溫室氣體為什么難以離開(kāi)地球

張俊嶺 熊建文

(華南師范大學(xué) 廣東 廣州 510006)

人們對(duì)溫室效應(yīng)的關(guān)注由來(lái)已久，隨著相關(guān)研究的開(kāi)展與深入，我們對(duì)它的了解越來(lái)越全面．但是，為什么溫室氣體可以長(zhǎng)期的積累在大氣中，而不是及時(shí)逃逸出地球大氣呢？以溫室氣體CO2為例進(jìn)行簡(jiǎn)要分析與說(shuō)明．

1 氣體逃逸地球大氣的條件

式中k是一個(gè)普適常量——波爾茲曼常量．再根據(jù)高斯積分

計(jì)算出代表體系能量量度的方均根速率為

萬(wàn)有引力阻止地球上的氣體逃脫，而分子的熱運(yùn)動(dòng)促使氣體向外逸散，上面計(jì)算出的兩個(gè)速度

和

(1)

已經(jīng)有資料表明，K值在6～8之間未能阻止H2和He的逃離，而K值大到22～24時(shí)能很好的將N2和O2留住[1]．再結(jié)合地球上其他氣體的情況，一般認(rèn)為，氣體離開(kāi)地球向外逃離的條件是穩(wěn)定系數(shù)K值小于10．

2 溫室氣體的K值隨高度的變化規(guī)律

根據(jù)穩(wěn)定系數(shù)K的公式判定，影響某一種氣體分子K值的因素有：距離地心的距離r和所處溫度T．另外，大氣的垂直結(jié)構(gòu)告訴我們，距離地面的高度不同，溫度的變化也不同．依據(jù)中緯地區(qū)大氣的垂直結(jié)構(gòu)分析溫室氣體CO2的K值的變化規(guī)律．

依據(jù)地球大氣溫度的垂直分布將大氣圈分為5層，即對(duì)流層、平流層、中間層、熱層和逸散層．自地面至高空11 km左右為對(duì)流層，大氣溫度隨高度遞減，其平均遞減率大約為0.006 4 K/m[2]．假設(shè)地球表面大氣溫度為287 K，則對(duì)流層范圍內(nèi)氣體溫度T=287-0.006 4h，式中h是距離地面的高度．結(jié)合r=6.37×106+h，將T和r代入式(1)，可得對(duì)流層范圍內(nèi)系數(shù)K的公式

先求解出括號(hào)內(nèi)二次函數(shù)的對(duì)稱軸

再根據(jù)函數(shù)的增減性判斷，當(dāng)h≥-3.16×106m時(shí)，K值隨h的增大而增大，當(dāng)h從零升高到11 km，計(jì)算出K值從27.75增大到31.99．

離開(kāi)對(duì)流層頂至約50 km高度為平流層．平流層內(nèi)11～20 km間為等溫層，溫度基本保持在216 K，該空間內(nèi)

根據(jù)此時(shí)K的公式分析，隨著高度增加K值有所下降，在20 km處下降為31.91．從20 km上升到32 km高度的過(guò)程中，溫度逐漸增加到230 K左右，根據(jù)公式計(jì)算得K值下降到31.02．而在32～47 km高度間由于臭氧含量減少，太陽(yáng)紫外線輻射作用增強(qiáng)，溫度隨高度迅速升高至270 K，K值經(jīng)計(jì)算最小為28.50．

進(jìn)入中間層，氣溫隨高度增高而迅速降低，經(jīng)過(guò)計(jì)算與比較，K值隨高度及溫度出現(xiàn)表1所示變化．

表1 K值隨高度及溫度變化表

地面以上約80～500 km高度范圍，叫做熱層．這個(gè)高度范圍內(nèi)，大氣溫度先是不變，后隨高度增加迅速升溫．熱層的等溫層出現(xiàn)在約80～90 km高度內(nèi)，K值隨高度增加略有下降．90 km高度以上溫度迅速增加，氣體穩(wěn)定系數(shù)

在高度和溫度的影響下迅速下降．在300 km處，假設(shè)溫度是1 273 K，代入式(1)計(jì)算得K值約等于13.03．由于實(shí)際溫度已經(jīng)超過(guò)1 273 K，因此K的實(shí)際值要小于13．如此推算，當(dāng)?shù)竭_(dá)熱層層頂，K值很可能不足以10甚至是9．根據(jù)1中所得氣體離開(kāi)地球的條件推測(cè)，CO2到達(dá)這個(gè)高度后就很容易克服地球引力逃離到上層大氣中．

根據(jù)對(duì)熱層的分析，到達(dá)逸散層的CO2氣體，因溫度和高度的增加穩(wěn)定系數(shù)更低，更容易向外逸散，最終該層CO2極其稀薄．

3 溫室氣體不容易離開(kāi)地球

依據(jù)以上分析、計(jì)算，處理相關(guān)數(shù)據(jù)，得到中緯地區(qū)溫室氣體CO2的K值隨高度變化的趨勢(shì)圖，如

圖1所示．

圖1 CO2的K值隨高度的變化規(guī)律

圖1顯示的信息與我們上述分析一致，CO2的K值在不同高度空間呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)．在11 km和79 km兩個(gè)高度左右出現(xiàn)了K的峰值，分別是31.99和34.89．圖1還告訴我們從地面到熱層的整個(gè)范圍內(nèi)，K值均大于25，直到熱層的上層K值大小才滿足氣體逃離的條件，CO2氣體分子可以離開(kāi)原來(lái)的高度進(jìn)入到上層大氣中．也就是說(shuō)，出現(xiàn)在地面至熱層上層空間內(nèi)的CO2氣體，能足夠穩(wěn)定地被地球引力留住而不致向外逃離出去．不過(guò)，若產(chǎn)生的CO2氣體因此得不到向上運(yùn)動(dòng)的機(jī)會(huì)，那么出現(xiàn)在上層大氣中的CO2氣體又是怎么回事呢？按麥克斯韋速率分布解釋，氣體中速率大過(guò)，甚至遠(yuǎn)大于方均根速率的分子，依然可以擺脫地球引力逃脫到上層大氣中．即使這樣，CO2氣體分子想要離開(kāi)地球也不是一件容易的事情，例如在保住大氣總質(zhì)量80%的對(duì)流層內(nèi)，距離地面越遠(yuǎn)K值越大，這表明地球引力在CO2分子向上運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的阻力作用越來(lái)越強(qiáng)，隨著高度的增加，只有越來(lái)越少的氣體能夠克服引力作用，最終穿過(guò)對(duì)流層進(jìn)入平流層，逐漸向外層大氣逃去．

上面以CO2為例，通過(guò)分析，比較它們穩(wěn)定系數(shù)K的變化規(guī)律，了解到由于地球引力的作用，溫室氣體能夠在大氣層特別是對(duì)流層內(nèi)穩(wěn)定存在．利用同樣的方法，也可以分析其他溫室氣體的空間分布規(guī)律，例如CH4和O3．盡管由于分子量不同氣體隨高度的具體分布會(huì)有所不同，但垂直結(jié)構(gòu)的分布規(guī)律是相同的．如此一來(lái)，溫室氣體由于不容易逃離地球大氣而大量積累，使得溫室效應(yīng)不斷惡化．

參考文獻(xiàn)

1 趙凱華，羅蔚茵．新概念物理教程·熱學(xué)．北京：高等教育出版社，2005

2 約翰·M·華萊士，彼得·V·霍布斯著．大氣科學(xué)．何金海，等譯．北京：科學(xué)出版社，2008