【谈天说地】水会逃出地球吗？

水会逃出地球吗？来源：中国气象报　　　发布时间：2015-06-04　　要回答这个问题，需要...

要回答这个问题，需要先了解一下大气的分层结构。　　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？

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。

（来源：中国气象报

作者简介：贾绍凤，中国科学院地理科学与资源研究所研究员。责任编辑：叶海英）

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