Известно, что газы являются лучшими изоляторами электричества при обычных условиях давления и температуры, в чем мы убеждаемся на опытах с изолированным электроскопом, листочки которого остаются целые часы отклоненными от положения равновесия. Воздух также считался непроводником электричества, и слабую потерю заряда электроскопом приписывали как несовершенной его изоляции, так и присутствию в воздухе пыли, паров воды, уносящих заряд с электроскопа (Варбург, 1872). Однако работы Эльстера, Кейтеля и Вильсона показали, что и атмосфера обладает несомненною проводимостью, а опыты Эберта (Ebert) и Эмдена (Emden) выяснили тот факт, что с высотою электропроводимость воздуха быстро возрастает, колеблясь в зависимости от метеорологических и других условий. Тогда перед физиками возникла проблема, какова природа этой электропроводности, и какими причинами она обуславливается?
Электропроводность твердых и жидких тел может быть двоякого рода: электропроводность металлическая, присущая металлам и некоторым другим телам, и электропроводность электролитическая, свойственная большинству жидкостей, главным образом растворам солей. Электропроводность металлическая характеризуется тем, что весомые частицы проводника не принимают никакого видимого участия в движении через него электричества. В электролитах, наоборот, движение электричества связано с движением частиц самой материи. Благодаря, влиянию растворителя или высокой температуры часть молекул электролита диссоциируется, распадаясь на химические разнородные ионы, заряженные равными количествами электричества противоположных знаков. Влиянию внешних электрических сил подвергаются только свободные ионы, приходящие под их воздействием в движение вместе со своими зарядами. Тогда происходит процесс движения ионов: электроположительные ионы направляются в одну сторону, электроотрицательные - в другую, что и даст место электрическому току в жидкости, переносящему положительные заряды на катод, а отрицательные на анод. Заряд, несомый каждым грамм-эквивалентом иона, независим от его природы и достигает 96 540 кулонов.
Таким образом, предстояло разрешить вопрос о том, каким из этих двух родов электропроводности обладают газы. Вопрос этот был разрешен благодаря изучению ряда способов, посредством которых можно сообщать газам заметную электропроводность. Так, например, будучи освещены ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами, или находясь под действием катодных или анодных частиц или частиц, испускаемых радиоактивными веществами, или, наконец, под действием высокой температуры, газы приобретают свойство проводить электричество. Заряженный электроскоп теряет свой заряд независимо от его знака, почти моментально, как скоро на него упадут те или другие из этих лучей. По аналогии с электропроводностью электролитов было сделано еще предположение, что под влиянием таких лучей в пронизываемом ими газе появляются частицы, электрически положительно и отрицательно заряженные. Это предположение было затем подтверждено многочисленными опытами Дж. Томсона и его учеников в лаборатории Кавендиша (Саvеndish) в Кембридже в период 1897 - 1903 гг. Эти заряженные электричеством частицы газов были названы ионами, самый процесс их возникновения - ионизацией, а лучи, вызывающие ионизацию-ионизаторами. Так как аналогия между электролитическими ионами и газовыми неполная, то английские физики чаще называют их "электроносителями" или, короче, "носителями". Наконец, ионизаторами воздуха являются также многие химические и механические процессы, как-то: горение, окисление фосфора, раздробление и распыление воды о твердые или жидкие поверхности и пр.
Таким образом, не оставалось ни капли сомнения в том, что и та весьма слабая электропроводность, какая наблюдается во всяком газе и в атмосфере в их нормальном состоянии, имеет причину в их ионизации. Став на такую точку зрения, нетрудно было объяснить самый факт рассеяния электричества в атмосфере, а равно и его зависимость от различных метеорологических и прочих условий.
Еще Эльстер и Гейтель выдвинули гипотезу об участии в ионизации ряда причин, и прежде всего причины космической - действия солнечных лучей. Опыты Ленарда (Lenard) над крайними ультрафиолетовыми лучами, испускаемыми раскаленными парами алюминия, цинка и других металлов, обнаружили сильнейшую поглощаемость этих лучей атмосферой и чрезвычайно сильную степень ионизации ее в результате этого поглощения. Ионизацию воздуха ультрафиолетовыми лучами следует представлять себе следующим образом: вследствие поглощения лучистой энергии молекулой воздуха из последней выходит отрицательный электрон и остаток превращается в положительный ион. Отрицательный электрон, соединяясь с нейтральной молекулой воздуха, образует отрицательный ион. Ввиду того что солнечная фотосфера содержит в себе раскаленные пары указанных выше металлов, а кроме того, водород, испускающий при искровом разряде самые крайние ультрафиолетовые лучи, то предположение Эльстера и Гейтеля об участии Солнца в ионизации воздуха делается чрезвычайно правдоподобным. Это предположение объясняет, весьма просто, целый ряд важнейших явлений в атмосфере, связанных с наблюдениями за ее ионизацией, как, например, большую степень ионизации летом, чем зимою, в солнечные дни, чем в пасмурные, и т. д.
