地球大气层和外太空之间有气压差，空气为什么不向太空扩散？

地球之所以诞生生命，在基础环境条件方面除了处于太阳系的宜居带、存在液态水、拥有适宜的磁场之外，其外层包裹着一层比较浓密的大气层也是其中的一个必备要素。有大气层的存在，既可以为地球上形成碳氧循环提供物质基础和演化空间，同时也使大量来自地外空间小行星和彗星在大气层中燃烧殆尽，从而为地球的稳定以及生命体的形成提供了安全的保障。

由于气体也是一种流体，它无论是在容器中，还是处在地球外围的空间中，都会产生相应的气压，其中近地面的空气压力较大，随着高度的上升空气密度逐渐变小，气压也相应减小。但与太空的近乎真空相比，地球大气层中的气压还是相当大的。大家知道，如果我们在两个容器中盛放不同压力的气体，如果将容器连通，那么气体将会从高压容器向低压容器流动，最后达到二者的平衡，那么为何地球上的大气没有向气压更低的太空扩散呢？

在这里就不得不提万有引力，这也是大家都自然会想到的问题。因为地球本身是一个大质量的行星，按照广义相对论，凡是有质量的物体，其对周围时空就会造成弯曲现象，其它物体在这个弯曲的时空里，按照引力场方程表述的规律那样，会沿着一个测地线进行运行，物体的质量越大，对周围时空的弯曲程度就越明显，其它物体在测地线中的环绕速度也越快，也越接近引力源中心。广义相对论解释了万有引力产生的原因，从根本上揭示了物体在空间中的运动形式。作为地球外围的大气层，同样也遵守着这个规律，也无时无刻不在受到来自地球质心的万有引力。

按照万有引力公式，同样的物体，其距离地球表面越近，所受到的地球引力就会越大，大气层中的气体虽然看不见、摸不着，但是其从整体上来看，质量也是非常庞大的，据科学家们测算，地球上的大气层总质量可以达到5*10^15吨，约占地球总质量的千分之一，在地球的表面，大气层所提供的气压，相当于每平方厘米的面积有1万牛顿，即1个标准大气压。然而，随着大气层高度的上升，气体分子与地球质心的距离逐渐被拉大，那么其受到的地球引力数值就会明显衰减，因此气体密度呈现越往上就越小的状态。

地球的大气层根据气体密度不同以及气体呈现的物理性质，从下往上依次分为对流层、平流层、中间层和热层，其中对流层的高度仅有12公里左右，与整个大层的厚度近1000公里相比实在是太过于微小，但是对流层中的气体分子总量却可以占到整个大气层中的80%以上。另外，在对流层的上方平流层中，也几乎聚集了剩余大气分子总量的90%以上。再往上的中间层、热层和散逸层中空气已经非常稀薄了，特别是散逸层，在太阳高能粒子的冲击下，呈现的是高度电离的状态，稀薄的气体所组成的是等离子体状态，温度可以达到1500摄氏度，气体分子的内能非常大，具有较大的几率可以突破地球引力的束缚，最终扩散到宇宙空间中。

通过上面的分析，我们可以很容易地得到两个结论，第一是地球的大气层并不是均匀的，其密度会随着高度的提升而逐渐减小，实际上当到达散逸层的外围时，气体分子的密度已经非常稀薄了，几乎接近太空的环境，因此地球的大气层与外太空根本没有明显的界限。

第二，处于大气层最外围的气体分子，是处于高电离化、高能量化的状态，其运动能力明显要比近地面的空气分子强大得多，有较大的概率会逃逸到外太空环境中。据科学家们测算，地球大气层每年都会向外太空输送几十万吨的大气。所以问题中的地球大气层不向外太空扩散是不准确的。

那么，为什么地球自诞生以后的40多亿年里，大气层没有扩散消失呢？一方面，是大气层向外扩散的总量占比实在是太过于微小，因为散逸层的气体密度本来就非常小，能够扩散逃逸的，与地球大气层总量相比仅是极小极小一部分。与此同时，地球由于其强大的引力，还会每时每刻从外太空中将一些非常稀薄的游离气体，拉回到大气层中。另外，来自地球内部的地质运动，比如地震和火山喷发，也会将一部分来自地球内部的气体物质带到大气层中，因此，从大气层的输出和输入总量上达到了一种动态的平衡。

综合以上的分析，我们可以看出，近地面的气压与外太空虽然存在着明显的气压差，但是在地球引力的作用下，大气层中这种气压差是一种渐变的过程，越往上气压就低，当到达大气层的顶部时（虽然界限不明显），其气压已经与外太空差不多了，这就是为什么地球的大气层没有被外太空的低气压所吸走的原因。另外，在宇宙空间中没有绝对的静止，地球的大气层也不例外，大气层特别是外围的大气分子，仍然有一定的几率逃逸到外太空中，只不过地球拥有自我调节机制，一方面可以从外太空再捕获一部分的气体，而且还可以从内部挖掘潜力，两种作用结合起来，并在地球引力的保护之下，维持着相对稳定的状态，为地球上的万物创造了一个非常安全的自然环境。

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