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地球上的水会逃出地球吗? 精选

已有 19585 次阅读 2015-2-23 01:20 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦| 地球, 水汽, 大气层, 逃逸速度, 分子运动速度

我们知道:因为地球的引力,自由落体状态下的重物总是往下落,因此地球上的固态水、液态水是不会自己跑出地球的。但是,地表的水会因水蒸发、植物蒸腾或冰雪升华成为水汽而进入大气,而水汽的密度比空气密度低,水汽在静止空气中有上浮的趋势,正如我们看到的水滴非常小、与气态水接近的白色水蒸汽都是往上走而不是下沉,那么,水汽是否会一直浮升而跑走呢?另外,气体总有从密度高的地方向密度低的地方扩散的趋势,近地面的水汽密度显然高于几近真空的星际空间的水汽密度,大气中的水汽是否会因为扩散而挣脱地球引力的束缚跑到地球之外去吗?另外,是否存在水分子发生化学、高能物理变化后跑到地球外而使地球水减少的可能呢?

 

大气中的水汽

水汽指空气中气态的水,而不包括空气中状态不稳定的液态的水(云、雾、雨)和固态的水(雪、霰、冰雹)。

空气中的水汽比湿,即水汽质量占空气总质量的百分率,随着空气干湿的变化从04%变化很大,寒冷干燥地区干燥季节几近于零,热带多雨地区多雨季节接近4%

 

大气的分层结构与水汽的分布

随着空气从地表到高空越来越稀薄,大气中的水汽密度也从地面向高空逐步下降。观测结果表明,在距地面1.5~2km高度,水汽含量只及地面的1/2;在5km高度,只相当于地面的1/10,再往上更少。

水汽绝大部分集中在低层,有一半的水汽集中在2公里以下,四分之三的水汽集中在4公里以下,10-12公里高度以下的水汽约占全部水汽总量的99%90%的大气水汽都集中在对流层内。对流层的高度在赤道附近有12公里厚,在两极只有8公里厚。

对流层顶向上至55公里高度的平流层,水汽含量已经极少。平流层即大气垂直运动很弱、以水平运动为主的大气分层。其形成机理与臭氧层密切相关。因紫外线的照射,位于平流层顶部的一部分氧分子被分解为氧原子,氧原子与未分解的氧分子结合生成臭氧,臭氧吸收大部分短波紫外线而升温形成逆温层。平流层底部(对流层顶部)的温度在-80以下、气压在100hpa左右,对流层顶的温度在-3℃~0℃、大气压在1hpa左右。逆温层的存在阻止了大气的上下对流。

平流层顶85公里高度为中间层,大气温度随高度上升而降低,层顶温度可低至-100℃,是一个较弱的对流层。在距地面的高度80km左右,还有冰晶存在,在深曙深暮期间被太阳照射而形成呈淡蓝色或银灰色的夜光云。这类冰晶颗粒的半径一般为0.050.5微米。只有在高纬度地区(50-65度)的夏季才能见到夜光云。

中间层顶800公里高度为暖层。在270公里高度处,空气密度约为地面空气密度的百亿分之一。暖层在300公里高度时的温度高达1000以上。暖层又称电离层,暖层中的氮(N2)、氧(O2)和氧原子(O)气体成分,在强烈的太阳紫外线和宇宙射线作用下,已处于高度电离状态。在电离层中,即使有水,也会被电离成氢离子和氢氧根离子,因此不可能存在水分子。

暖层顶以上称为外层,也叫磁力层,又称逃逸层。这里的温度很高,可达数千度;大气已极其稀薄,其密度为海平面处的一亿亿分之一。它是大气圈的最外层,没有明显的上界而与星际空间相连。由于空气十分稀薄,受地球引力作用较小,一些高速运动的大气质点可因此脱离大气圈,逸散到星际空间去。

 

水汽不会因为浮力而跑出地球

原因之一是水汽可以被溶解于空气。大部分水汽被溶解于空气而混为一体,水分子与其他空气分子结合在一起,不会因为比重的不同而分层。

原因之二大气层中有温度很低的区域,例如对流层上部的温度可低至-80,在较冷的区域气态水分子会凝结成液态水、甚至凝华为固态水,并相互合并成水滴、冰晶,当水滴、冰晶大到一定程度就会掉落下来。

原因之三是大气层有逆温层存在,包括平流层和热层,都是上层温度高而下层温度低,温度低的下层空气密度更高,不可能靠浮力运动到密度低的上层。

原因之四:即使逃脱第一、第二、第三关,少数跑到电离层的水分子,也会被分解为氢离子和氢氧根离子;同时氢离子和氢氧根离子的质量比水分子更小,所以即使少许漏网的水分子没有被分解,也不会上浮到电离层以上。

因此,地球上的水分子不会因为质量小靠空气浮力来跑到电离层以上,也自然跑不出地球。

 

水汽不会因为分子扩散而跑出地球

如果水分子向外的分子扩散运动速度超过了该高度的地球逃逸速度,水分子就可以逃逸入太空。下面我们具体考察一下地球大气环境中的逃逸速度和分子扩散运动速度。

星球的逃逸速度公式为:

