地球的周围被一层厚厚的空气包裹着，通常将这层空气叫大气层。由于大气层中发生着种种壮观有趣的自然现象，它们与人类的生活密切相关，自古以来就引起人们的极大关注和浓厚的兴趣。为了探索大气层里的奥秘，不知涌现出多少勇敢的探险家，试图登上蓝天，揭开大气层内部的层层面纱，留下许多美丽动人的传说和惊险曲折的真实故事。
欲与天公试比高
古时候，人们面对着绚丽多彩的广阔天空，向往着飞往蓝天探索它的奥秘。在他们的想象中，天空只不过是一顶坚固的棚盖——天穹，宝石般闪闪发光的天体就镶在上面。天上有无数层的宫殿，宫殿里生活着各种各样的神仙和玉皇大帝，由此引出许多神话故事和美丽的传说。在中国，早已流传百世的“嫦娥奔月”和“孙悟空大闹天宫”的神话故事，便是人们对于天界的理解和“飞上天宫”幻想的寄托。古希腊人在神话时期，也有让天支托在擎天神的肩上的传说，他们也并不觉得滑稽，因为他们毫不在乎地认为，天空比山高不了几尺。
现在，我们已经知道，天的高度就是大气层的高度。通常说来，大气层大约有2000～3000千米高，也就是说天有2000～3000千米高。大气层之外就是黑洞洞的宇宙深处了。又由于地球引力的作用，整个大气层的质量的9/10都集中在16千米以下的大气层里，而到了260千米以上的高空，大气的密度就只有地面大气密度的百亿分之一，超过500千米以上的高空，空气就极其稀薄了。世界最高峰——珠穆朗玛峰顶上的空气密度，也只有海平面空气密度的二点六分之一。因此，科学探险家们又根据各高度上大气的不同特征，将大气区分为不同的层次：
最下面的一层叫对流层，大约距地面高度在12千米范围内，集中着大气全部质量的3/4。这层空气有强烈的上下对流，雷、雨、风、电等自然现象均发生在这层里，其突出的特点是气温随高度增加而降低。
第二层为平流层，位于对流层以上，顶端离地面约50千米高。在这层里的空气质量约占大气全部质量的1/4，空气只有水平方向的流动，没有雷、雨以及上升气流的干扰，是飞机飞行的好地方。平流层的下半部离地面约20～30千米处，有一个臭氧层，它的存在，恰似在大气中张起一张网形的巨大网筛，它筛掉了大部分太阳紫外线，使地球上的生物免遭过量紫外线的灼伤而死亡。
从平流层往上到约85千米的地方，称为中间层，这层空气的气温随高度升高而降低，密度已大大降低了。从85千米往上，温度又回升了，至120千米以内，上升较缓慢，超过120千米以后，温度迅速增加，在距地面400千米的高空，温度竟达3000～4000摄氏度，所以称之为热层。热层以上就是大气的外层了，上限约3000千米，为地球大气圈与星际空间的过渡地带，非常稀薄的高速气体分子拼命摆脱地球的束缚，逃逸到宇宙太空中去，所以又称之为“散逸层”。中间层、热层、散逸层中的空气质量仅占大气总质量的三千分之一左右，热层以上的外层空间是人造地球卫星、宇宙飞行器航行的地方。
根据围绕地球的这层大气在不同高度上的种种特征，现代意义上所说的大气层的含义通常是指距地面100或120千米的高度之内的大气，而120千米以上的高空则视为外层空间了。
大气的变化造成了各种自然现象的发生，所以很早以来，人们就想尽办法飞上天空，以其探索大气的奥秘，征服空间。人类在步入大气层范围之内的探索，走过了借助风筝、气球、飞机、宇宙飞船和航天飞机等升空器具和高空飞行器的冒险性尝试的道路，给人们留下许多惊险曲折的难忘的故事。
昙花一现的风筝
