田原　成海柱

摘 要：根据目前科学上公认的基本理论和基本数据，证明了地球上超过20 km高度以上的水发生光化学反应，得出地球上的水在缓慢减少。水能够被波长小于258 nm的紫外线光解，而在臭氧层高度（20～50 km）存在能够把氧气光解且波长小于241 nm的紫外线，所以一定能够将水蒸气光解（光解氧气比光解水所需的能量更高）。

关键词：光化学反应；臭氧层高度；水循环；夜光云

中图分类号：P33 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.18.047

目前，科学上普遍认为，水循环是指地球上不同地方的水通过吸收太阳的能量，改变状态到地球上另外一个地方。在整个过程中，水量保持平衡，地球上的总水量在很长的历史时期内保持不变。而从现实观测结果、理论可以间接推断，地球上的水从地球诞生时起在极为缓慢地减少。这个状态会一直延续下去。本文将从20 km高度以上大气中的水研究入手，对水是如何缓慢减少的问题进行探讨。

1 水情况简介

地球上的水很多很多，据估计，水的总体积约为1.38×109 km3。如果将这些水平均分布于地球表面，相当于地球整个表面覆盖着一层平均深度为2 650 m的水。

水循环是指地球上不同地方的水通过吸收太阳的能量，改变状态到地球上另外一个地方，例如，地面的水分被太阳蒸发成为空气中的水蒸气。水在地球的状态包括固态、液态和气态。地球上的水多数存在于大气层、地面、地底、湖泊、河流及海洋中。水会通过一些物理作用，例如蒸发、降水、渗透、表面流动和地底流动等由一个地方移动到另一个地方。图1为水由河川流动至海洋。

地球上水的分布，据苏联科学家计算，每年以雨、雪、霜、雹等形式降到地球上的总水量为5.5×105 km3，他们对地球上各种水进行了详细调查，每年水循环量为总量的4/10 000.

2 光解水反应的理论判据

地球上大气中的水，超过99%的集中在对流层，有1%的水能够上升到对流层上方的区域。已知氢氧键的键能为463/（kJ/mol）=4.8 eV（E=1 240/λ），即波长小于258 nm的紫外线就能够将氢氧键激发断裂。

臭氧层能够吸收太阳光中波长在306.3 nm以下的紫外线，主要是一部分UV-B（波长290～300 nm）和全部的UV-C（波长小于290 nm，保护地球上的人类和动植物免遭短波紫外线的伤害）。已知O═O的键能为496/（kJ/mol）=5.14 eV（E=1 240/λ），即波长小于241 nm的紫外线就能够将氧氧双键激发断裂。

化学方程式为：O2+hv→O+O

氧原子再与邻近的氧分子反应生成臭氧，即：O+O2→O3

臭氧再被紫外线光解，即：O3→O+O2

自然界中的臭氧层大多分布在离地20～50 km的高空。而水在大气层的分布，不仅能够上升到臭氧层所在的高度，还能够上升到80 km的以上高空，就称为“夜光云”。它是一种形成于中间层的云，距地面的高度一般在85 km左右。

3 地球上能够发生光解水反应的推理

推理：①水在大气层中的分布范围为85 km以上。②臭氧层分布范围为20～50 km的平流层。③氧氧键的键能为496/（kJ/mol）=5.14 eV（E=1 240/λ），即波长小于241 nm的紫外线就能够将氧氧键激发断裂；氢氧键的键能为463/（kJ/mol）=4.8 eV（E=1 240/λ），即波长小于258 nm的紫外线就能够将氢氧键激发断裂。

由此得出，水在大气层的分布高度与小于258 nm的紫外线在大气层的分布高度存在重合，且随着高度的增加，大气中的紫外线波长越短且能量越高。在臭氧层及大于臭氧层高度的水蒸气会被波长小于258 nm的紫外线分解。

由此得到最终结论，地球上的水除了之前认识的水循环外，还存在着水的光解反应。由于地球上超过99%的水循环都在对流层内完成，能够达到20 km以上高度的水蒸气非常少。所以在单位时间内，水蒸气的光解反应量非常少。

H2O+hv→H++OH-

在被波长小于258 nm的紫外线照射激发时，原子键断裂的那一瞬间，H粒子夺取电子的能力远弱于OH，所以在断裂时，H粒子失去电子变为H+，OH夺得电子变为OH-。H+、OH-是极不稳定的，它们会迅速与周围的粒子发生反应形成稳定的粒子。具体有以下几种情况：

（H+）+（OH-）=H2O（电量中和）

（H+）+（H+）=H2++（带正电）

（OH-）+（OH-）=H2O2--（带负电）→H2O+O2

距地表60 km以上的整个地球大气层都处于部分电离或完全电离的状态，H+、OH-能够以带电离子状态长期存在。

由于H2++、H+是空气分子中最轻的，它会迅速向大气的最外层运动。

4 最终结论

高空中的水蒸气被短波紫外线光解后，部分带正电荷的氢向大气层边缘飞去（最终逃逸），氧气被留在空气中。地球上的水通过本文所述的反应过程不断减少，由于水蒸气能够上升到20 km以上的极少，减少的速度非常缓慢。地球上的氧气是通过这个光解水方程产生的，速度非常缓慢。氢气是元素中最轻的，会一直往大气边缘飞去，直至从地球高层大气中逃逸。带正电荷的氢逃逸，带负电荷的氧留下。所以，地球会带负电。

地球带大量的负电荷后，从北半球上方看，由于地球是逆时针自转，电流是顺时针流，根据“右手螺旋定则”，地理北极为磁场南极，地理南极为磁场北极。

参考文献

[1]学术交流《近百年气候变化》[J].气象科技资料，1976（08）.

〔编辑：刘晓芳〕