地球上的水會“逃”出地球“奔”向太空嗎？
2022-06-10 17:55 作者:為你er執(zhí)著 | 我要投稿
我們都知道，由于地球引力的作用，處于自由落體狀態(tài)的物體總是下落，因此地球上的固體水和液態(tài)水很難“逃離”地球。
但由于蒸發(fā)、植物蒸騰或冰雪升華等原因，地表水會進入大氣，水汽密度低于空氣，水汽往往在靜止的空氣中上浮。我們可以看到，水滴非常小，靠近氣態(tài)水的白色蒸汽上升而不是下沉。那么，水蒸氣會一直上升并從地球逸出嗎？氣體總是從高密度向低密度擴散。地面附近的水汽密度明顯高于近真空星際空間。大氣中的水蒸氣是否會脫離地球引力的束縛，奔向地球？另外，水分子在發(fā)生化學(xué)和物理變化后是否有可能離開地球，減少地球上的水量？
大氣的分層結(jié)構(gòu)與水汽的分布
水蒸氣是指空氣中的水，而不是空氣中的液態(tài)水（云、霧、雨）和固體水（雪、霰、冰雹）。空氣中水蒸氣的比濕度，即水蒸氣質(zhì)量占總空氣質(zhì)量的百分比，隨空氣干燥濕度的0～4%而變化很大。干冷地區(qū)旱季的含水量幾乎為零，而熱帶雨季的含水量接近4%。
隨著空氣從地面到高空越來越稀薄，大氣中的蒸汽密度從地面到高空逐漸降低。結(jié)果表明，在距地面1500～2000米處，水汽含量僅為地面的1/2；在5000米處，水汽含量僅為地面的1/10，向上更是少之又少。大部分水汽集中在低層，一半水汽在2000米以下，3/4的水汽在4000米以下，10公里-12公里高度以下的水汽占總水汽的99%。
90%的大氣水汽集中在對流層。赤道附近對流層厚12公里，極地地區(qū)只有8000米。
從對流層頂部到55公里處的平流層濕度很低。平流層的形成機制與臭氧層密切相關(guān)。由于紫外線輻射，平流層頂部的一部分氧分子被分解成氧原子。氧原子與未被消化的氧分子結(jié)合產(chǎn)生臭氧。臭氧吸收了大部分短波紫外線，加熱后形成了逆溫層。逆溫層的存在阻礙了大氣的上下對流。
大氣溫度隨海拔升高而降低。平流層頂部的溫度可低至-100℃，是一個弱對流層。在離地面大約80公里的地方有冰晶。這些冰晶的半徑一般為0.05-0.5μM，當黎明或黃昏即將結(jié)束時，冰晶會暴露在陽光下，形成淡藍色或銀灰色的云。只有在高緯度的夏天才能看到夜光云。
暖層從中層頂部到800公里高。在270公里處，空氣密度約為地面空氣密度的10億%。300公里高空暖層溫度在1000℃以上。暖層也叫電離層。暖層中的氮、氧、氧原子在強紫外線和宇宙射線的作用下處于高度電離狀態(tài)。在電離層中，即使有水，也會被電離成氫和氫氧化氫離子，因此水分子不可能存在。
溫暖層的頂部稱為外層，也稱為逃逸層。這里的溫度很高，高達數(shù)千度；大氣層非常稀薄，海平面上的密度為10億。它是大氣層的最外層，沒有明確的上限，與星際空間相連。由于空氣非常稀薄，受地球引力的影響較小，一些高速運動的點可以從大氣層逃逸到星際空間。
水汽不會因為浮力而跑出地球
水蒸氣會因為浮力而從地球上逸出嗎？在了解了大氣分層和水汽分布后，答案逐漸浮出水面：浮力并不能使水汽從地球逸出。具體原因是什么？
原因之一：水蒸氣能溶解在空氣中。大部分的水蒸氣溶解在空氣中并混合成一個整體。水分子與其他空氣分子結(jié)合，不會因比重不同而分層。
第二個原因是大氣中有非常低的溫度區(qū)，例如對流層上部的溫度可以低至-80℃。在較冷的地區(qū)，氣態(tài)水分子會凝結(jié)成液態(tài)水，甚至是固態(tài)水，并合并成水滴和冰晶。當水滴和冰晶足夠大時，它們就會落下。
第三個原因是大氣中存在一個逆溫層，包括平流層和電離層。上層溫度高于下層溫度。溫度較低的下層空氣密度較高，不可能靠浮力向密度較低的上層移動。
第四個原因：即使我們逃出一、二、三級，少量進入電離層的水分子也會分解成氫離子和羥基離子。同時，氫離子和羥基離子的質(zhì)量小于水分子的質(zhì)量，因此即使少數(shù)水分子沒有分解，也不會浮在電離層上方。
