登录 | 在线报名 | 帮助中心 欢迎访问 武进洛阳成校

水会逃出地球吗?

武进区洛阳镇成人教育中心校

356bet体育手机投注

水会逃出地球吗?

来源:学生会 作者: 时间:2015-11-12 Tag:


水会逃出地球吗?

  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,水会因蒸发、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,在静止空气中有上浮的趋势,那么,水汽是否会一直浮升而逃走呢?

  要回答这个问题,需要先了解一下大气的分层结构。

  大气低层,也就是对流层,是绝大部分水汽集中的地方,90%的大气水汽都集中在对流层内。

  自对流层顶向上至55公里高度的平流层,水汽含量已经极少。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,再与未分解的氧分子结合生成臭氧,吸收大部分短波紫外线而升温形成逆温层。逆温层的存在阻止了大气的上下对流。

  从平流层顶到85公里高度为中间层,水在这里只有少量以冰晶形式存在。从中间层顶到800公里高度为暖层,又称电离层。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,大气极其稀薄,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,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。

  这些层级,犹如重重关卡,在这样的结构中,水汽是不会因浮力而逃出地球的。水汽可以溶解于空气,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上升。另外,在大气层中,存在温度很低的区域,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。最后,大气层有逆温层存在,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。

  即使存在逃脱这层层关卡,跑到电离层的水分子,也会被分解为氢离子和氢氧根离子。它们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。

  水分子不能借助浮力逃逸,那么通过分子扩散运动是否有可能进入太空呢?在一定高度,确实存在着可逃离地球的逃逸速度。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。

  在近地面,地球逃逸速度要求很高,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,逃逸速度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10000千米高空,地球逃逸速度降低到7千米/秒,温度最高可达3000℃,理论上几乎所有大气成分都是可以逃出地球的。但是,在2000千米以上高度,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,只剩下氢、氦两种原子。所以除了氢和氦,不存在空气逃逸地球的问题。通过分子扩散运动,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。

  于是,下一个问题也来了: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3千克,氦则有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,使氢得到恢复。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。如果氢主要依靠水分子自然电离和人为电解来提供,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流失而损失一部分。




友情链接