地球上的水會逃出地球嗎？

賈紹鳳

大家都知道由于地球引力的作用，自由落體狀態下的物體總是往下落，因此地球上的固態水、液態水是很難“逃離”地球的。

但是，地表的水會因蒸發、植物蒸騰或冰雪升華成為水汽而進入大氣，而水汽的密度比空氣密度低，水汽在靜止的空氣中有上浮的趨勢。正如我們看到的水滴非常小、與氣態水接近的白色蒸汽都是往上走而不是下沉。那么，水汽是否會一直浮升而逃出地球呢？氣體總有從密度高的地方向密度低的地方擴散的趨勢，近地面的水汽密度顯然高于幾近真空的星際空間的水汽密度，大氣中的水汽是否會因為擴散而掙脫地球引力的束縛跑到地球之外去呢？另外，是否存在水分子發生化學、物理變化后跑到地球之外而使地球上的水減少的可能呢？

大氣的分層結構與水汽的分布

水汽指空氣中氣態的水，而不包括空氣中狀態不穩定的液態的水（云、霧、雨）和固態的水（雪、霰、冰雹）?？諝庵械乃葷?，即水汽質量占空氣總質量的百分比，隨著空氣干濕的程度從0～4%變化很大。寒冷干燥地區的干燥季節水汽比濕幾近于零，熱帶多雨地區的多雨季節則會接近4%。

隨著空氣從地表到高空越來越稀薄，大氣中的水汽密度也從地面向高空逐步下降。觀測結果表明，在距地面1500～2000米處，水汽含量只及地面的1/2;在5000米處，只相當于地面的1/10，再往上則更少。水汽絕大部分集中在低層，有一半的水汽集中在2000米以下，3/4的水汽集中在4000米以下，10千米～12千米高度以下的水汽約占全部水汽總量的99%。

90%的大氣水汽都集中在對流層內。對流層的厚度在赤道附近有12千米厚，在兩極地區只有8000米。

自對流層頂部向上至55千米高度為平流層，其水汽含量已經極少。平流層形成機理與臭氧層密切相關。因紫外線的照射，位于平流層頂部的一部分氧分子被分解為氧原子，氧原子與未分解的氧分子結合生成臭氧，臭氧吸收大部分短波紫外線而升溫形成逆溫層。逆溫層的存在阻止了大氣的上下對流。

從平流層頂到85千米高度為中間層，大氣溫度隨高度上升而降低，層頂溫度可低至-100℃，是一個較弱的對流層。在距地面高度80千米左右，還有冰晶存在，這類冰晶顆粒的半徑一般為0.05～0.5微米。在曙光初現或暮色將盡時冰晶被太陽照射會形成呈淡藍色或銀灰色的夜光云。只有在高緯度地區的夏季才能見到夜光云。

從中間層頂到800千米高度為暖層。在270千米高度處，空氣密度約為地面空氣密度的百億分之一。暖層在300千米高度時的溫度高達1000℃以上。暖層又稱電離層，暖層中的氮、氧氣和氧原子等氣體成分，在強烈的太陽紫外線和宇宙射線作用下，已處于高度電離狀態。在電離層中，即使有水，也會被電離成氫離子和氫氧根離子，因此不可能存在水分子。

暖層頂部以上稱為外層，又稱逃逸層。這里的溫度很高，可達數千度;大氣已極其稀薄，其密度為海平面處的一億億分之一。它是大氣圈的最外層，沒有明顯的上界，而與星際空間相連。由于空氣十分稀薄，受地球引力作用較小，一些高速運動的大氣質點可因此脫離大氣圈，逸散到星際空間去。

水汽不會因為浮力而跑出地球

水汽到底會不會因為浮力而跑出地球呢？在了解了大氣的分層結構與水汽的分布之后，答案也就漸漸浮出水面了：浮力作用并不會使水汽逃出地球。具體的原因又是什么呢？

原因之一：水汽可以溶解于空氣。大部分水汽溶解于空氣而混為一體，水分子與其他空氣分子結合在一起，不會因為比重的不同而分層。

原因之二：大氣層中有溫度很低的區域，例如對流層上部的溫度可低至-80℃。在較冷的區域氣態水分子會凝結成液態水，甚至凝華為固態水，并相互合并成水滴、冰晶，當水滴、冰晶大到一定程度就會掉落下來。