“欲穷千里目，更上一层楼”，登高望远是人们摆脱地球束缚、研究大气变化的最原始的办法。直到18世纪末期，人们所能接触到的高层大气，还从未超过高山的山顶。在世界范围内的各个科学研究中心附近，最高的一座山峰是瑞士的勃朗峰。科学探险家们就是克服一系列登山过程中的困难，登上这大约5千米高的高山山顶，来研究高层大气的自然状况及其变化的规律。18世纪中叶以后，一种代替登山技术的飞天工具的尝试性研究开展起来，而最原始的飞天工具莫过于风筝了。
风筝是一种重于空气的飞行工具，它是靠风的作用获得举力的。1749年，苏格兰天文学家威尔逊进行了一项非常有意义的尝试，他把气温计安放在风筝上，希望这样能测到高空大气的温度。这种尝度的成功激发了许多科学家不畏困难与危险，试图去寻找大气中的一些自然现象的本质性的答案。3年后的1752年，著名的物理学家富兰克林，就进行了科学探险史上有名的，也是极其危险的探测雷电本质的实验。他把风筝放入雷雨之中，证明了闪电与摩擦所产生的电在本质上是一回事。幸运的是，他没有被风筝牵线传导过来的雷电而击伤。由此，风筝便走上了大气探测的舞台。
风筝的最大优点在于简单，不需要复杂的设备；借助于风力上升，不需要人工能源。只是它的致命弱点是，风力小的时候飞不起来，风力大的时候牵线易折断，常常妨碍交通；有时碰到电线还容易引起危险。风筝飞行的高度也有限，充其量不过2～3千米；载重量也小。这一系列的弱点极大地限制了风筝的发展与使用范围的扩大，除了19世纪高空大气探测初期表现为探测用风筝的黄金时代外，很快风筝便为其他的飞行工具所取代，成为昙花一现的历史陈列品。
席卷世界的气球热
气球是一种轻于空气的飞行工具，密封在球皮内的气体（热空气、氢气或氦气），因它比排开同样体积的空气轻，而获得上升的浮力。
人类乘坐气球飞行始于18世纪，最初是作为人们摆脱地面束缚的一种冒险性尝试。人类首次成功地放出载人的热空气球，是1783年法国的约瑟·蒙特菲尔和雅克·蒙特菲尔两兄弟。1783年6月4日，蒙特菲尔兄弟俩在一个下端开有口子的大袋子下方点起一堆火，于是，袋子里就充满了热空气，这样，袋子就慢慢地升起来了。现在看来，这种方法似乎是很笨拙，但在当时的情况下，这无疑是一个历史性的突破。5个月之后，他们就造出了载人的热空气球，直径达16米。那是一个晴朗的日子，兄弟俩怀着一种挑战的心理，在给气球充满热空气后，从容地走进热气球的吊篮中，围观的人们都为他俩捏着一把汗。幸运的是，热气球成功地升空了。尽管升空的高度有限，他们却在空中飞行了20分钟左右，并且安全降落在巴黎郊外的草地上。这次载人热气球的成功飞行，迈开了人类向大气层进军的步伐。蒙特菲尔兄弟的敢于冒险精神与这次成功的飞行的喜讯传开，激起许多人试图来改进热气球的升空高度，以进入高层大气探险的欲望。
就在蒙特菲尔兄弟这次成功的载人飞行试验后的第10天，即1783年12月1日，法国的物理学家查理制造出了氢气球。为了试验他的氢气球的升空能力，他将1公斤重的氢气充入气球中，结果发现氢气球可把13公斤重的重物提升到空中。他非常高兴，心想，何不在气球下面的吊篮里装上动物进行升空试验呢！试验结果使他兴奋不已，因为不仅动物能安全生存地返回，而且氢气球较之蒙特菲尔兄弟的热空气球升空的高度要大得多。这次成功的试验，成为人类运用气球来探测大气的开端。
不久，查理便决心冒生命危险，亲自带上气象仪器乘氢气球做高空飞行实验。他知道，在升空过程中，根据气压表的读数便可推算出气球所在的高度；而根据温度表的读数，便可测出气温随高度升高而逐渐降低的数据。
查理成功地乘坐氢气球探险飞行的消息不胫而走，随后欧洲许多国家都群起效尤，然后又由欧洲波及全球，在世界范围内掀起了气球热。使这一时期的气球的升空，充满了探险的色彩，飞行高度和水平距离的记录不断地被打破，极大地推动了大气探测的发展。