因此，地球上的水分子由于質(zhì)量小，不會靠空氣浮力在電離層上方運行，自然也不會從地球上逃逸。
水汽不會因為分子擴散而跑出地球
如果水分子向外擴散的速度超過地球的逃逸速度，水分子就可以逃往太空。地球大氣環(huán)境中的逃逸速度和分子擴散速度是多少？
通過簡單計算可知，地球表面的逃逸速度為11.17km/s；大氣外層底部距地面約1000km，逃逸速度為10.4km/s；在離地10000 km高度時，逃逸速度降低到7000 m/s，在室溫下，平均速度為空氣分子是461米/秒，相當于子彈的速度。在大氣逃逸層中，當溫度高于1000℃和1300k（k也稱為開爾文，開爾文溫度=攝氏溫度+273.15）時，空氣分子的平均速度可達977m/s。
分子運動的平均速度只是許多分子速度的平均值，其中一定有運動速率高于平均速度的分子。據(jù)統(tǒng)計，很少有分子的速度高于平均速度的5倍。因此，如果氣體的平均速度比逃逸率低5倍，就可以認為氣體無法達到逃逸速度，無法脫離行星的引力約束。
將圖表中不同氣體的5倍平均速度與地球的逃逸率（地面11.17公里/秒，1000公里/秒時10.4公里/秒）進行比較，可以看出，所有氣體成分都無法通過近地面的分子擴散逃逸；在大氣外層的下部，由于重力和高溫作用下，逃逸率降低，分子運動速度加快。氫（原子或離子）和氦可以從大氣中逸出進入太空，但分子量較大的氧、水蒸氣、二氧化碳和氮氣仍然無法逃逸。
再延長到10000公里，地球的逃逸速度將降低到7000米/秒，最高氣溫可達3000攝氏度。空氣中主要成分的分子速度大于7000 m/s，也就是說，在大氣逃逸層的上部，理論上幾乎所有的大氣成分都能從地球逸出。然而，在2000公里以上，它是一個完全電離的逃逸層。事實上，空氣分子已經(jīng)不存在，重原子也不存在。只剩下氫和氦原子。因此，除了氫氣和氦氣外，沒有空氣從地球逸出的問題。
因此，對于地球上是否存在水擴散逃逸的問題，答案是否定的，原因是水分子根本無法到達逃逸層。水分子只存在于電離層下，被電離層分解，不能出現(xiàn)在電離層上方的逃逸層中。
水汽是否會通過其他物理化學(xué)作用逃離地球
進入電離層的水分子將電離成氫離子和羥基離子。氫離子非常輕，能穿透電離層進入逃逸層，進一步逃逸到星際空間。雖然地球內(nèi)部的水分子不能直接從地球上逃逸，但它們會不會被電離和氫離子的損失所減少？
據(jù)估計，地球每秒損失3000克氫，每秒損失50克氦。但是，盡管氫正在逸出，但在地球歷史上數(shù)十億年來，水并沒有大幅度減少。一方面，隨著氫從地球上逸出，太陽風和隕石不斷地向地球補充氫，使氫得到部分補充。另一方面，水分解的氫雖然逸出，但剩余的氧可以與氨、硫化氫、甲烷反應(yīng)形成氮、硫酸、二氧化碳和水。正是氫的逸出和氧的保留，逐漸增加了地球上的氧含量，氧化其他物質(zhì)形成水。這種機制使地球原始大氣逐漸成為以氮、氧和二氧化碳為主導(dǎo)的現(xiàn)代大氣，形成海洋。只有這樣，我們才能擁有一個適合人類生存的充滿活力的地球。
然而，現(xiàn)在地球大氣層中的氫很少。如果氫的逸出主要依靠電解水分子提供氫，而氧等物質(zhì)的反應(yīng)產(chǎn)生的總水量不等于電解水，那么地球上的部分水會因氫氣的流失而流失。
總之，地球的水不會因為水汽的重量而浮起來和逃逸，也不會因為水分子的擴散而逃逸。其中最關(guān)鍵的作用是大氣電離層，它將水分子分解成氫離子和羥基離子。水分子被電離層阻擋，不能出現(xiàn)在電離層上方。同時，在地球原始大氣中，氫在水分解后逸出，留下氧氣氧化其他物質(zhì)形成水，這也使得地球的水不會因電解氫的損失而減少！
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