原因之三：大氣層有逆溫層存在，包括平流層和電離層，都是上層溫度高而下層溫度低，溫度低的下層空氣密度更高，不可能靠浮力運動到密度低的上層。

原因之四：即使逃脫第一、第二、第三關，少數跑到電離層的水分子，也會被分解為氫離子和氫氧根離子。同時，氫離子和氫氧根離子的質量比水分子更小，所以即使少許漏網的水分子沒有被分解，也不會上浮到電離層以上。

因此，地球上的水分子不會因為質量小靠空氣浮力跑到電離層以上，也自然跑不出地球。

水汽不會因為分子擴散而跑出地球

如果水分子向外的分子擴散運動速度超過了該高度的地球逃逸速度，水分子就可以逃逸到太空。那么，地球大氣環境中的逃逸速度和分子擴散運動速度又是多少呢？

通過簡單計算我們可以得知，在地球表面逃逸速度為11.17千米/秒;大氣外層的底部在距離地面約1000千米高處，逃逸速度為10.4千米/秒;在距離地面10000千米高度，逃逸速度減小為7000米/秒。在室溫下，空氣分子的平均速率為461米/秒，相當于子彈的速度。在大氣逃逸層，溫度在1000℃以上，按1300K（K又稱開爾文，開爾文溫度=攝氏溫度+273.15）計算，空氣分子的平均速率可達到977米/秒。

分子運動的平均速率只是很多分子的速率的平均值，其中肯定有運動速率高于平均速率的分子。據統計，高于平均速率5倍的分子已經很少。所以，如果一種氣體的5倍平均速率低于逃逸速率，就可以認為該氣體達不到逃逸速度，逃不出星球的引力約束。

對比圖表中不同氣體的5倍平均速率與地球逃逸速率（地面11.17千米/秒，1000千米高空10.4千米/秒）可知，在近地面，所有氣體成分都不可能靠分子擴散運動逃離地球;在大氣外層下部，因為引力減弱且溫度很高，逃逸速率下降而分子運動速度加快，氫（原子或離子）和氦氣已經可以逃出大氣層而進入太空，只是分子量較大的氧氣、水汽、二氧化碳、氮氣仍然逃逸不出去。

再往上到10000千米高空，地球逃逸速度降低到7000米/秒，溫度最高可達3000℃，空氣主要成分的5倍分子運動速率都在7000米/秒以上。也就是說，在大氣逃逸層上部，在理論上，幾乎所有大氣成分都是可以逃出地球的。但是，在2000千米以上高度，是完全電離的逃逸層，實際上空氣分子都已經不存在了，重原子也不存在，只剩下氫、氦兩種原子。所以，除了氫和氦，不存在空氣從地球逃逸的問題。

所以，對于是否真有水分擴散逃逸出地球的問題，答案是否定的。原因是水分子根本到不了逃逸層。水分子只存在于電離層之下，被電離層分解而越不過電離層，不可能出現在電離層之上的逃逸層。

水汽是否會通過其他物理化學作用逃離地球

進入電離層的水分子會被電離為氫離子和氫氧根離子，而氫離子很輕，是可以穿透電離層進入逃逸層并進一步逃逸到星際空間的。地球內部的水分子雖然不能直接逃出地球，但是否會通過電離、損失氫離子的方式而減少呢？

據估算，地球每秒鐘逃逸損失的氫有3000克，氦則為每秒50克。不過，盡管地球上的氫在逃逸，但在幾十億年的地球史上水卻沒怎么減少。一方面，在氫逃逸出地球的同時，太陽風、隕石也在不斷給地球補充氫，使氫得到部分補充。另一方面，盡管水分解的氫逃逸了，但剩下來的氧卻可以跟氨、硫化氫、甲烷等反應，生成氮、硫酸、二氧化碳和水。正是氫逃逸和氧留存，使地球上的氧氣逐漸增多，并氧化其他物質生成水。這樣的機制使地球原始大氣逐漸變成以氮、氧、二氧化碳為主的地球現代大氣并形成了海洋，才有了適宜人類生存的生機勃勃的地球。

不過，現在地球上大氣中的氫已經很少。如果氫的逃逸主要依靠水分子電解來提供氫，而氧與其他物質反應生成水的總量抵不上電解的水，那么地球上的水就會因為氫的散失而損失一部分。

總之，地球上的水，既不會因為水汽比重輕而上浮逃跑，也不會因為水分子擴散而逃逸，起關鍵作用的是大氣電離層，它使水分子分解成氫離子和氫氧根離子，水分子被電離層阻隔而不能在電離層之上出現。同時，在地球原始大氣中，水分解后氫逃逸，留下氧來氧化其他物質生成水，這也使地球的水并沒有因為電解氫流失而減少！

【責任編輯】張小萌