1784年，一个名叫杰夫瑞斯的美国人在伦敦的上空也做了一次乘坐气球的载人飞行实验。他乘坐的气球上带着一些气压计和一些别的测量仪器，更主要的是还有一个收集各不同高度上空气的装置。他的这次科学探险，为人类认识大气的变化规律，提供了宝贵的第一手分析资料。
然而，真正揭示出大气运动变化规律的科学发现，则是另一次重要的乘坐气球飞行的科学探险。1804年，法国科学家盖·吕萨克克服高空大气的寒冷与稀薄缺氧等困难，冒着随时可能发生意外的危险，把气球升空到了大约7千米的高度，从那里带回了稀薄空气的样品，这使他总结出著名的盖·吕萨克气体变化规律的定律，为人类科学的进步作出了不可磨灭的贡献。
随着气球时代的发展和升空高度的增加，人们开始注意到了这种科学探险方式的不安全性，因为稍不小心，升空气球都可能受到意外因素的影响造成球毁人亡等事故。在以往的探险过程中，探险家们也更多地想到怎样安全落地的问题，尤其是法国的气球探险家勃朗·查德在1785年，即“气球时代”开始时就发明了降落伞，这一技术的广泛应用，使气球载人飞行稍微变得安全一点了。
随着科学探险家们的升空高度的增加，新的不安全因素出现了。对于坐在敞开的吊篮里的人来说，升空到7千米左右已是接近极限的高度，因为稀薄空气环境下的缺氧反应，会使人头昏恶心，严重者可窒息而死。在这个问题上，值得提及的是英国的科学探险家梯萨德。在1862～1866年间，他共进行了28次乘气球升空探险，升空高度不断增加，直到突破大多数看来已是极限的7千米的高度。随后的一些年，他试图升空到更大的高度去冒险，但自然规律是无法抗拒的，悲剧终于发生了。1875年，梯萨德与两名同伴坐在敞开的吊篮里，决定将气球升空到10千米处去探险，可当气球升空到8840米的高度时，他的一个同伴刚记录下气压计上的读数，就因严重缺氧而失去了知觉。情况更糟的是，他的另一个同伴也已冻得双手麻木失去了知觉。此时的梯萨德也产生了严重的缺氧反应，头昏脑涨，行动迟缓，但他竭尽全力用牙咬开了控制阀门，气球放气后下降，他才得以幸存。令人悲痛的是，两位两伴早已因氧气不足而窒息身亡。
事实告诉我们，在缺氧的环境里，人类是无法正常活动的。然而，更重要的是，对于科学探险家来说，不仅仅需要有一种敢于冒险的勇气，而且还要有一个面临困难与危险来临时的冷静头脑。
当与梯萨德有过类似探险经历的探险家们能够描述高空缺氧时的一系列症状的时候，逐渐便形成了“高空医学”。高空医学的诞生，使更多的高空探险家们多了份安全感，但高空医学的研究并不能代替探险家们冲破这裸载升空的极限。要想达到更大的飞行高度，途径只有两个：一个是使用无人气球继续升高探测；另一个便是想办法设计一种新型的、带有密封舱的气球，才能进行更高度的载人探险。
在带有密封舱的气球尚未设计出来之前，人类借助无人乘坐的气球进行了更大高度的探索。1892年，这种只携带测量仪器、收集气体的装置的无人乘坐气球设计出来了。显然，这些气球能够升得更高，从过去未探索过的高空气层带回那里大气的温度和压强等情报，并收集到不同高度的气体以测量它们的密度等宝贵资料。结果，正像人们所预言的那样，在离地面只有几千米的空中，温度随高度增加而逐渐下降。在11千米左右的高空，温度下降到零下55摄氏度左右。但令人奇怪的情况是，再往上去，这个规律便发生了变化，气体的温度不但不降低，反而随高度的增加还略有升高。
