地球每年逃逸数十万吨大气到太空，发展氢能会不会让水资源减少？

　　大气层的逃逸层每天都在逃逸数十到数百吨大气到太空，其中氢氦占比较高，因为氢气和氦气的密度小。那么全球脱碳向氢，氢经济的发展，会不会让地球逃脱更多的氢气，让地球上的水减少呢？
　　Catling & Zahnle, Scientific American,2009你知道地球每天在太空中失去数百吨大气层吗？
　　一段时间以来，科学家们已经知道地球大气层每天损失数百吨氧气。他们了解这种氧气损失在地球的夜晚是如何发生的，但他们不确定在白天是如何发生的。不过，他们确实知道一件事。它们发生在极光期间。
　　根据美国宇航局地球观测站的新闻稿，没有两个氧气流出事件是完全相同的，这使得理解它们是一个挑战。他们称这些事件为在极光活动期间逃离地球的＂气体喷泉＂，地球观测站有一项专门用于理解它们的任务。
　　该任务是美国宇航局地球观测站计划的一部分，称为VISIONS-2（通过中性原子传感-2可视化离子流出），它需要某些条件。故事发生在挪威斯瓦尔巴群岛的尼奥勒松，这是有充分理由的。这是世界上最北端的全年平民定居点。它全年都有一个无冰港，以及一个现代化的火箭发射设施。冬夜这里也没有太阳来干扰研究极光。
　　奥勒松上空的极光和星星。图片来源：Chris Pirner
　　但还有其他一些东西使它成为VISIONS-2任务的完美设置。每天早上，Ny Alesund都会经过地球磁泡的弱点。弱点就像一个漏斗，将猛烈的太阳风引导到我们的高层大气中。这会导致极光显示，并将我们大气中的气体沸腾到极光喷泉中的真空空间中。
　　新奥勒松位于北纬78.9 ，距离北极仅1237公里，距离华盛顿特区超过5700公里。
　　最近，VISIONS-2的研究人员发射了两枚探空火箭，以研究极光期间的氧气损失。探空火箭是小型目标火箭，可以快速发射。在这种情况下，两枚火箭装有相机和其他仪器，并准备发射。
　　发射团队必须非常有耐心。但是，当然，他们有自己的技术。他们不必等到看到极光，由于DSCOVR（深空气候观测站）卫星，他们已经提前注意到极光。
　　DSCOVR是NOAA的太阳风观测站。它位于地球和太阳之间的拉格朗日点，并告诉VISIONS-2团队，当太阳风足够强大并且方向正确以引起极光的方式时。充其量，团队会得到大约一个小时的警告。
　　发射前的探空火箭之一。尽管它们很小，但它们仍然是诡辩的设备，需要为它们的任务做详细的准备。图片来源：美国宇航局。
　　即使事先发出警告，该团队也保持谨慎。如果太阳风被证明太弱，那么他们将浪费发射。如果地球大气层中的陆地风力条件太强，那也是一个问题。火箭是无制导的，因此它们必须在发射前定向以考虑风。幸运的是，该团队还有另一种工具可供他们使用，即根据需要每30分钟发射一次气象气球，以测试风力。
　　＂我们在建造这些非常复杂和强大的有效载荷方面有着如此惊人的经历......＂——道格·罗兰（Doug Rowland），美国宇航局戈达德太空飞行中心（Goddard Space Flight Center）首席研究员。
　　这些火箭在斯瓦尔巴群岛（挪威）的Ny-Ålesund举行，研究人员在发射这对火箭之前等待极光。2018年12月7日，研究人员在极光期间发射了这两枚火箭。下面的照片是火箭的长时间曝光，它捕捉了两次发射，即使它们相隔几分钟。
　　一对探空火箭瞄准了挪威斯瓦尔巴群岛上空的极光，以帮助科学家了解地球大气层如何将氧气流失到太空中。尽管在图像中它是地球的日一侧，但发射位置非常北，没有日光。图片来源：NASA Wallops飞行设施的Allison Stancil-Ervin。
