“轻”气球是很多孩子喜欢的玩具。公园里,总能看见爸爸妈妈们小心翼翼地把“轻”气球的绳子系在孩子的手腕上。赶上逢年过节,人们还喜欢放飞气球,看起来特别有节日气氛。
“轻”气球为什么能飞起来呢?原因当然是它所受到的空气浮力比所受到的重力大。中学物理知识告诉我们:空气浮力(F浮)等于空气平均密度(ρ空气)×比例系数g×物体体积(V)。而如果我们在气球中灌满某种气体,那么这团气体所受的重力G会等于该气体的平均密度(ρ气体)×气体体积(V)×比例系数g。
观察这两个式子:
F浮=ρ空气×g×V
G =ρ气体×V×g
显然,只要这团气体的密度比空气的密度小(ρ气体<ρ空气),那么它所受到的空气浮力就会比它的重力大。如果浮力大到,气体的重力加上气球本身的重力都无法与之抗衡了,也就是空气浮力大于整个气球的重力了,气球自然就会升起来。
所以,让气球飞起来的秘诀,就是给它灌满比空气密度小的气体。氢气的密度就很小,过去有一段时间人们就用它来填充气球;但氢气是个“暴脾气”,一言不合就会燃烧甚至爆炸。给孩子玩的气球,用氢气显然不合适,我们需要更稳定、更安全的“轻”气体。
氦气就很合适。它是除了氢气以外密度最小的气体,密度远小于空气,而且还是一种“没脾气”的惰性气体,很安全。
惰性气体是一些无色、无味且很难发生化学反应的单原子气体,除了氦气以外还有氖气、氩气、氪气、氙气、氡气等。由于它们很难跟其他物质发生化学反应,它们自然就很难燃烧起来——毕竟燃烧也是化学反应。不过,惰性气体中只有氦气的密度明显比空气密度小,所以就只有它适合充气球。
今天,我们看到的会飞的“轻”气球里填充的大都是氦气。但除了充气球,氦气还有很多重要的用途,比如说,氦在极低温下会液化,而液氦的用处非常多,医院里的很多高级检查设备,都要靠液氦才能正常工作。再比如说,深海作业使用的潜水气瓶里也必须用少量氦气用取代氮气,以免潜水员发生“氮醉”而出现危险。氦气还是光纤制造过程中最常用的冷却气体。如果缺少氦气,我们生活显然会出大问题。
氦气球是如此的常见和便宜,以至于咱们平时几乎不太会去思考,这些氦气是从哪来的,会不会有用完的一天。但危机就在眼前了。
举个例子吧,近年在日本东京的迪士尼乐园,人们经常找不到飘在空中的气球——想想看,一座迪士尼乐园,竟然常常遭遇气球缺货。出现这种情况,正是因为日本的氦气不够用,连正常的科研或者工业用途都难以满足,更别说给大家充气球玩儿了。而且不单单是日本,从整个世界的范围来看,氦气都不太够了。
氦是全宇宙当中最多的元素之一,但在地球上,氦气并不是什么取之不尽、用之不竭的东西。事实上,我们想要得到氦气是非常不容易的。
首先,氦气是由一个一个的氦原子组成的,换句话说,它是一种纯的化学元素,所以不存在廉价人工合成的办法,必须从自然界提取。
第二,由于氦气太轻了,地球的引力拉不住它,所以大气层里的氦气都跑到外太空去了。咱们无法从大气层里提取氦气,就只能从地下开采氦气。
藏在地下的氦气,都是混在天然气矿里的,所以咱们很难直接去寻找氦气矿藏,只能先找天然气,再看看天然气里有没有足够的氦。这效率肯定不会高。
而且,氦气资源在全世界的分布并不均匀,其中美国的氦气矿藏占全球的50%以上,再加上阿尔及利亚、俄罗斯两国,这三个国家的资源占有率就达全球的90%以上。所以,全世界本来也只有少数国家能生产氦气,这两年因为种种原因,很多工厂又都停工了,就导致现在全世界都面临着氦气短缺问题。
美国作为氦气生产大国,他们的国家气象局(National Weather Service)在今年6月都不得不减少发射预报天气的探空气球。他们的发言人说:“我们减少在晴朗天气的发射次数,以节省供应,好在需要预报恶劣天气的情况下发射,提供支援。”
对此,有科学家就呼吁说,游乐园的氦气还是不要再用了吧。毕竟,地球上的氦气是有限的,用一点就少一点。比起玩具“轻”气球,还是探空气球、医疗设备、光纤和电子管、潜水气瓶和潜水艇等等更需要氦气呀。