这种无人乘坐气球进行的大气探测，发展到1902年的时候，科学探险家们已弄清了低层大气的奥秘。法国的气象学家泰萨伦·德波特，依据收集来的各种资料分析后指出，大气可分为两层：第一，湍动的低层。1908年，他又准确地称之为对流层。第二，平静的高层。后来他又改称为平流层。他把温度开始不再下降的高度，即“对流层”与“平流层”之间的边界叫做“对流层顶”。后来，人们发现，“对流层顶”的高度不是不变的，它在赤道上空距地面大约有16千米，而在两极地区则变到只有8千米左右，一般地区为12千米左右。
飞艇的发明与应用
探险家们绝不满足于虽有升空高度但不载人的气球探测方式，他们从未放弃过实现自己个人探险的愿望。在高空寒冷稀薄的大气中固然人不能生存，但为什么人们要把自己暴露在大气中呢？为什么不能做个密封舱，在其中保持地球表面空气的压力和温度呢？这种想法到了20世纪30年代，由于瑞士物理学家阿·比卡特亲自设计了带有密封舱的气球，人们亲切地称它为“探空飞艇”，才变成了现实。
阿·比卡特于1884年出生在瑞士的巴塞尔，毕业于苏黎世专科学校，20岁时便成为布鲁塞尔大学教授。他天资聪明，又出生于创造发明的时代，也是科学上充满冒险和奇迹的时代，使他这颗从小就爱思考的大脑处于一种兴奋状态，表现出极强的求知欲，阅读了大量的书籍。其中，发明家和探险家们的事迹更令他着迷，尤其是欧洲盛行的气球探险热，深深地影响着他的思想，使他在中学时代就信奉“生活中应该有冒险”的格言。但他深知，要想真正有所发明和创造，攀登科学的高峰，首先应努力学好科学文化知识。因此，他总是精力充沛、不知疲倦地学习，不仅以优异的成绩完成了大学学习任务，且20岁便成为一名小有名气的物理学教授。面对这令人羡慕和骄傲的成绩，他并未满足，更加无所畏惧地冲向当代科学探索的最前沿。
这时，他已有精力和能力对气球探险遇到的困难进行全面的思考。当他了解到吊篮式升空气球，因高空的严寒和稀薄的空气环境堵住了继续升空道路的时候，善于迎接也敢于迎接挑战的比卡特教授，决心走进这一领域，克服探空气球所遇到的技术困扰，为人类探索大气层的奥秘、征服空间领域作出应有的努力。
比卡特教授利用业余时间，反复思考气球升空到更大高度将面临的各种困难，设计密封舱的结构和原理，最后他决定采用绸子作密封舱的原料，并自筹资金设计出了第一个带有密封舱的气球，他亲切地称它为“探空气艇一号”。经过一系列的试验后，他决定亲自乘坐“探空气艇一号”到高空去探险。
1931年，比卡特乘坐自制的“探空气艇一号”升空到了16千米的垂直高度，在密封舱里舒适又安全地度过了16个小时，在水平方向上飞越了法国和德国。这一成功，使比卡特激动不已，因为他创造了人类乘坐气球征服空间的最大高度的记录。也正是这一成功，使比卡特在这人才辈出的时代一举成名。
第二年，他再次创造了升空17.5千米的新纪录。这些成绩向人类表明，只要能创造出克服大气环境障碍的工具，人类是可以到更高的高空，去探索大气层的变化规律的。
“探空气艇一号”的成功飞行，极大地鼓舞着比卡特教授，促使他向新的高度冲击。他想，如果密封舱的密封效果更好些，气球可能在高空逗留的时间更长些，升得更高。经过比较分析和试验，他决定改用塑性材料替代绸子，由于塑性材料比绸子轻，而且气孔也更少，所以，使用这种材料制作的新气球，因重量轻些将升得更高些；因密封舱漏气少些，在高空逗留的时间将更长些。
1938年，比卡特再次亲自驾驶被命名为“探险者二号”的气艇创造了垂直升空21千米的记录，在安全的密封舱里度过了20多个小时，从容地进行了一系列的科学考察，收集了那里的大气供分析使用，他还透过观察窗观察到外边的自然景观。事后，他绕有兴致地向人们讲述，在天空中遨游观光，大地一片苍茫，那里没有国界，有的只是对大地的亲切依赖感，大自然的壮观景色，是对探险人生的最好报偿！是啊，比卡特以其独特的才能创造的塑性铝制的密封舱取代敞开的吊篮，克服了稀薄大气环境对乘员的威胁，极大地推进了人类征服空间的高度。
