如果二氧化碳比氧氣重，為什麼我們這一層空氣有很多氧氣二氧化碳卻不多？

11-29

If CO2 is heavier than O2, why is our atmosphere not stratified with a layer of CO2 closer to earth? : askscience

匿名用戶的答案沒犯什麼錯誤~但是太急於指出題主的錯誤，反而失去了趣味啊~

題主認為「我們這一層空氣有很多氧氣二氧化碳卻不多」。這是相對於氧氣；而如果我們研究一下二氧化碳在不同高度上的濃度分布，就會發現，高處的二氧化碳所佔比例比地面更小。只能說二氧化碳本身總量就很少，即便全都在海拔1000m以下分布，也不會佔有很大的比例。下面就導致「分布不均」和「分布均勻」兩種不同趨勢的因素進行簡單討論：

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導致分布不均勻的因素：
二氧化碳的分子量比氧氣、氮氣都大一半左右，因此重力勢能對分子分布的影響更大。利用玻爾茲曼分布律，我們可以得到二氧化碳的分子密度延垂直方向衰減要比氧氣和氮氣更明顯的結論。換句話說，如果大氣處於熱力學穩態，那麼二氧化碳的相對濃度會隨著高度以指數形式減少。

導致分布均勻的因素：
但是，空氣分子的熱運動非常顯著，在這種熱運動速度下，重力的作用非常有限。這會導致氣體分子僅僅在大尺度上服從越高濃度越小的規律。。
另外，由於陽光對於地面的加熱，大氣會出現強烈的縱向對流，從而進一步減少了二氧化碳的分布不均~

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綜上所述，我們有熱力學上CO2越高越稀薄的趨勢，但是同時還有強大的抵消這一趨勢的擾動。因此，還得看數據找真相。

以下圖片的橫坐標是二氧化碳占空氣體積分數，單位ppm; 縱坐標是海拔高度，單位是Km可以看出，在2km海拔處二氧化碳濃度為400ppm, 7km處為360ppm左右，的確有所降低但是並不明顯

圖片出處：拉曼激光雷達探測對流層二氧化碳濃度分布~

歪個樓，說到重力場對大氣分子分布的作用，徐克已經說得很詳細了。但是，重力場作用下的粒子真的很神奇哦，不光有大家討論的遵循經典力學的分布，還有遵循量子效應的現象，像能級什麼的哦。2002年Nature上的文章，關於中子在地球重力場作用下的量子態 Quantum states of neutrons in the Earth"s gravitational field
作者們發現中子隨高度的分布果然不遵循經典力學分布，出現了若干跳躍，符合量子力學的描述。隨著高度的增加，估計受外界擾動，就蛻變為經典力學現象了。

因為加熱主要在表面（地面/海面）
於是在下面的氣體，因為不斷地被加熱被加熱被加熱，結果總是會上升的

如果你把加熱的地方換一個方向，就像海洋那樣，可能可以得到CO2嚴重積聚於下層（可能，誰知道這樣變了一下加熱方向後在平流層會不會出現一個強烈的環流導致Ekman抽吸呢

可以這麼來看，一個絕熱柱形容器，內部充入CO_2和O_2，先搖一搖混合均勻，再在300K的環境下靜置，看看要多久會分層？具體沒算過，不過氣體在這種溫度下要分層是要蠻久的。

這還只是孤立體系！！！而地球的大氣是開放體系！！！

太陽輻射在不同緯度的通量不均啊，地表吸熱不均啊，地球自轉的偏向力啊，各種因素導致對流、氣旋什麼的把各組分都混得很均勻。

前後兩點結合起來想說明的是，在地球這種溫度和重力條件下，即使大氣是孤立體系，CO_2和O_2分層都要很長時間，何況實際上地球的大氣是開放體系

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April. 4 更新：

部分同意徐克的觀點，我的之前的回答對將大氣看做孤立體系體系時的氣體分布過於粗糙了。單組份氣體是Boltzmann分布，CO_2和O_2這種雙組份的也有人推出來了。http://www2.aero.psu.edu/RGD_2010/PaperSubmission_Full_Uploads/Saveliev_224_RGD27%20paper224.pdf

我想說的是即使孤立體系平衡態下，由於地球溫度導致「空氣分子的熱運動非常顯著」（徐克回答），也會使得分層不顯著。這點我是同意徐克的。

不過我還是認為大氣是開放體系，各種對流啊什麼的，遠離平衡態，這是主要因素

我覺得可以模擬一下，約290K，把大氣看成孤立體系，根據上面paper給出的分布律計算一下分布，如果確實平衡態下地表CO_2與高空差異不大，那麼徐克給的第一個原因，或著CO_2 O_2分子質量差距不大是主要因素。（我懶，誰能算算？另求大神指導該如何算從CO_2 O_2完全均勻分布到平衡態的弛豫時間）

我可以從熱力學的角度來解釋。如果看不懂，直接跳到最後的結論吧。

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