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JAXA（Japan Aerospace Exploration Agency）气球组每年2月都会发布前一年关于高空科学气球所做研究工作报告，具有很好的参考意义。想直接获取原文的读者可访问JAXA存储库下载（https://jaxa.repo.nii.ac.jp/）。这期先来看看2020年的大気球报告都讲了什么吧，首先是大气球委员会委员长官的一段序言。

2020大気球研究報告序言

宇宙航空研究開発機構研究開発報告

大気球研究報告

2020年2月

大气球专业委员会-委员长

原 弘久

本年度的大气球研究报告，刊登了有关提高超压气球的气密性的研究和装载了小型分光器的臭氧探头观测得到的平流层臭氧及二氧化氮的高度分布的成果。

在Event Horizon Telescope成功拍摄黑洞领域的新闻兴奋尚未冷却的情况下，平成时代迎来了终结，年号被传为令和，全国都在庆祝新时代的到来，2019年度的国内气球实验期间开始了。近几年的国内实验，由于气象条件的不适合而被推迟实施的情况变多了，去年成为了不能实施为此预定的全部4个实验的状况。另外，本年度在应对实验所需的氦气供给前景困难的新逆风的同时实施了实验。

在这样的条件下，被选定为优先度高的课题的“平流层中的微生物捕获实验”顺利成功了。另一方面，其他4个大气球实验由于无法确保氦气而无法实施实验，非常遗憾，将推迟到明年实施。除此之外，我们还使用橡胶气球进行了“极薄钙钛矿太阳能电池气球飞翔”的实验。在这个实验中，作为供给不稳定的氦气的代替气体，昭和47年以后一次也没有使用过的氢气，在最大限度地考虑确保安全方面的基础上进行了实验实施。氦气供应问题明年仍将继续，但大气球集团开始比往年提前应对，为下一年度的国内实验实施进行准备。

关于国外实验，在去年的澳大利亚实验“通过气球进行的MeV伽马射线天体国际共同观测（SMILE-I+）”、“通过乳液伽马射线望远镜进行的宇宙伽马射线观测计划（GRAINE计划）”中取得的观测数据的分析正在进行，正在得到达成实验目标的积极结果。实验提案者小组、大气球小组都期待着今后的进一步发展。上一次没有进行实验的“FITE:利用搭载气球的远红外线干涉仪进行晚期型星的高分辨率摄像”，将重组实验组，为下一次的国外实验的成功启动。同时，计划进行中的海外实施的大气球实验（XL-Calibur，GAPS，SUNRISE-3），面向不久的将来的实验实施踏实地推进着准备。

大气球实验为跨越理学和工程学领域的多方面研究领域提供了独特的实验环境。同时，大气球小组，为了提供新的实验环境的调查和基础研究也继续进行。在感谢至今为止参与大气球实验的各位的同时，期待着在很多人的想法下，今后通过大气球实验，相关领域也会越来越发展。

论文1

通过光谱取得型光学臭氧探头观测导出平流层臭氧、二氧化氮高度分布

村田功^*1，野口克行^*2

*1 東北大学大学院環境科学研究科

*2 奈良女子大学研究院自然科学系

摘要：开发了使用除了臭氧（O₃）以外还可以观测二氧化氮（NO₂）等的小型衍射光栅型光谱仪的光谱取得型光学臭氧探头，2016年9月5日在大树町（42.50°N，143.44°E）进行了观测。在该装置中，在0.7nm的波长分辨率下测量约280-500nm的范围。为了稳定温度，用保冷剂将分光器保持在5℃左右，为了确保NO2吸收量，在日出时以到达下部平流层（高度15km附近）的方式放球，与此相对应，将球面镜设置在入射口的正上方，以便从水平方向取入光。为了导出O₃、NO₂的柱量及高度分布，应用为差分吸光光谱（DOAS）观测而开发的程序，从460-490nm的光谱得到了O₃的高度为17.5-44.5km的斜柱量1.08×1020[molecule/cm²]，误差为3.6%。同样，对于NO₂，在9.9%的误差下获得了斯兰特柱量4.9×1016[molecule/cm²]。关于高度分布，在筛选出质量好的光谱的基础上，每隔高度3km进行平均，从而O₃、NO₂都能够导出平流层高度分布。