如今，载人的气球艇依然采用的是比卡特教授的“探空气艇”的原理，只是由于材料的坚固等技术改进，使其升空高度达到了35千米左右，在高空中逗留的时间更长些，能够做许多预定的科学考察；而不载人的探空气球则升空到了50千米左右。这可能是现代载人气球艇与不载人探空气球的升空高度极限了。
在这些更高空的飞行探险的结果表明，温度几乎恒定的区域也不是无限向上延伸的。在高约50千米处，平流层就到头了。而在平流层的下半部即离地面约20～30千米之间，有一个臭氧层。在50千米以上的高度，温度就开始上升了，空气就极其稀薄了。
飞机的发明与活动
飞机是人们最熟悉的飞行器了。在航空发展过程中，许多飞行探险者和滑翔爱好者连续不断地去制造各种原始飞机。1890年，法国发明家阿达驾驶第一架有动力飞机上了天。这是架鸟形单座飞机，飞了约30米后在着陆时坠毁。德国的奥托·里林托尔是滑翔机先驱者，他造的一架滑翔机可升高到约25米，滑翔距离约半千米。他说：“设想一架飞机算不了什么，造出一架飞机也很容易，把一架飞机飞上天去，这才是一切。”后来，美国的莱特兄弟终于把这个思想推到了顶峰。他们不仅发明和制造了飞机，而且首次架着重于空气的飞行器进行了连续飞行。
飞机发明者莱特兄弟，哥哥维尔伯·莱特，弟弟奥维尔·莱特。他们出生在美国，都未曾受过高等教育，是普通的自行车修理工。他们听到德国滑翔机专家奥托·里林托尔曾做过2000多次滑翔机飞行实验，并因滑翔机而丧生的消息，就决心继续奥托·里林托尔的未竟事业。
为了学习奥氏著作，哥俩首先攻读德文，突破文字关。接着研究德文版《飞行问题》和《滑翔实践》两部著作。他俩总结了奥氏等先辈的滑翔机经验，试制成12马力的小发动机，并且对螺旋桨进行多次制作和试验。
从1896～1903年的7年间，他俩艰苦创业，于1903年，“飞行者”号终于诞生了。它是一架以木材为骨架、帆布作机翼材料的双翼飞机。这架飞机由于制造了平行的双翼，提高了升力，飞机由12马力的汽缸内燃机推动螺旋桨。值得注意的是，一个新发明的获得，总要有与其适应的科学技术背景。内燃机的问世，为飞机的发明创造了前提。
1903年12月17日，“飞行者”号在美国北卡罗莱纳州基蒂霍克沙丘上正式起飞了。当场观众只有5人。马达开动了，奥维尔不慌不忙地上了飞机，环顾四周，下令“起飞”，这架包括一名驾驶员在内，总重只有340公斤的“飞行者”号疾飞如箭，刹时升上天空。12秒钟后，飞机徐徐落下。这不平凡的12秒，飞机飞出了120英尺。这时是上午10点30分。这第一次动力载人飞机成功地飞上天空，就这样永载世界史册。
莱特兄弟继续不断地改进飞机结构，又进行了160多次试飞活动。1904年飞行了5分钟；1905年飞行了38分钟，行程24英里。1908年9月12日，兄弟俩在美国弗吉尼亚州迈尔堡作表演时，飞行时间持续了67分钟；同年又在巴黎表演一次，飞行时间为2小时22分23秒。于是，赢得了世界人士的喝彩。至此1908年，莱特兄弟已圆满地解决了飞机问题。
从这时起，欧洲便掀起了一个自由飞行探险的热潮。1909年，法国人路易·布莱里奥作横越英法海峡的飞行获得成功。他的飞机发动机为25马力的汽油机，机型为单叶，连续飞行40千米。1911年，卡普勒斯·P·罗杰兹从纽约起飞横越美国大陆到达加利福尼亚，完成了飞行史上第一次冒险飞行。1927年，奥维尔·莱特驾驶飞机越过大西洋，是人类的又一次真正的冒险性尝试。
