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，这使他总结出著名的盖·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。
这种无人乘坐气球进行的大气探测，发展到1902年的时候，科学探险家们已弄清了低层大气的奥秘。法国的气象学家泰萨伦·德波特，依据收集来的各种资料分析后指出，大气可分为两层：第一，湍动的低层。1908年，他又准确地称之为对流层。第二，平静的高层。后来他又改称为平流层。他把温度开始不再下降的高度，即“对流层”与“平流层”之间的边界叫做“对流层顶”。后来，人们发现，“对流层顶”的高度不是不变的，它在赤道上空距地面大约有16千米，而在两极地区则变到只有8千米左右，一般地区为12千米左右。