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大氣層一直在逃逸到太空?地球空氣需要多久才能逃逸完

SUNSHINEhzl發表於 2019-10-23 12:53:25
地球上的空氣當然在流入太空,而且一直在向太空逃逸。只不過對于整個濃厚的大氣層來說,數量顯得微不足道。由于地球是個巨大的物質體,能夠對周邊的物質形成引力場。在引力場中,空氣被牢牢地吸引住了,並在地球磁場的保護下,形成了數千公里的大氣圈。
氣體的密度隨著距離地面的高度增加而減少。科學家們曾經在探空火箭的幫助下,發現遠離地面3000公里的高空,仍發現有稀薄的大氣。有人認為,大氣圈的邊界,可能延伸到離地面6400公里左右。
地球上的大氣圈一般分為對流層、平流層、中間層、熱層(暖層)和逃逸層(散逸層)。
對流層最貼近地面,大氣活動劇烈,風雨雷電都發生在這一層。這一層的厚度約為16公里左右,極地與赤道地區厚度相差很大。溫度隨著高度而降低。平流層距離地面約50公里,大氣比較穩定,臭氧層就在這一層,溫度隨著高度而升高。

大氣層一直在逃逸到太空?地球空氣需要多久才能逃逸完

中間層距離地表80公里左右。高度增加,溫度會降低。進入大氣層的流星,基本上都被燒毀在這一層。熱層是從80公里到500公里的大氣圈,這一層溫度極高,隨著高度的增加而迅速升溫。逃逸層在熱層以上,這層空氣在太陽的紫外線和宇宙射線的作用下,大部分會發生電離現象。逃逸層空氣極為稀薄,最高處其密度與太空密度相同。由于這里的空氣受地心引力影響很小,氣體可以從這層飛出地球引力範圍,而進入太空。
當然,空氣中的各類氣體分子由于摩爾質量的不同,能夠逃逸到太空的比例是不同的,氫氣和氦氣的質量較小,所以,最容易逃離成功。而二氧化碳、氬氣、氮氣、氧氣和水蒸氣等,因其摩爾質量較重,逃逸的就很少。所以,地球大氣圈里,氮氣、氧氣和二氧化碳的比重非常之大,氫氣幾乎消失不見了。
目前科學家們對于逃逸層的上界,還沒有統一看法。而實際上,散逸層從地球到太空是個逐漸過渡的過程,並沒有明確的界限。

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地球的空氣
我們都知道是圍繞在地球外圍的,其主要的原因就是地球的引力作用,雖然空氣質量很輕,但它總歸有質量,因此空氣和地球之間也就存在著引力作用。
所以這也就解釋了為什麼海拔越高空氣越稀薄,很大的原因就是隨著距離增加引力就會變小。那麼當到達一定高度後,空氣成分中比較輕的氣體自然會“逃出”地球,去見識外面的花花世界。
雖然每年逃逸到太空的大氣約幾十萬噸,和空氣總質量約6000萬億噸來比就顯得九牛一毛了,更不用說地球這個巨大的生態圈會彌補這一損失。

大氣層一直在逃逸到太空?地球空氣需要多久才能逃逸完

從計算來看氫氣的逃逸過程
我們都知道不同氣體的摩爾質量是不同的,而氣體分子在無時無刻做著熱運動,具有動能,使氣體分子散逸,另一方面又受地球引力的作用,該作用阻止氣體分子逃出大氣層。這兩個過程相互制約,但對于不同的分子效果不同。
所以我們將氣體分子能夠擺脫地球引力作用擴散到太空中去所具有的速度叫逃逸速度。接下來我們就粗略計算下︰
首先給出氫氣和氧氣的摩爾質量︰

大氣層一直在逃逸到太空?地球空氣需要多久才能逃逸完

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然後算出兩種氣體的平方根速率(氣體分子速率不同,我們只能用平方根速率來定性考慮)

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可以看出明顯氫氣的速率大得多!而逃逸速度大小可通過分子熱運動動能等于相對無窮遠的引力勢能求出!最後我們把氣體在大氣中的逃逸速度與方均根速率數值加以比較,便可對上述問題加以說明,二者之比為︰

大氣層一直在逃逸到太空?地球空氣需要多久才能逃逸完

代入具體數值可以得到各種氣體的K值︰氫氣:5.88 氧氣:23.53 水蒸氣:17.65 氦氣:8.32 氮氣:22.0 氬氣:26.31 二氧化碳:27.59!明顯會發現氫氣與氦氣最小,這也就是為什麼大氣中氫氣與氦氣含量特別低的原因之一。
據估計,地球大氣總重約6000萬億噸,每年逃逸到太空的大氣約幾十萬噸,就算地球大氣不再補充,都足夠地球逃逸數百億年。而且對于部分氣體,地球還能通過生物鏈,把地面以下的元素轉為為空氣成分,但是總的來說,地球每年擴散掉的氣體,相對于總體來說是很少的。所以,人類可以說是生活在地表上,也可以說是生活在地球大氣圈內部。

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