Do jaké výšky dolétne heliový balónek?

Nezávislá skupina vědkyň a vědců z českých i zahraničních výzkumných institucí odpovídá na vaše dotazy. Některé odpovědi pak sdílí i na sociálních sítích Facebook, Instagram, Threads, Blueskya zde na Médiu.

Na první pohled je otázka jednoduchá. Heliový balónek stoupá vzhůru, protože jeho hustota je menší než hustota okolního vzduchu, a tak se zdá, že k zodpovězení otázky stačí určit, v jaké výšce se hustota obou prostředí vyrovná.

Pro jednoduchost si představme, že hmotnost balónku jako takového je zanedbatelná a zároveň je jeho materiál tak pevný, že ať se děje, co se děje, má balónek stále stejný objem. Pak uvažme, že hustota helia za standardních podmínek (tlaku jedné atmosféry a teplotě 15 °C) je 0,1785 kg/m³, což odpovídá hustotě vzduchu ve výšce 15–16 km nad zemí. Náš zjednodušený nerozpínající se balónek by tedy vystoupal do této výšky a tam by zůstal viset.

Realita je ovšem, jak už to tak bývá, mnohem složitější. Klíčovou roli v osudu našeho balónku hraje právě materiál, ze kterého je vyrobený. Ten totiž, minimálně pro balónky běžných velikostí, musí být velice tenký. Podobně jako pro loď plující po vodě, i pro balónek ve vzduchu platí Archimédův zákon – nadnáší jej síla odpovídající hmotnosti vzduchu o stejném objemu.

Typický pouťový balónek má objem asi 10 litrů, což na hladině moře při teplotě 15 °C odpovídá hmotnosti vzduchu jenom 12 gramů. Od tohoto čísla ještě musíme odečíst hmotnost heliové náplně, která je skoro 2 gramy, a na balónek samotný nám tak zbývá 10 gramů. Ve skutečnosti musí být ještě o dost lehčí, chceme-li, aby někam vystoupal.

Balónky se vyrábějí z lehkých a pružných materiálů, což je pro ně po velkou část výstupu „výhoda“. V okamžiku, kdy balónek na zemi naplníme heliem, vyrovnává se tlak helia uvnitř (působící na roztažení balónku) se součtem tlaku vzduchu a pružnosti materiálu (působícími na smrštění balónku). Jak ale balónek stoupá, tlak vzduchu kolem klesá, a tak se balónek může rozpínat. Hmotnost helia uvnitř je ale pořád stejná, takže jeho hustota zákonitě klesá.

Zdálo by se tedy, že balónek by se měl dostat ještě výš, než byl náš původní odhad – ale v jednu chvíli lehkost a snadná rozpínatelnost materiálu přestane být výhodná, protože zkrátka praskne. Pro úplnost dodáme, že hustotu helia v balónku do značné míry ovlivňuje také teplota. Zatímco teplota prostředí s výškou klesá (takže helium se zhušťuje), teplota balónku může naopak stoupat, pokud účinně pohlcuje sluneční záření (takže helium řídne). Celkově jde o další jev, který komplikuje předpověď možné dosažené výšky nad zemí.

Balónky se vyrábí z různých materiálů a v různé tloušťce a zjistit o nich přesné informace je obtížné. Z různých zdrojů lze najít, že typická výška, v níž praskne pouťový balónek, je kolem 10 kilometrů.

Meteorologové pravidelně vypouštějí o něco větší verzi takových balónků za účelem měření podmínek vysoko v atmosféře. I tyto balóny praskají, ale často až nad 30 kilometry.

Existují ale i heliem plněné balóny, které jsou tak pevné, že neprasknou; označují se jako „super-pressure balloons“. Používají se k dlouhodobým letům ve výškách desítek kilometrů, při nichž často nesou různá vědecká zařízení pro studium atmosféry nebo vesmíru, a slouží tak jako výrazně levnější varianta k satelitům na oběžné dráze.

Pro Zeptej se vědce odpovídal Honza

Mgr. Jan Ebr, Ph.D., Fyzikální ústav Akademie věd ČR

Odbornou recenzi poskytl Ing. Vít Svoboda, Dr. sc. ETH Zürich, JILA — CU Boulder & NIST a VŠCHT Praha

Odpověď editovali Hedvika Šimková, Luděk Vašta a Ing. Kristýna Kantnerová, Dr. sc. ETH Zürich, Ústav analytické chemie, VŠCHT Praha

https://www.sciencefocus.com/science/how-high-can-a-helium-balloon-float

https://www.pdas.com/atmosTable2SI.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Superpressure_balloon

Projekt Zeptej se vědce propojuje vědeckou a nevědeckou veřejnost. Máte-li na vědce nějaký dotaz, zeptejte se nás na webu nebo sociálních sítích Facebook, Twitter, Instagramči Bluesky. Líbí se vám naše příspěvky? Budeme rádi, když podpoříte naši činnost: darujme.cz/projekt/1209422