地球上的水会逃出地球吗？

贾绍凤

大家都知道由于地球引力的作用，自由落体状态下的物体总是往下落，因此地球上的固态水、液态水是很难“逃离”地球的。

但是，地表的水会因蒸发、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，水汽在静止的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蒸汽都是往上走而不是下沉。那么，水汽是否会一直浮升而逃出地球呢？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呢？另外，是否存在水分子发生化学、物理变化后跑到地球之外而使地球上的水减少的可能呢？

大气的分层结构与水汽的分布

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比，随着空气干湿的程度从0～4%变化很大。寒冷干燥地区的干燥季节水汽比湿几近于零，热带多雨地区的多雨季节则会接近4%。

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1500～2000米处，水汽含量只及地面的1/2;在5000米处，只相当于地面的1/10，再往上则更少。水汽绝大部分集中在低层，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。对流层的厚度在赤道附近有12千米厚，在两极地区只有8000米。

自对流层顶部向上至55千米高度为平流层，其水汽含量已经极少。平流层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。逆温层的存在阻止了大气的上下对流。

从平流层顶到85千米高度为中间层，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。在距地面高度80千米左右，还有冰晶存在，这类冰晶颗粒的半径一般为0.05～0.5微米。在曙光初现或暮色将尽时冰晶被太阳照射会形成呈淡蓝色或银灰色的夜光云。只有在高纬度地区的夏季才能见到夜光云。

从中间层顶到800千米高度为暖层。在270千米高度处，空气密度约为地面空气密度的百亿分之一。暖层在300千米高度时的温度高达1000℃以上。暖层又称电离层，暖层中的氮、氧气和氧原子等气体成分，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。

暖层顶部以上称为外层，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

水汽到底会不会因为浮力而跑出地球呢？在了解了大气的分层结构与水汽的分布之后，答案也就渐渐浮出水面了：浮力作用并不会使水汽逃出地球。具体的原因又是什么呢？

原因之一：水汽可以溶解于空气。大部分水汽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：大气层有逆温层存在，包括平流层和电离层，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，水分子就可以逃逸到太空。那么，地球大气环境中的逃逸速度和分子扩散运动速度又是多少呢？

通过简单计算我们可以得知，在地球表面逃逸速度为11.17千米/秒;大气外层的底部在距离地面约1000千米高处，逃逸速度为10.4千米/秒;在距离地面10000千米高度，逃逸速度减小为7000米/秒。在室温下，空气分子的平均速率为461米/秒，相当于子弹的速度。在大气逃逸层，温度在1000℃以上，按1300K（K又称开尔文，开尔文温度=摄氏温度+273.15）计算，空气分子的平均速率可达到977米/秒。

分子运动的平均速率只是很多分子的速率的平均值，其中肯定有运动速率高于平均速率的分子。据统计，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。

对比图表中不同气体的5倍平均速率与地球逃逸速率（地面11.17千米/秒，1000千米高空10.4千米/秒）可知，在近地面，所有气体成分都不可能靠分子扩散运动逃离地球;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10000千米高空，地球逃逸速度降低到7000米/秒，温度最高可达3000℃，空气主要成分的5倍分子运动速率都在7000米/秒以上。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2000千米以上高度，是完全电离的逃逸层，实际上空气分子都已经不存在了，重原子也不存在，只剩下氢、氦两种原子。所以，除了氢和氦，不存在空气从地球逃逸的问题。

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3000克，氦则为每秒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。正是氢逃逸和氧留存，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电解来提供氢，而氧与其他物质反应生成水的总量抵不上电解的水，那么地球上的水就会因为氢的散失而损失一部分。

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电离层，它使水分子分解成氢离子和氢氧根离子，水分子被电离层阻隔而不能在电离层之上出现。同时，在地球原始大气中，水分解后氢逃逸，留下氧来氧化其他物质生成水，这也使地球的水并没有因为电解氢流失而减少！

【责任编辑】张小萌