温室气体为什么难以离开地球

张俊岭 熊建文

(华南师范大学 广东 广州 510006)

人们对温室效应的关注由来已久，随着相关研究的开展与深入，我们对它的了解越来越全面．但是，为什么温室气体可以长期的积累在大气中，而不是及时逃逸出地球大气呢？以温室气体CO2为例进行简要分析与说明．

1 气体逃逸地球大气的条件

式中k是一个普适常量——波尔兹曼常量．再根据高斯积分

计算出代表体系能量量度的方均根速率为

万有引力阻止地球上的气体逃脱，而分子的热运动促使气体向外逸散，上面计算出的两个速度

和

(1)

已经有资料表明，K值在6～8之间未能阻止H2和He的逃离，而K值大到22～24时能很好的将N2和O2留住[1]．再结合地球上其他气体的情况，一般认为，气体离开地球向外逃离的条件是稳定系数K值小于10．

2 温室气体的K值随高度的变化规律

根据稳定系数K的公式判定，影响某一种气体分子K值的因素有：距离地心的距离r和所处温度T．另外，大气的垂直结构告诉我们，距离地面的高度不同，温度的变化也不同．依据中纬地区大气的垂直结构分析温室气体CO2的K值的变化规律．

依据地球大气温度的垂直分布将大气圈分为5层，即对流层、平流层、中间层、热层和逸散层．自地面至高空11 km左右为对流层，大气温度随高度递减，其平均递减率大约为0.006 4 K/m[2]．假设地球表面大气温度为287 K，则对流层范围内气体温度T=287-0.006 4h，式中h是距离地面的高度．结合r=6.37×106+h，将T和r代入式(1)，可得对流层范围内系数K的公式

先求解出括号内二次函数的对称轴

再根据函数的增减性判断，当h≥-3.16×106m时，K值随h的增大而增大，当h从零升高到11 km，计算出K值从27.75增大到31.99．

离开对流层顶至约50 km高度为平流层．平流层内11～20 km间为等温层，温度基本保持在216 K，该空间内

根据此时K的公式分析，随着高度增加K值有所下降，在20 km处下降为31.91．从20 km上升到32 km高度的过程中，温度逐渐增加到230 K左右，根据公式计算得K值下降到31.02．而在32～47 km高度间由于臭氧含量减少，太阳紫外线辐射作用增强，温度随高度迅速升高至270 K，K值经计算最小为28.50．

进入中间层，气温随高度增高而迅速降低，经过计算与比较，K值随高度及温度出现表1所示变化．

表1 K值随高度及温度变化表

地面以上约80～500 km高度范围，叫做热层．这个高度范围内，大气温度先是不变，后随高度增加迅速升温．热层的等温层出现在约80～90 km高度内，K值随高度增加略有下降．90 km高度以上温度迅速增加，气体稳定系数

在高度和温度的影响下迅速下降．在300 km处，假设温度是1 273 K，代入式(1)计算得K值约等于13.03．由于实际温度已经超过1 273 K，因此K的实际值要小于13．如此推算，当到达热层层顶，K值很可能不足以10甚至是9．根据1中所得气体离开地球的条件推测，CO2到达这个高度后就很容易克服地球引力逃离到上层大气中．

根据对热层的分析，到达逸散层的CO2气体，因温度和高度的增加稳定系数更低，更容易向外逸散，最终该层CO2极其稀薄．

3 温室气体不容易离开地球

依据以上分析、计算，处理相关数据，得到中纬地区温室气体CO2的K值随高度变化的趋势图，如

图1所示．

图1 CO2的K值随高度的变化规律

图1显示的信息与我们上述分析一致，CO2的K值在不同高度空间呈现不同的变化趋势．在11 km和79 km两个高度左右出现了K的峰值，分别是31.99和34.89．图1还告诉我们从地面到热层的整个范围内，K值均大于25，直到热层的上层K值大小才满足气体逃离的条件，CO2气体分子可以离开原来的高度进入到上层大气中．也就是说，出现在地面至热层上层空间内的CO2气体，能足够稳定地被地球引力留住而不致向外逃离出去．不过，若产生的CO2气体因此得不到向上运动的机会，那么出现在上层大气中的CO2气体又是怎么回事呢？按麦克斯韦速率分布解释，气体中速率大过，甚至远大于方均根速率的分子，依然可以摆脱地球引力逃脱到上层大气中．即使这样，CO2气体分子想要离开地球也不是一件容易的事情，例如在保住大气总质量80%的对流层内，距离地面越远K值越大，这表明地球引力在CO2分子向上运动过程中的阻力作用越来越强，随着高度的增加，只有越来越少的气体能够克服引力作用，最终穿过对流层进入平流层，逐渐向外层大气逃去．

上面以CO2为例，通过分析，比较它们稳定系数K的变化规律，了解到由于地球引力的作用，温室气体能够在大气层特别是对流层内稳定存在．利用同样的方法，也可以分析其他温室气体的空间分布规律，例如CH4和O3．尽管由于分子量不同气体随高度的具体分布会有所不同，但垂直结构的分布规律是相同的．如此一来，温室气体由于不容易逃离地球大气而大量积累，使得温室效应不断恶化．

参考文献

1 赵凯华，罗蔚茵．新概念物理教程·热学．北京：高等教育出版社，2005

2 约翰·M·华莱士，彼得·V·霍布斯著．大气科学．何金海，等译．北京：科学出版社，2008