地球上水会散发到太空吗（会）

我们都知道，由于地球引力的作用，处于自由落体状态的物体总是下落，因此地球上的固体水和液态水很难“逃离”地球。

但由于蒸发、植物蒸腾或冰雪升华等原因，地表水会进入大气，水汽密度低于空气，水汽往往在静止的空气中上浮。我们可以看到，水滴非常小，靠近气态水的白色蒸汽上升而不是下沉。那么，水蒸气会一直上升并从地球逸出吗？气体总是从高密度向低密度扩散。地面附近的水汽密度明显高于近真空星际空间。大气中的水蒸气是否会脱离地球引力的束缚，奔向地球？另外，水分子在发生化学和物理变化后是否有可能离开地球，减少地球上的水量？

大气的分层结构与水汽的分布

水蒸气是指空气中的水，而不是空气中的液态水（云、雾、雨）和固体水（雪、霰、冰雹）。空气中水蒸气的比湿度，即水蒸气质量占总空气质量的百分比，随空气干燥湿度的0～4%而变化很大。干冷地区旱季的含水量几乎为零，而热带雨季的含水量接近4%。

随着空气从地面到高空越来越稀薄，大气中的蒸汽密度从地面到高空逐渐降低。结果表明，在距地面1500～2000米处，水汽含量仅为地面的1/2；在5000米处，水汽含量仅为地面的1/10，向上更是少之又少。大部分水汽集中在低层，一半水汽在2000米以下，3/4的水汽在4000米以下，10公里-12公里高度以下的水汽占总水汽的99%。

90%的大气水汽集中在对流层。赤道附近对流层厚12公里，极地地区只有8000米。

从对流层顶部到55公里处的平流层湿度很低。平流层的形成机制与臭氧层密切相关。由于紫外线辐射，平流层顶部的一部分氧分子被分解成氧原子。氧原子与未被消化的氧分子结合产生臭氧。臭氧吸收了大部分短波紫外线，加热后形成了逆温层。逆温层的存在阻碍了大气的上下对流。

大气温度随海拔升高而降低。平流层顶部的温度可低至-100℃，是一个弱对流层。在离地面大约80公里的地方有冰晶。这些冰晶的半径一般为0.05-0.5μM，当黎明或黄昏即将结束时，冰晶会暴露在阳光下，形成淡蓝色或银灰色的云。只有在高纬度的夏天才能看到夜光云。

暖层从中层顶部到800公里高。在270公里处，空气密度约为地面空气密度的10亿%。300公里高空暖层温度在1000℃以上。暖层也叫电离层。暖层中的氮、氧、氧原子在强紫外线和宇宙射线的作用下处于高度电离状态。在电离层中，即使有水，也会被电离成氢和氢氧化氢离子，因此水分子不可能存在。

温暖层的顶部称为外层，也称为逃逸层。这里的温度很高，高达数千度；大气层非常稀薄，海平面上的密度为10亿。它是大气层的最外层，没有明确的上限，与星际空间相连。由于空气非常稀薄，受地球引力的影响较小，一些高速运动的点可以从大气层逃逸到星际空间。

水汽不会因为浮力而跑出地球

水蒸气会因为浮力而从地球上逸出吗？在了解了大气分层和水汽分布后，答案逐渐浮出水面：浮力并不能使水汽从地球逸出。具体原因是什么？

原因之一：水蒸气能溶解在空气中。大部分的水蒸气溶解在空气中并混合成一个整体。水分子与其他空气分子结合，不会因比重不同而分层。

第二个原因是大气中有非常低的温度区，例如对流层上部的温度可以低至-80℃。在较冷的地区，气态水分子会凝结成液态水，甚至是固态水，并合并成水滴和冰晶。当水滴和冰晶足够大时，它们就会落下。

第三个原因是大气中存在一个逆温层，包括平流层和电离层。上层温度高于下层温度。温度较低的下层空气密度较高，不可能靠浮力向密度较低的上层移动。

第四个原因：即使我们逃出一、二、三级，少量进入电离层的水分子也会分解成氢离子和羟基离子。同时，氢离子和羟基离子的质量小于水分子的质量，因此即使少数水分子没有分解，也不会浮在电离层上方。