如今，飞机的飞行速度、高度、航程、载重量，都有了惊人的发展。飞机的最大升空高度已达40千米左右；速度达3倍多的音速，即每小时4000千米左右；升空总重达400吨左右。但航空飞机的进步，不论将来前景如何美好，都要受到一个基本的限制，那就是离不开包围地球的大气层。因为，任何航空飞机（包括设想中的未来飞机）都需要空气的浮力才能升空的。尤其是现代飞机，还需要大气中的氧气作为它的燃料的助燃剂，才能获得飞行的原动力，这就更影响了它在飞行高度和速度的大幅度增长。我们都知道，大气层越往上，密度就越小，空气也就越稀薄，提供给飞机飞行的浮力和氧气也就越少了。
航天飞机的发明与应用
人类到大气层以外去开发宇宙，已成了当代最辉煌的现实。但到目前为止，环绕地球的飞行器（人造地球卫星和载人宇宙飞船）都是依靠火箭发射上去的，这很不方便。因此，能不能设计一种飞行器，使它在升空阶段起火箭作用，环绕地球运行时起宇宙飞船的作用，下降（回收）阶段又起航空飞机的作用呢？能！这就是美国科学探险家们于1981年研制成的“航天飞机”。
人们习惯于把大气层以内的飞行叫“航空”；大气层以外，环绕地球的飞行叫“航天”。航天飞机，顾名思义，是专供大气层以外、环绕地球飞行的飞行器。
航天飞机由一个轨道飞行器、一个外贮箱和两个助推器组成。起飞时，两个助推器的火箭发动机和轨道飞行器的3台主发动机，同时点火，垂直发射，总重2000多吨的航天飞机，在近3000吨的巨大推力下，像一般宇宙火箭那样，带着轰然巨响，吐着长长的火舌，向蓝天窜去！两分钟后，航天飞机升到45千米的高度，助推器完成任务，与轨道飞行器分离，空壳子由降落伞护送，溅落到海面上进行回收，以便下次飞行使用。轨道飞行器靠外贮箱提供的燃料，继续向上空飞行。约8分钟后，外贮箱的燃料耗尽后，由反向力将它推入大气层烧毁。轨道飞行器继续由两台主发动机提供推力，5分钟后即可进入绕地球运行的最后轨道。目前，航天飞机可把几十至几百吨重的负荷送到280千米以上的高空轨道上去。
这时航天飞机依靠惯性飞行，机上人员便开始宇宙作业。在灵巧的机械手的协助下，将装载的货物“释放”到宇宙轨道上去，或将轨道上需带回的东西“抓”到货舱内。这项工作只需1～4名普通专家，并不需专门的宇航员。
完成宇宙作业后，航天飞机利用发动机反向推进，重新进入大气层，像飞机那样操纵飞行舵，滑翔降落到地面上。经过两个星期的地勤维修，就可以与助推器、外贮箱重新组装，进行下次宇宙飞行了。它着陆时速为每小时350千米。
1981年，世界上第一架航天飞机由美国研制成功，称为“哥伦比亚”号。在正式投入使用前，进行了6次飞行，携带2～4名宇航员，在200～400千米的5种轨道上，分别飞行了2～7天，全面试验了航天飞机的技术特点和使用性能。
如今，美国先后研制成功了5架航天飞机，即“哥伦比亚”号、“挑战者”号、“发现者”号、“亚特兰蒂斯”号、“奋进”号。其中，“挑战者”号于1986年1月的第二次飞行时，升空数秒钟后爆炸而造成机毁人亡的悲惨事件，其他航天飞机仍在使用中。这些航天飞机承担了发射各种卫星、对卫星进行维修和重新定位、太空行走、发射哈勃望远镜以及进行其他科学实验任务，截止现在，已进行了100多次飞行，参加宇宙航行的宇航员已达130多人。今后，航天飞机最有前途的一项工作是：担任未来大型空间站工业体系和居民生活体系的建设与运输任务。采用航天飞机往返运输，已经变成了现实。
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