溫室氣體為什么難以離開地球

張俊嶺 熊建文

(華南師范大學 廣東 廣州 510006)

人們對溫室效應的關注由來已久，隨著相關研究的開展與深入，我們對它的了解越來越全面．但是，為什么溫室氣體可以長期的積累在大氣中，而不是及時逃逸出地球大氣呢？以溫室氣體CO2為例進行簡要分析與說明．

1 氣體逃逸地球大氣的條件

式中k是一個普適常量——波爾茲曼常量．再根據高斯積分

計算出代表體系能量量度的方均根速率為

萬有引力阻止地球上的氣體逃脫，而分子的熱運動促使氣體向外逸散，上面計算出的兩個速度

和

(1)

已經有資料表明，K值在6～8之間未能阻止H2和He的逃離，而K值大到22～24時能很好的將N2和O2留住[1]．再結合地球上其他氣體的情況，一般認為，氣體離開地球向外逃離的條件是穩定系數K值小于10．

2 溫室氣體的K值隨高度的變化規律

根據穩定系數K的公式判定，影響某一種氣體分子K值的因素有：距離地心的距離r和所處溫度T．另外，大氣的垂直結構告訴我們，距離地面的高度不同，溫度的變化也不同．依據中緯地區大氣的垂直結構分析溫室氣體CO2的K值的變化規律．

依據地球大氣溫度的垂直分布將大氣圈分為5層，即對流層、平流層、中間層、熱層和逸散層．自地面至高空11 km左右為對流層，大氣溫度隨高度遞減，其平均遞減率大約為0.006 4 K/m[2]．假設地球表面大氣溫度為287 K，則對流層范圍內氣體溫度T=287-0.006 4h，式中h是距離地面的高度．結合r=6.37×106+h，將T和r代入式(1)，可得對流層范圍內系數K的公式

先求解出括號內二次函數的對稱軸

再根據函數的增減性判斷，當h≥-3.16×106m時，K值隨h的增大而增大，當h從零升高到11 km，計算出K值從27.75增大到31.99．

離開對流層頂至約50 km高度為平流層．平流層內11～20 km間為等溫層，溫度基本保持在216 K，該空間內

根據此時K的公式分析，隨著高度增加K值有所下降，在20 km處下降為31.91．從20 km上升到32 km高度的過程中，溫度逐漸增加到230 K左右，根據公式計算得K值下降到31.02．而在32～47 km高度間由于臭氧含量減少，太陽紫外線輻射作用增強，溫度隨高度迅速升高至270 K，K值經計算最小為28.50．

進入中間層，氣溫隨高度增高而迅速降低，經過計算與比較，K值隨高度及溫度出現表1所示變化．

表1 K值隨高度及溫度變化表

地面以上約80～500 km高度范圍，叫做熱層．這個高度范圍內，大氣溫度先是不變，后隨高度增加迅速升溫．熱層的等溫層出現在約80～90 km高度內，K值隨高度增加略有下降．90 km高度以上溫度迅速增加，氣體穩定系數

在高度和溫度的影響下迅速下降．在300 km處，假設溫度是1 273 K，代入式(1)計算得K值約等于13.03．由于實際溫度已經超過1 273 K，因此K的實際值要小于13．如此推算，當到達熱層層頂，K值很可能不足以10甚至是9．根據1中所得氣體離開地球的條件推測，CO2到達這個高度后就很容易克服地球引力逃離到上層大氣中．

根據對熱層的分析，到達逸散層的CO2氣體，因溫度和高度的增加穩定系數更低，更容易向外逸散，最終該層CO2極其稀?。?/p>

3 溫室氣體不容易離開地球

依據以上分析、計算，處理相關數據，得到中緯地區溫室氣體CO2的K值隨高度變化的趨勢圖，如

圖1所示．

圖1 CO2的K值隨高度的變化規律

圖1顯示的信息與我們上述分析一致，CO2的K值在不同高度空間呈現不同的變化趨勢．在11 km和79 km兩個高度左右出現了K的峰值，分別是31.99和34.89．圖1還告訴我們從地面到熱層的整個范圍內，K值均大于25，直到熱層的上層K值大小才滿足氣體逃離的條件，CO2氣體分子可以離開原來的高度進入到上層大氣中．也就是說，出現在地面至熱層上層空間內的CO2氣體，能足夠穩定地被地球引力留住而不致向外逃離出去．不過，若產生的CO2氣體因此得不到向上運動的機會，那么出現在上層大氣中的CO2氣體又是怎么回事呢？按麥克斯韋速率分布解釋，氣體中速率大過，甚至遠大于方均根速率的分子，依然可以擺脫地球引力逃脫到上層大氣中．即使這樣，CO2氣體分子想要離開地球也不是一件容易的事情，例如在保住大氣總質量80%的對流層內，距離地面越遠K值越大，這表明地球引力在CO2分子向上運動過程中的阻力作用越來越強，隨著高度的增加，只有越來越少的氣體能夠克服引力作用，最終穿過對流層進入平流層，逐漸向外層大氣逃去．

上面以CO2為例，通過分析，比較它們穩定系數K的變化規律，了解到由于地球引力的作用，溫室氣體能夠在大氣層特別是對流層內穩定存在．利用同樣的方法，也可以分析其他溫室氣體的空間分布規律，例如CH4和O3．盡管由于分子量不同氣體隨高度的具體分布會有所不同，但垂直結構的分布規律是相同的．如此一來，溫室氣體由于不容易逃離地球大氣而大量積累，使得溫室效應不斷惡化．

參考文獻

1 趙凱華，羅蔚茵．新概念物理教程·熱學．北京：高等教育出版社，2005

2 約翰·M·華萊士，彼得·V·霍布斯著．大氣科學．何金海，等譯．北京：科學出版社，2008