　　该任务使用了一对火箭，因此他们可以在每枚火箭中使用不同仪器的组合。有些仪器需要旋转平台，有些则不需要。一对火箭发射，它们之间有几分钟的时间，也允许类似的仪器随着时间的推移获得读数。上图显示了两枚火箭的第一级点火和烧毁，因为它们被派去研究地球大气中的氧气损失。
　　＂我们在建造这些非常复杂和有能力的有效载荷方面有着如此惊人的经历，在Wallops集成和测试它们，然后将它们带到现场，＂该任务的首席研究员，美国宇航局戈达德太空飞行中心的太空物理学家Doug Rowland说。＂发射是一个非常激动人心的时刻，当我们看到所有仪器都表现良好，科学条件良好时，更是如此。
　　发射后，火箭有十分钟的时间在大气喷泉中工作。中性原子成像相机从内部和外部构建喷泉的图像。极光相机记录极光本身，其温度，强度和高度。如果一切顺利，研究小组将获得一堵＂科学之墙＂。
　　谁不想要这样华丽的科学墙呢？VISIONS-2联合研究员Jim Hecht研究了用于显示极光条件和预测的数据的＂科学之墙＂。图片来源：道格·罗兰
　　12月7日的发射似乎取得了成功。对数据的早期观察表明，仪器运行正常，并返回了预期的数据。＂我相信我们确实看到了＂大气喷泉＂，＂罗兰说。这些数据仍然需要分析和扩展，＂但我们可能有从多个角度的证据。
　　挪威尼奥勒松的极光照片，2018年11月。图片来源：Ahmed Ghalib，VISIONS-2有效载荷团队。
　　显然，地球是一个充满活力、充满活力、活跃的星球。这里发生了很多事情。VISIONS-2项目不仅旨在帮助我们更好地了解我们自己的星球，还旨在帮助我们更好地了解其他星球。哪些行星适合居住？为什么有些如此荒凉？像火星这样曾经有过大气层的行星，是如何失去它的呢？
　　地球的大气层不会很快消失。无论如何，直到太阳在大约50亿年后变成红巨星。在那个遥远的时间点，膨胀的太阳会像什么都没有一样把我们的大气层煮沸。然后我们完成了。
　　在这些极光期间，地球大气中损失的氧气（和氢气）量是微不足道的。每天几百吨可能听起来很多，但事实并非如此。无论如何，光合作用有助于恢复氧气。然而，它仍然是理解事物如何运作以及地球与其恒星之间关系的细节的重要部分。
　　北极的科学并非没有风险。这个标志位于新奥勒松的边缘。图片来源：Superchilum，CC-BY-3.0，通过维基共享资源
　　你能够想象吗？地球上的大气，每时每刻都在向太空中逃逸，一年下来就接近数十万吨的量，不是数十万＂公斤＂，而是数十万＂吨＂。
　　空气的密度在常温常压下，为1.29kg/m^3，这就意味着，每年要向外逃逸，大约77500000立方米的大气。
　　那么这些大气逃逸到太空中，是不是意味着地球的大气在减少，人类生活在地球上还安全吗？
　　大气为什么逃逸到太空中？
　　在地球上空100公里处，人类设置了一条线，这条线被称为＂卡门线＂，这条卡门线就是太空与地面的分界线。
　　事实上即便过了这条线，在100-400公里的高空中，仍然有大气的存在，所以处于400公里高空的空间站，在快速运行的过程中，由于空气阻力的存在，就会导致空间站的轨道下降，所以每过一段时间，空间站就要消耗燃料来抬升轨道。
　　而在这个高度还有的气体，就是地球往外逃逸的大气，虽然这个高度的大气非常稀薄，每立方厘米都是按个数算的，但是地球的体积非常庞大，所以就导致逃逸到太空中的气体数量也非常可观。
　　而地球往外逃逸的大气，绝大部分是氢气，其次是氦气，还有微乎其微的其他气体，而地球之所以会有大气的逃逸，主要与地球的引力有关。
　　在元素周期表中，氢元素的质量最轻，其次是氦元素，而由于这两种元素的质量非常轻，所以当引力不足无法束缚住它们的时候，就会出现逃逸的现象。