表1.滤波型和光谱取得型的主要差异

照片1. 观测装置的分光器搭载部

图1. 分光器温度（红）和外部气温（黑）放球后的时间变化

图2. 每1km高度平均的光谱

图3. 2136像素（约481.86nm）附近的放大图

图4. 对应于日出时观测的入射光学系统

照片2. 观测装置入射光学系统部

图5. 17.5-44.5km的O3（左）、NO2（右）的斜柱量导出时的光谱拟合结果。所有虚线表示观测光谱，实线表示最佳拟合结果。

图6. 以高度分辨率3km导出的O3高度分布

图7. 以高度分辨率3km导出的NO2高度分布

总结

开发了光谱获取型光学臭氧探头，于2016年9月5日在大树町进行了观测。通过用保冷剂夹持分光器，可以将观测时的温度变化保持在1℃以内，通过在日出时发射到下部平流层（高度15km附近），可以确保NO₂吸收量。从460-490nm的光谱导出高度17.5-44.5km的斯兰特柱量，对于O3，以3.6%的误差得到1.08×1020[molecule/cm²]，对于NO₂，以9.9%的误差得到4.9×1016[molecule/cm²]。关于高度分布，在筛选出质量好的光谱的基础上，每隔高度3km进行平均，从而O₃、NO₂都能够导出平流层高度分布。

论文2

通过皮膜双层化提高超压气球的气密性

斎藤芳隆^*1，中篠恭一^*2，秋田大輔^*3，松尾卓摩^*4

*1宇宙航空研究开发机构宇宙科学研究所

*2东海大学工学部

*3东京工业大学环境·社会理工学院

*4明治大学理工学部

摘要: 超压气球是通过将气球内部的压力始终保持在比大气压高的位置，无论有无日照，都保持浮力恒定的气球。除了耐受差压之外，还要求气球的涂层具有气密性。由于气密性除了皮膜的气体透过率之外，还因皮膜的缺陷而恶化，因此皮膜的原材料和制造工序的品质管理在高水平上是必要的。在本文中，我们提出了一种通过双层化气球涂层来气密的方法。在使用两层皮膜的气球中，由于内层通过气体压力被推压到外层，因此作为从内缺陷漏出的气体的流路的层间流量降低，气密性提高。通过使用聚乙烯袋和橡胶气球的实验证实了该原理后，实施了在体积10m³的聚乙烯制的超级压力气球中放入橡胶气球的实验。原本，这个气球在施加1000Pa的差压时的漏气率是4000Pa·h^-1。加入橡胶气球后，抑制为3Pa?h^-1。这个漏气率是橡胶透过率的预测值，比7Pa·h^-1稍微小一点的值。证实了这种方法对提高超压气球的气密性是有效的。

图1通过皮膜双层化提高气密性的原理

图2: 橡胶气球及橡胶气球上盖上聚乙烯袋的气球的试验情况

图3: 在橡胶气球和橡胶气球上套上聚乙烯袋时浮力的时间变化

图4: 聚乙烯袋浮力的时间变化

表1: NPB001-8气球的规格

图5: 漏气点。目视没有特征

图6: 苯酚酞反应检测

图7: 气球尾部膨胀

图8: 聚氨酯布对气球头部的保护

图9: 聚氨酯布对气球尾部的保护

图10: 2000Pa加压的橡胶气球

表2: 实验经过

表3: 赤道长和子午线长

图11: 压差随时间变化

图12: 大气压随时间变化

图13: 气温随时间变化（TR-73U）

图14: 赤道周长与压差的关系

图15: 子午线长度与压差的关系

图16: 压差随时间变化

图17: 气温随时间变化（GL500A）

图18: 大气压随时间变化

图19: 气温随时间变化（TR-73U）

图20: 摩尔数随时间变化

图21: 气体泄漏量的比较

结论

研究了通过双层化气球皮膜来提高气密性的可能性。首先，通过在市售的聚乙烯袋中放入橡胶气球的实验，证实了原理。接着，通过在体积10m³、气体泄漏量大的NPB001-8气球的内侧放入橡胶气球，确认了在1000hPa的气压下施加1000Pa的压差时，能够提高到3Pa·h^-1的气体泄漏率。

体积为100m³左右的小型超压气球对大气重力波观测实验等有需求，期待开发轻量的气球。以体积100m³在大气压60hPa中飞翔气球的重量分配为，薄膜重量为2.0kg（假定20μm厚的聚乙烯薄膜），加强筋网重量为2.7kg，球顶和球底结构等，其他为2kg左右，因此总重量可以想象为6.7kg。如果使用1.2kg的橡胶气球，则总重量为7.9kg，增加18%。由于该重量增加，产生气球的到达高度相对于气压高18%、高度低1.1km的问题，但通过增大体积能够容易地消除，因此认为通过加入橡胶气球能够适用提高气密性的方法。今后，将推进提高聚乙烯薄膜和橡胶气球的密合度的体积100m³级的小型超压气球的开发。另外，市售的橡胶气球的尺寸最大也为3kg，为了提高数100m³以上的气球的气密性，用聚乙烯薄膜而不是橡胶气球进行双层化这样的对策是有效的。