气体）组成的，这个假说由罗瑟福（１７７２）分离出氮以及谢勒（１７７３）和普里斯特刮（１７７４）发现氧而得到证实，而拉弗锡（１７７４）揭示了大气中氧对燃烧和生命的作用。

大气中微量气体的存在也在18世纪为人们所认识，如布莱克（１７７５）鉴别出二氧化碳和卡文迪许（１７８５）发现氩即为证明。

动力气象学的开端可从十八世纪末诸如拉普拉斯（在《天体力学》一书）所提出的大气潮汐学说等成就中看出端倪。

甚至更早一些哈德莱（１７３５）在关于信风的解释中已确认地球自转对于风的动力学有着十分重要的意义。

在１９世纪，大气科学开始作为一门以物理学和化学的基本原理为基础，并具有本身的技术进步的独立学科发展起来了。

霍华德1803提出的云分类方法标志描述气象学的问世。

天气学、气象要素和移动天气系统的空间分布的基本概念最先由富兰克林确切阐明，在１９世纪初由拉马克、拉普拉斯、拉弗锡加以发展了。

这些基本概念后为布兰德斯（１８２０）用于绘制第一张历史天气图。

1840年电报的发明促使许多国家在19世纪下半叶建立气象台站网和全国性的气象服务机构。

（目前各国天气服务机构之间的国际协作是通过联合国专门机构——世界气象组织（WMO）来实现的。

）天气预报那时已成为各国政府向其公民所提供的服务中公认的一部分。

天气系统的结构，特别是风暴的结构，已成为使用船舶站和陆地合站观测资料进行艰苦探索的课题。

温带风暴以及飓风的涡动特征开始出现在这些研究中。

理解风暴及地球上总的风系的动力学成为19世纪动力气象学的主要目的和推动力。

科里奥利（１８４４）关于地球自转偏向力的概念被人公认为大气动力学的基石，并被引进白贝罗（１８６０）的风压关系的原理中以及费雷尔（１８８９）的大气环流学说中。

在赫姆霍兹（１８８８）的著作中出现了用于流体波动状态的流体力学不稳定性概念，预示着三十年后问世的气旋波动理论。

１９世纪大气结构的垂直探测随着携带自记气象仪（赫米特和贝赞肯，１８９３）的
气球的发展而继续，从而消除了载人气球飞行的冒险性，并加速了综观高空学的发展。

气球还被用来测定大气中远离地面的高空风。

此时大气近地面１０—２０公里已为人力所及，但对高层大气仍是一无所知。

然而，关于电离层存在的最初假说之一是鲍尔弗·斯图尔特（１８８３）把地磁扰动解释为是由于高空导电层存在的缘故。

另一个对高层大气物理有重大贡献则是弗里茨（１８８１）描绘出了极光圈。

二十世纪大气科学的爆炸性的发展是太快和太新了，因此只能回顾一下几个重要里程碑。

戴·波特（１９０２）根据气球探测资料发现了平流层；肯内利和赫维赛德（１９０２）根据马可尼（１９０１）无线电实验推断出电离层的存在ｓ１９ｌｌ年赫斯使用气球验证了宇宙射线源是在远离地球之外的某个地方,在第一次世界大战中理查森根据认皮叶克涅斯（1904）的建议对流体力学方程组进行数值积分作了第一次‘天气预
报’尝试；由于１９１８到１９３７年间皮叶克涅斯、索尔伯格和伯杰龙对于锋、气团和气旋的理论和描述方面的贡献，天气学获得了长足的进展。

垂直探测大气的新工具出现了：起先是飞机，后来（约１９３０年）是气球携带的无线电探空仪。

后者通过使用无线电遥测技术消除了回收这类气象仪器的必要性，使日常大气垂直探测成为可能，从而向天气学家提供每天的大气三维状况。

关于高层大气物理的种种推论不断增多。

斯狄冯在其极光理论中认识到地球磁场在高层大气中截捕来自地球以外的带电微粒的作用，从而预示范艾伦辐射带的发现。

林德曼和多布森（１９２３）根据他们对流星尾迹高度的分析推断出在平流层的顶部（称为“平流层顶’，在５０公里的高处）存在着一个暖层，而在其上一层，即中层，顶部（称为“中层顶”，在８０公里的高处）存在着一个冷层。

第一个层次惠普尔（１９２３）也曾根据声音传播的研究推断了出来。

阿普尔顿及其他学者对无线电波反射的研究开始揭示出电离层的结构。

在二次世界大战中发展起来的雷达在其后二十年成为利用水滴、冰晶和雪片对无线电波的反射作用来研究降水过程和探测暴风雨的强有力的工具。

另一种军事装备德国Ｖ－２火箭在1946年改造成了大气科学探测的工具，从而开创了空间科学研究的新纪元。

这是头一次使得从大气低层直到外缘直接测定大气垂直结构及其成分成为可能。

１９５７—１９５８国际地球物理年（ＩＧＹ）中的事件没有一个能在其激动人心的影响和意义方面超过１９５７年１０月苏联卫星“旅伴一１号”进入轨”道。

在此之后，美国接着发射了大量科学考察卫星，其中包括１９６０年4月的第一颗气象卫星‘泰罗斯’号。

在所有借助火箭和卫星才能获得的对外层大气的发现中，在重要性方面很少能与范艾伦１９５８年发现高层辐射带相比。

大气这一非常高远的区域（其距离以地球半径为单位来度员）叫磁层，现在成为人们广泛研究的课题。

气象学中近期意义重大的两件大事是罗斯贝（１９３８—１９４５）的大气动力学基本原理阐述（如位势涡度概念）和１９４５年之后的高速电子计算机的发展。

查尼和其他一些学者根据这些具有根本意义的成果提出了称为数值天气预报的自动化天气预报程序。

举例来说，数值预报的实现与日益改进。

气象卫星、侦察飞机、雷达和电子计算机在最近二十年已从根本上改变了气象学的面貌。

将来，不但质量更高的预报而且对大气的某种程度的控制是可能的，这并非不可想象。

大气可以在小范围内为人所影响早已为‘播云’实验所证实。

在这些实验中，大气中含过冷热水的云通过加入干冰或碘化银而变成冰晶云，从而加过了水滴生长和加快了降水酝酿过程。

人们已经作出了很多努力要把这些实验成果应用于实际天气控制。

但关于云和降水的物理学还有许多研究有待进行，而后人们才能按照自己的意志改变大气环境。