　　在宇宙中，质量越重的天体，其引力也就越大，如果以地球的质量为蓝本，就会比地球重的木星和太阳，由于其引力巨大，所以很少出现氢气逃逸的现象，基本被束缚住了，由于氢元素是宇宙中最常见的元素，所以整个木星绝大部分都是氢元素。
　　而比地球质量要轻的火星和金星等，由于其质量较轻，引力也较小，无法束缚住质量较小的氢和氦等元素，所以整个星球中都是质量比较重的二氧化碳等气体。
　　如果逃逸这么严重，经过45亿年，地球上还有气体呢？
　　事实上在地球诞生之初，最多的两种气体就是氢气和氦气，因为氢元素作为宇宙间最原始的元素，在整个宇宙间的含量也最多，其次是氦元素。
　　在氢气最多的时候，曾经一度达到了40%左右，也正是由于氢气含量高，所以为早期地球诞生生命创造了有利的条件。
　　但是由于地球的引力相对于木星来说，还是太小了，所以在经过45亿年的逃逸，氢气的含量在地球上的比重也越来越少，导致现在空气中的氢气微乎其微。
　　现在地球上科学家最担心的并不是逃逸最多的氢气，因为在地球中，氢元素还以另外一种方式存在，那就是与氧元素结合生成的水中，其储量也非常丰富，达到了136亿亿吨，并且在地球内部还蕴藏着数目庞大的氢元素。
　　而相反，整个逃逸的大气中，氦气是仅次于氢气逃逸第二多的气体，由于氦气在自然界中的补充非常的少，并且非常的缓慢，所以科学家们对氦气的逃逸和流失，显得比氢气更关心一些。
　　虽然人类在生存的过程中，主要以氧气为主，但如果氦气流失更大的话，就会改变地球空气中各个气体的比重，所以科学家主张人类要节约氦气资源，加强回收利用。
　　逃逸如此多的气体，可以坚持多久，人类生活在地球还安全不？
　　在目前地球逃逸的气体，都是质量比较轻的气体，相反人类赖以生存的氧气，由于其重量相对重一些，所以逃逸的量非常的稀少。
　　并且每年逃逸的大气数量虽然有数十万吨，但是与地球大气的总量6000万亿吨比起来，几乎可以忽略不计。
　　就以目前地球大气的含量，也要几百亿年的时间，地球的大气才能够逃逸光，而那个时候整个太阳系都已经不存在了。
　　并且在地球内部还蕴藏着数量庞大的各种气体，当火山喷发等自然事件发生的时候，这些气体就会被喷发到地球的表面，补充到大气之中。
　　而在地球的外面，每天也有数量庞大的各种小天体，包括彗星坠落在地球之中，在坠落的过程中，也会产生一些水、气体和其他元素补充到地球之中。
　　所以地球即便每年逃逸数十万吨气体，但是非常的安全，至少人类在人类灭亡之前，都不用担心地球大气流失到外太空的问题。
　　人类使用氢气和天然气都几十年到上百年了，氢气和天然气的密度都比空气小，都会逃逸到大气中去，这么多年，地球都正常运转。
　　而真正能够威胁到人类安全的事实上是人类自己，如果人类不破坏自然环境，不破坏地球生态平衡，人类根本就不用担心在地球生存的安全问题。
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　　引用参考资料：
　　地球每年逃逸数十万吨大气，跑到外太空中，它还能维持多久？_腾讯新闻 (qq.com)
　　Microsoft Word - AtmEscapeRevOct08_w_Figs.doc (uchicago.edu)
　　Explainer: Our atmosphere — layer by layer | Science News for Students
　　Did You Know that the Earth Loses Several Hundred Tons of Atmosphere to Space Every Day? - Universe Today