田原　成海柱

摘 要：根據(jù)目前科學(xué)上公認(rèn)的基本理論和基本數(shù)據(jù)，證明了地球上超過20 km高度以上的水發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，得出地球上的水在緩慢減少。水能夠被波長小于258 nm的紫外線光解，而在臭氧層高度（20～50 km）存在能夠把氧氣光解且波長小于241 nm的紫外線，所以一定能夠?qū)⑺魵夤饨猓ü饨庋鯕獗裙饨馑璧哪芰扛撸?/p>

關(guān)鍵詞：光化學(xué)反應(yīng)；臭氧層高度；水循環(huán)；夜光云

中圖分類號(hào)：P33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.18.047

目前，科學(xué)上普遍認(rèn)為，水循環(huán)是指地球上不同地方的水通過吸收太陽的能量，改變狀態(tài)到地球上另外一個(gè)地方。在整個(gè)過程中，水量保持平衡，地球上的總水量在很長的歷史時(shí)期內(nèi)保持不變。而從現(xiàn)實(shí)觀測結(jié)果、理論可以間接推斷，地球上的水從地球誕生時(shí)起在極為緩慢地減少。這個(gè)狀態(tài)會(huì)一直延續(xù)下去。本文將從20 km高度以上大氣中的水研究入手，對水是如何緩慢減少的問題進(jìn)行探討。

1 水情況簡介

地球上的水很多很多，據(jù)估計(jì)，水的總體積約為1.38×109 km3。如果將這些水平均分布于地球表面，相當(dāng)于地球整個(gè)表面覆蓋著一層平均深度為2 650 m的水。

水循環(huán)是指地球上不同地方的水通過吸收太陽的能量，改變狀態(tài)到地球上另外一個(gè)地方，例如，地面的水分被太陽蒸發(fā)成為空氣中的水蒸氣。水在地球的狀態(tài)包括固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。地球上的水多數(shù)存在于大氣層、地面、地底、湖泊、河流及海洋中。水會(huì)通過一些物理作用，例如蒸發(fā)、降水、滲透、表面流動(dòng)和地底流動(dòng)等由一個(gè)地方移動(dòng)到另一個(gè)地方。圖1為水由河川流動(dòng)至海洋。

地球上水的分布，據(jù)蘇聯(lián)科學(xué)家計(jì)算，每年以雨、雪、霜、雹等形式降到地球上的總水量為5.5×105 km3，他們對地球上各種水進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查，每年水循環(huán)量為總量的4/10 000.

2 光解水反應(yīng)的理論判據(jù)

地球上大氣中的水，超過99%的集中在對流層，有1%的水能夠上升到對流層上方的區(qū)域。已知?dú)溲蹑I的鍵能為463/（kJ/mol）=4.8 eV（E=1 240/λ），即波長小于258 nm的紫外線就能夠?qū)溲蹑I激發(fā)斷裂。

臭氧層能夠吸收太陽光中波長在306.3 nm以下的紫外線，主要是一部分UV-B（波長290～300 nm）和全部的UV-C（波長小于290 nm，保護(hù)地球上的人類和動(dòng)植物免遭短波紫外線的傷害）。已知O═O的鍵能為496/（kJ/mol）=5.14 eV（E=1 240/λ），即波長小于241 nm的紫外線就能夠?qū)⒀跹蹼p鍵激發(fā)斷裂。

化學(xué)方程式為：O2+hv→O+O

氧原子再與鄰近的氧分子反應(yīng)生成臭氧，即：O+O2→O3

臭氧再被紫外線光解，即：O3→O+O2

自然界中的臭氧層大多分布在離地20～50 km的高空。而水在大氣層的分布，不僅能夠上升到臭氧層所在的高度，還能夠上升到80 km的以上高空，就稱為“夜光云”。它是一種形成于中間層的云，距地面的高度一般在85 km左右。

3 地球上能夠發(fā)生光解水反應(yīng)的推理

推理：①水在大氣層中的分布范圍為85 km以上。②臭氧層分布范圍為20～50 km的平流層。③氧氧鍵的鍵能為496/（kJ/mol）=5.14 eV（E=1 240/λ），即波長小于241 nm的紫外線就能夠?qū)⒀跹蹑I激發(fā)斷裂；氫氧鍵的鍵能為463/（kJ/mol）=4.8 eV（E=1 240/λ），即波長小于258 nm的紫外線就能夠?qū)溲蹑I激發(fā)斷裂。

由此得出，水在大氣層的分布高度與小于258 nm的紫外線在大氣層的分布高度存在重合，且隨著高度的增加，大氣中的紫外線波長越短且能量越高。在臭氧層及大于臭氧層高度的水蒸氣會(huì)被波長小于258 nm的紫外線分解。

由此得到最終結(jié)論，地球上的水除了之前認(rèn)識(shí)的水循環(huán)外，還存在著水的光解反應(yīng)。由于地球上超過99%的水循環(huán)都在對流層內(nèi)完成，能夠達(dá)到20 km以上高度的水蒸氣非常少。所以在單位時(shí)間內(nèi)，水蒸氣的光解反應(yīng)量非常少。

H2O+hv→H++OH-

在被波長小于258 nm的紫外線照射激發(fā)時(shí)，原子鍵斷裂的那一瞬間，H粒子奪取電子的能力遠(yuǎn)弱于OH，所以在斷裂時(shí)，H粒子失去電子變?yōu)镠+，OH奪得電子變?yōu)镺H-。H+、OH-是極不穩(wěn)定的，它們會(huì)迅速與周圍的粒子發(fā)生反應(yīng)形成穩(wěn)定的粒子。具體有以下幾種情況：

（H+）+（OH-）=H2O（電量中和）

（H+）+（H+）=H2++（帶正電）

（OH-）+（OH-）=H2O2--（帶負(fù)電）→H2O+O2

距地表60 km以上的整個(gè)地球大氣層都處于部分電離或完全電離的狀態(tài)，H+、OH-能夠以帶電離子狀態(tài)長期存在。

由于H2++、H+是空氣分子中最輕的，它會(huì)迅速向大氣的最外層運(yùn)動(dòng)。

4 最終結(jié)論

高空中的水蒸氣被短波紫外線光解后，部分帶正電荷的氫向大氣層邊緣飛去（最終逃逸），氧氣被留在空氣中。地球上的水通過本文所述的反應(yīng)過程不斷減少，由于水蒸氣能夠上升到20 km以上的極少，減少的速度非常緩慢。地球上的氧氣是通過這個(gè)光解水方程產(chǎn)生的，速度非常緩慢。氫氣是元素中最輕的，會(huì)一直往大氣邊緣飛去，直至從地球高層大氣中逃逸。帶正電荷的氫逃逸，帶負(fù)電荷的氧留下。所以，地球會(huì)帶負(fù)電。

地球帶大量的負(fù)電荷后，從北半球上方看，由于地球是逆時(shí)針自轉(zhuǎn)，電流是順時(shí)針流，根據(jù)“右手螺旋定則”，地理北極為磁場南極，地理南極為磁場北極。

參考文獻(xiàn)

[1]學(xué)術(shù)交流《近百年氣候變化》[J].氣象科技資料，1976（08）.

〔編輯：劉曉芳〕