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。
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