地球被大气层团团围住，人类生活在大气层的底部。从地面到约10000米高空，由于受太阳辐射和地球环境的影响，气流上升下降很活跃，所以这层大气叫对流层。对流层中有风云变幻和雨、雪、雹、雾等各种气像现象。再往上走，从11000米到35000米的高度就是平流层了。这里气流平稳，温度很少变化。约为-56℃左右（所以又叫同温层）。对于平流层本质的认识，可以说是气球探空飞行家的重大贡献。
多少世纪以来，平流层是一个不为人知的神秘世界。这里是寒冷王国，空气稀薄而干燥，没有水汽，没有云层，太阳整天放射着刺眼的光芒。
1902年，德国人德波尔首次提出了平流层的概念。这是用无人气球探测器测量出来的。后来人们又发现，地球上平流层的高度随季节而变化，夏升冬降，而在不同的地区其高度也不一样。平流层和对流层的分界线在南北极为
9000米，在赤道为17000米。
前苏联是平流层的开拓者之一。1933年，前苏联制成了容积24000立方米，直径35米的大型气球“苏联1号”，密闭吊舱里载三名乘员，升到了18000米的高度。这次科学考察的主要任务是详细研究宇宙线，同时也证实了不同高度上空气的成分是相同的，并测量了大气层的导电性。
1934年，前苏联“航空化学协会1号”平流层气球升到了22000米。不幸，在降落过程中失事，三名乘员全部牺牲。据调查，其原因是气球放出氢气过多，下降速度超过每秒20米，这时巨大的气动力将吊舱和气囊分离开来，乘员来不及跳伞就直接撞在地上。根据以上教训，前苏联于1935年重新设计了吊舱降落伞结构，在发生紧急情况时，气球与吊舱自动分离，由降落伞带着吊舱安全着地。
第二次世界大战结束后，前苏联的气球探空活动有了新的发展。从1945年到1946年，仅高空气象观察所就进行了上百次气球升空活动。使用的是容积为5000立方米较小的气球。1962年，容积为72000立方米的“伏尔加号”平流层气球，达到25485米的高度。
美国也是平流层的热心开拓者。1933年“进步世纪号”气球升到了17670米的高度，进行了宇宙线考察。
1934年，美国制成了容积为85000立方米的巨型平流层气球“探测者1号”，这只气球差不多使用了10000平方米的涂胶棉布。美国人企图用这个气球打破前苏联人的纪录。然而由于携带仪器过多和气囊太沉重，仅达到了18300米的高度。更加不幸的是气囊下部裂开一个大口子，撕碎的蒙皮被风吹掉，露出里面的系索，不过这时氢气虽然漏掉，上半部却变成一把降落伞。乘员在气球下降到1800米左右时，跳伞脱险。这次偶然事故给人以很大的启发，以后美国和前苏联都试制成降落伞式平流层气球，在降落过程中排出部分氢气，由橡胶绳将下部气囊收到上部，形成一个大降落伞。当气囊或吊索损坏时，吊舱用切断机构与其脱离，并准备用降落伞着陆，乘员还可用单人降落伞着陆，从而增加了安全性。
1935年，美国再次制成“探测者2号”平流层气球，气球容积达150000立方米，直径58米。并且用氦气代替氢气。这次吸取了“探测者1号”的教训。改用一层涂胶布气囊，使之易于透射阳光和加热气体而获得较大的升力，同时采用抛沙袋机构代替人工操作。这次飞行中“探测者2号”上升到22066米，稍稍超过了前苏联“航空化学协会1号”的纪录。本来，气球还可再继续上升几百米，因为它还有400千克配重没有抛掉，但飞行员在升限高度进行了一系列考察，而并未追求高度。他们在气球降落过程中，先用降落伞投下采样器。在12000米，开动姿态控制螺旋桨，旋转一周拍照，在4800米，解除密封，打开舷窗换气，经8个小时安全返回地面。
这次平流层考察收获很丰富，记录了各个方向射线强度，22000米金属原子被宇宙线轰击破坏时产生的“爆能”。用底片拍下了镭α-射线型宇宙线的痕迹、太阳光谱、对流层边界、地球凸度等。此外，还进行了空气取样、天空亮度、太阳射线亮度等种种测定。这些有意义的实验，包括应美国标准局要求进行的精密温度测量，其数据都用电温度计记录在底片上，以供气象研究使用。
