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，着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，这使他总结出着名的盖·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。