  $v=sqrt{(2gR)}$

其中R表示计算逃逸速度的位置与星球中心的距离(m),g表示该位置的重力加速度(ms2),sqrt是根号符。

在地球表面,g9.8 ms2,地球半径按6370km计,逃逸速度为11.17km/s

大气外层的底部约在距离地面1000千米高处,距离地心7340千米,该处的重力加速度计算公式为:

$g=(GM)/r^{2}$

其中G为引力常数(G=6.67259×10-11N·m2/kg2M为星球质量(千克)。地球的质量为5.977×1024kg。代入各数,大气外层底部重力加速度为7.34 ms2,逃逸速度为10.4km/s。而在距离地面10000km高度,逃逸速度减小为7km/s

气体分子平均速率计算公式为:

c=1.6sqrt[(R×T)÷μ]

其中,R为气体常数(8.314J/(mol·K), T为绝对温度(k),μ为气体分子量。

在室温下,空气分子的平均速率为c=461ms,相当于枪弹的速度。在大气逃逸层,温度在1000以上,按1300k计算,空气分子的平均速率达到977m/s。不同温度下常见气体分子的平均速率如下表所示。

 

1 不同温度下的常见气体平均速率(m/s

常见气体

温度300k

温度1300k

名称

分子量

平均速率

5倍平均速率

平均速率

5倍平均速率

氢原子

2

1787

8934

3719

18597

氦气

4

1263

6317

2630

13150

氧原子

16

632

3159

1315

6575

水汽

18

596

2978

1240

6199

氮气

28

4782388

994

4970

空气

29

469

2346

977

4884

二氧化碳

44

381

1901

793

3965

 

分子运动的平均速率只是很多分子的速率的平均,其中肯定有运动速率高于平均速率的分子。统计上,高于平均速率5倍的分子已经很少。所以,如果一种气体的5倍平均速率低于逃逸速率,就可以认为该气体达不到逃逸速度,逃不出星球的引力约束。

对比表1中不同气体的5倍平均速率与地球逃逸速率(地面11.17km/s1000km高空10.4km/s),可知在近地面,所有气体成分都不可能靠分子热运动逃离地球;而在大气外层下部,因为引力减弱且温度很高,逃逸速率下降而分子运动速度加快,氢(原子或离子)和氦气已经可以逃出大气层而进入太空,只是分子量较大的氧气、水汽、二氧化碳、氮气仍然逃逸不出去。

再往上到10000km高空,地球逃逸速度降低到7km/s,温度最高可达3000,空气主要成分的五倍分子运动速率都在7km/s以上,也就是说,在大气逃逸层上部,在理论上,几乎所有大气成分都是可以逃出地球的。但是,在2000km以上高度,是完全电离的磁力层,空气分子实际都不存在了,重原子也不存在,只剩下HHe两种原子。所以除了氢和氦,不存在空气逃逸地球的问题。

所以对于是否真有水分扩散逃逸出地球的问题,答案是否定的。原因是水分子根本到不了逃逸层。水分子只存在于电离层之下,被电离层分解而越不过电离层,不可能出现在电离层之上的逃逸层。

 

水汽是否会通过其他物理化学作用逃离地球?

进入电离层的水分子会被电离为氢离子和氢氧根离子,而氢离子很轻,是可以穿透电离层进入逃逸层、并进一步逃逸到星际空间的。地球内部的水分子虽然不能直接逃出地球,但是否会通过电离、损失氢离子的方式而减少呢?

据估算,地球每秒钟逃逸损失的氢有3kg,氦则有每秒50克。

不过,尽管地球上的氢在逃逸,但在几十亿年的地球史上水却没怎么减少。

一方面,在氢逃逸出地球的同时,太阳风、陨石也在不断给地球补充氢,使氢得到部分补充。

另一方面,尽管水分解的氢逃逸了,但剩下来的氧却可以跟氨、硫化氢、甲烷等反应,生成氮、硫酸、二氧化碳和水。正是氢逃逸、氧留存,使地球上的氧气逐渐增多,并氧化其他物质生成水,这样的机制使以水蒸气、氢、氦、氨、硫化氢、二氧化碳、甲烷为主的地球原始大气,逐渐变成以氮、氧、二氧化碳为主的地球现代大气,并形成了海洋,才有了适宜人类生存的生机勃勃的地球。

不过,现在地球上大气中的氢已经很少。如果氢的逃逸主要依靠水分子自然电离/人为电解来提供氢,而氧与其他物质反应生成水的数量抵不上电离/电解的水,那地球上的水就会因为氢的佚失而损失一部分。

 

总之,地球上的水,既不会因为水汽比重轻而上浮逃跑,也不会因为水分子扩散而逃逸,起关键作用的是大气暖层(电离层)使水分子分解成氢离子和氧离子,水分子被电离层阻隔而不能在电离层之上出现。同时,在地球原始大气氢很多的条件下,水分解后氢逃逸、留下氧来氧化其他物质生成水,使地球的水并没有因为电解氢流失而减少!




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