1956年，“探测者2号”气球再次升空，创造了23164米的高度纪录。国外认为这是30年代平流层气球所能达到的升限。有趣的是，“探测者”的称号随后给予了一系列的人造地球卫星，而代之担负起高空的考察任务。以后平流层气球的活动虽有所减少，但并未停止。
1959年，美国制成葡萄状多球式平流层气球，它由直径约为2米的100个小气球组成，每3个球用一根系索和密闭吊舱的钢索连接。这种设计的优点是在降落地过程中，只要抛出几个小球即可，避免了气球上复杂的放气装置。在安全性方面也超过了一个整体大球。
平流层飞行的最高纪录，是美国人罗斯和普拉热尔1961年创造的。他们俩人乘“平流层实验室5号”升到了34670米的高度。它已超过平流层的上限，到达空气更为稀薄的中间层了，因此20年来似乎再也无人能够逾越这个极限了。
无人气球探测器
和平流层气球同时发展起来的无人气球探测器具有一系列的优点。它的高度超过平流层气球到，而又无人身遇险之虑。早在皮卡尔制成密闭吊舱平流层气球之际，一个无人气球探测器就达到28000米的高度。将它测得的16000米的电离数据与皮卡尔取得的数据对比，二者相差甚微，从而证明探测器获得的数据也是可靠的。
19世纪末到20世纪初，在大气层的研究工作中广泛使用了无人气球探测器。这种气球体积小，采用橡胶气囊，用于测量风向、风速、云层下限高度以及大气环流情况。夜间在气球上悬挂灯光信号。探测器上携带气压，温度、湿度自动记录仪。在一定的高度上气球爆炸，用降落伞回收仪器。探测器的飞行高度在25000米以下。
由于气球探测器返回地面时行踪不定，搜索困难，从20世纪30年代开始，逐渐推广了无线电探测器，它随时将数据用无线电发回地面，因而省去了搜索时间。无线电探测器的升限为35000米左右。曾多次达到40000米的高度。
现代的无线电探测器带有复杂的自动化仪器，与雷达站和电子计算机配合工作。分布在各地数以百计的地面站，每天放出大批无线电探测器，穿过对流层和平流层大部分剖面，将气象情报发回地面，因而可以获得相当精确的大面积气象图。
无人探测器还广泛用于天文观察。1964年，英国对金星考察，在22000米测量了金星表面太阳红外线辐射量。1968年，法国人用探测器记录了25000米至28000米的太阳红外光谱，并在夜间用望远镜对星空进行了拍照。1966年以来，前苏联多次使用“平流层天文站”——容积为100000立方米以上的大型无人探测气球，携带重量达7吨半以上的仪器升空，其天文望远镜的直径为0．5米。考察的重要收获是发现了太阳表面上极小的斑点，直径仅为300千米。70年代，前苏联气球又多次对太阳进行考察，拍摄了大量太阳光谱照片和太阳上的等离子爆炸照片。
我国的高空气球探测器是20世纪70年代末发展起来的。1979年9月至10月，中国科学院施放了8个气球，容积分别为1000立方米至3000立方米。实验的目的是检验气球及球体材料的性能，进行发放、回收、球载电源、无线电信标机、雷达跟踪等方面的试验。
1981年9月12日，中国科学院施放了一个容积为30000立方米的巨型气球，它的高度相当于一座80米高的14层大楼。探测气球带着吊篮和信标机等仪器飞到了34000米的高度。首都百万市民目睹了这一有趣的实验，在人们的眼里，它仿佛是一只乒乓球，在北京以南40千米的蓝天上飘过。
截止1981年底为止，我国已施放过几十个高空探测气球，取得了一批数据。
随着飞机性能的改进和人造地球卫星的发射，平流层气球的工作已有一部分被它们所取代。然而由于气球费用低、使用简便，无论现在或将来，它仍会在探空科学考察中发挥积极作用。