因此，地球上的水分子由于质量小，不会靠空气浮力在电离层上方运行，自然也不会从地球上逃逸。

水汽不会因为分子扩散而跑出地球

如果水分子向外扩散的速度超过地球的逃逸速度，水分子就可以逃往太空。地球大气环境中的逃逸速度和分子扩散速度是多少？

通过简单计算可知，地球表面的逃逸速度为11.17km/s；大气外层底部距地面约1000km，逃逸速度为10.4km/s；在离地10000 km高度时，逃逸速度降低到7000 m/s，在室温下，平均速度为空气分子是461米/秒，相当于子弹的速度。在大气逃逸层中，当温度高于1000℃和1300k（k也称为开尔文，开尔文温度=摄氏温度+273.15）时，空气分子的平均速度可达977m/s。

分子运动的平均速度只是许多分子速度的平均值，其中一定有运动速率高于平均速度的分子。据统计，很少有分子的速度高于平均速度的5倍。因此，如果气体的平均速度比逃逸率低5倍，就可以认为气体无法达到逃逸速度，无法脱离行星的引力约束。

将图表中不同气体的5倍平均速度与地球的逃逸率（地面11.17公里/秒，1000公里/秒时10.4公里/秒）进行比较，可以看出，所有气体成分都无法通过近地面的分子扩散逃逸；在大气外层的下部，由于重力和高温作用下，逃逸率降低，分子运动速度加快。氢（原子或离子）和氦可以从大气中逸出进入太空，但分子量较大的氧、水蒸气、二氧化碳和氮气仍然无法逃逸。

再延长到10000公里，地球的逃逸速度将降低到7000米/秒，最高气温可达3000摄氏度。空气中主要成分的分子速度大于7000 m/s，也就是说，在大气逃逸层的上部，理论上几乎所有的大气成分都能从地球逸出。然而，在2000公里以上，它是一个完全电离的逃逸层。事实上，空气分子已经不存在，重原子也不存在。只剩下氢和氦原子。因此，除了氢气和氦气外，没有空气从地球逸出的问题。

因此，对于地球上是否存在水扩散逃逸的问题，答案是否定的，原因是水分子根本无法到达逃逸层。水分子只存在于电离层下，被电离层分解，不能出现在电离层上方的逃逸层中。

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将电离成氢离子和羟基离子。氢离子非常轻，能穿透电离层进入逃逸层，进一步逃逸到星际空间。虽然地球内部的水分子不能直接从地球上逃逸，但它们会不会被电离和氢离子的损失所减少？

据估计，地球每秒损失3000克氢，每秒损失50克氦。但是，尽管氢正在逸出，但在地球历史上数十亿年来，水并没有大幅度减少。一方面，随着氢从地球上逸出，太阳风和陨石不断地向地球补充氢，使氢得到部分补充。另一方面，水分解的氢虽然逸出，但剩余的氧可以与氨、硫化氢、甲烷反应形成氮、硫酸、二氧化碳和水。正是氢的逸出和氧的保留，逐渐增加了地球上的氧含量，氧化其他物质形成水。这种机制使地球原始大气逐渐成为以氮、氧和二氧化碳为主导的现代大气，形成海洋。只有这样，我们才能拥有一个适合人类生存的充满活力的地球。

然而，现在地球大气层中的氢很少。如果氢的逸出主要依靠电解水分子提供氢，而氧等物质的反应产生的总水量不等于电解水，那么地球上的部分水会因氢气的流失而流失。

总之，地球的水不会因为水汽的重量而浮起来和逃逸，也不会因为水分子的扩散而逃逸。其中最关键的作用是大气电离层，它将水分子分解成氢离子和羟基离子。水分子被电离层阻挡，不能出现在电离层上方。同时，在地球原始大气中，氢在水分解后逸出，留下氧气氧化其他物质形成水，这也使得地球的水不会因电解氢的损失而减少！