Второй «шаг» пройдём рука об руку с шарльером (смотрите предыдущую заметку «Ведьма летает на метле, а я — на тепле!»). Оболочка газового воздушного шара замкнута и заполняется каким-либо газом, который легче воздуха. Это может быть водород, гелий, метан, аммиак, неон (последние три применяются редко). Оболочка имеет клапан для выпуска газа наружу — это необходимо для уменьшения подъёмной силы и снижения шара.
Первый безэкипажный полёт такого аэростата был осуществлён в августе 1783 года над Марсовым полем в Париже. А второй полёт прошел в декабре того же года уже с экипажем, в состав которого вошёл сам изобретатель Жак Шарль, в честь которого аппарат был назван шарльером. (Школьникам известен закон Шарля для идеального газа: при постоянном объёме давление газа прямо пропорционально его абсолютной температуре.)
В отличие от братьев Монгольфье Жак Шарль был физиком и понимал принцип подъёма аэростата. Он знал, что в процессе остывания горячего воздуха подъёмная сила будет падать, поэтому предпочёл использовать водород. Он также знал, что водород постепенно просачивается через тканевую оболочку наружу, и для уменьшения этого эффекта пропитал оболочку раствором каучука.
В 1783 году между Шарлем и братьями Монгольфье развернулась настоящая гонка «вооружений». Судите сами: июнь — первый безэкипажный полёт монгольфьера, август — первый полёт пустого шарльера, сентябрь — монгольфьер с зооэкипажем, ноябрь — монгольфьер с двумя пассажирами на борту, декабрь — шарльер с экипажем (тоже из двух человек).
Если сравнить плотность водорода (0,09 кг/кубометр), гелия (0,18 кг/кубометр)и горячего воздуха в оболочке теплового шара (0,95 кг/кубометр при температуре 100 градусов Цельсия), станет понятно, что подъёмная сила газовых шаров на порядок больше. Ещё важнее то, что у них больше максимальная высота подъёма. Почему? Возьмём два шара одинакового объёма с нерастяжимой оболочкой: газовый и тепловой. Архимедова сила на них действует одинаково и по мере подъёма уменьшается, так как плотность окружающего воздуха падает с высотой. А вот сила тяжести действует по-разному: на тепловой шар — сильнее, так как его масса больше. В итоге, тепловой шар достигнет равновесия (это положение, в котором силы тяжести и Архимеда компенсируют друг друга, и подъёмная сила исчезает) на меньшей высоте. Рекорд высоты на тепловом шаре составляет 21 км (это уже стратосфера!), на гелиевом — 41 км, а на водородном — 53 км. Следует уточнить, что последний рекорд был беспилотным, что позволило снизить массу аэростата до 40 кг. Увидеть прыжок человека из стратосферы можно по ссылке https://youtu.be/SXW5eAjPD2U.
С середины 19 века газовые аэростаты стали«служить» науке. Они позволили выяснить, как давление, температура и влажность воздуха меняются с высотой, какие типы облаков и системы ветров формируются на разных высотах, как ведёт себя солнечное излучение в атмосфере Земли и много чего ещё. Они поднимают телескопы на высоту, где атмосфера почти прозрачна, что позволяет делать качественную съёмку астрономических объектов. Они дают метеорологам нужные сведения для предсказания погоды. Рекомендую посмотреть видео о научных аэростатах https://youtu.be/fql5qIM9CCk и выпуск Галилео о работе метеозонда https://youtu.be/N-puJqIJM24.