Однако если мы примем во внимание необычайно сильную поглощаемость крайних ультрафиолетовых лучей атмосферою, то необходимо будет заключить, что в действительности непосредственная ионизация ее ультрафиолетовыми лучами Солнца имеет место только в самых верхних слоях. Те же верхние слои воздуха, по-видимому, ионизируются рядом других причин космического характера, а именно бомбардировкой космической пылью, солнечными электронными радиациями и т. д. В нижние слои ионы могут проникать лишь вследствие диффузии или увлекаться постоянными восходящими и нисходящими токами воздуха. Но для объяснения ионизации нижних слоев воздуха и этот вывод встречает затруднения в факте быстрого исчезновения ионизации по прекращении действия ее источника. Вследствие медленного движения нисходящих потоков воздух, ионизированный вверху, будет, по-видимому, достигать поверхности Земли лишь по прошествии такого времени, когда вся его ионизация давно исчезла. Поэтому является необходимым для объяснения ионизации нижних слоев атмосферы обратиться к рассмотрению другого ее источника - радиоактивности атмосферного воздуха, стоящей в известной связи с солнечным лучеиспусканием и, следовательно, зависящей от периода пятнообразования.
Открытием радиоактивности воздуха мы обязаны Эльстеру и Гейтелю. Они натянули в своем саду на двух изоляторах медную проволоку в 10 метров и в течение двух часов с помощью электрической батареи поддерживали на ней высокий отрицательный потенциал. В результате исследования они убедились, что проволока стала радиоактивной. Радиоактивность могла быть снята с проволоки с помощью бумаги или ваты и по их сожжении оставалась в золе, действуя заметным образом на фотографическую пластинку или вызывая фосфоресценцию экрана, покрытого платино-цианистым барием. Вместо того чтобы получать активирование проволоки путем искусственной электризации, ее можно получать благодаря одному лишь действию земного электрического поля, например на вершинах гор, на башнях и т. д. Дальнейшие наблюдения установили присутствие в воздухе других радиоактивных элементов, тория и актиния, а также выяснили соотношение их количеств с различными метеорологическими и геофизическими факторами. Между прочим, теми же учеными был констатирован тот факт, что воздух подвалов, пещер и подземелий ионизирован в гораздо большей степени, чем воздух над поверхностью Земли. Особенно сильно ионизированным оказался воздух, извлеченный из почвы каким-либо искусственным образом. Сравнительно небольшого объема такого воздуха достаточно для того, чтобы сообщить свойство временной радиоактивности погруженной в нем проволоке, заряженной отрицательным электричеством. Электроскоп в таком воздухе разряжался в течение нескольких минут. Поэтому естественно было сделать предположение, не обусловливается ли радиоактивность атмосферного воздуха примесями к нему радиоактивных веществ и их эманаций, поступающих в него из почвы? А так как эта радиоактивность в свою очередь обусловливает ионизацию воздуха, то необходимо прийти к заключению, что одним из источников ионизации нижних слоев атмосферного воздуха и являются именно радиоактивные начала, находящиеся в почве. Впрочем, имеются основания полагать, что радиоактивность воздуха обусловлена рядом сложных и разнообразных процессов, происходящих в природе вообще, а следовательно, является одной из форм энергии.
Несмотря на всю сложность данного вопроса и трудность разграничения роли радиоактивности почвы и солнечного лучеиспускания в ионизации атмосферного воздуха, все же суточные и годовые вариации в степени ионизации воздуха могут быть отнесены за счет лучей Солнца. Большая ионизация воздуха летом сравнительно с зимою и в хорошую погоду сравнительно с пасмурной может быть объяснена вполне удовлетворительно, если мы примем во внимание более сильную инсоляцию почвы летом и в ясную погоду. Этими факторами обусловливается более интенсивное и более свободное общение почвенного воздуха и атмосферного. Быть может, теми же причинами необходимо объяснить и суточные колебания ионизации воздуха, которые согласны с колебаниями некоторых метеорологических элементов.
Необходимо заметить, что число положительных и отрицательных ионов, заключающихся в атмосферном воздухе при обычных условиях, очень мало по сравнению с полным числом его молекул. Как известно, в 1 кубическом сантиметре газа при обычных условиях давления и температуры содержится около 30*10 18 (30 триллионов) молекул. В то же время в том же объеме количество равно в среднем 800-1000. Это количество ионов варьирует в полном соответствии с временем года и дня, зависит от геологических, топографических и метеорологических условий и от хода элементов погоды: так, например, летом число ионов значительно больше, чем зимой, в ясную и сухую погоду больше, чем в дождливую и облачную, при тумане опускается до нуля.
Чрезвычайно интересен вопрос о том, существуют ли колебания в степени ионизации атмосферного воздуха, имеющие больший период - период 11-летний, связанный с таковым же периодом в деятельности Солнца. К сожалению, я должен констатировать тот факт, что благодаря отсутствию массовых и ежедневных измерений степени ионизации атмосферного воздуха вопрос этот не разрешен до сих пор. А между тем потребность экспериментального разрешения этого важного вопроса диктуется как со стороны биологии, так и самими предположениями в существовании такового периода в ионизации атмосферы.
Как известно, в эпоху повышенной деятельности Солнца количество притекающей к Земле лучистой энергии Солнца значительно повышается. Этот повышенный прилив энергии к Земле в форме электромагнитных или корпускулярных излучений, без сомнения, вызывает усиление интенсивности физико-химических процессов в земной коре и атмосфере.
Нодон (Nodon) опубликовал результаты своих любопытных опытов, показывающих, что радиоактивные излучения значительно ускоряются солнечными лучами, содержащими излучения особого порядка. Эти последние проникают сквозь тонкий слой свинца и других металлов, причем поглощаются металлами тем сильнее, чем выше атомный вес металла, из которого сделан экран. Действие этих лучей более всего заметно в период усиленной активности Солнца. Если, таким образом, степень радиоактивных излучений, находящихся в воздухе, усиливается в период повышенной солнцедеятельности, то, следовательно, и ионизация атмосферного воздуха также должна повыситься в тот же период.
Присутствие в атмосфере радиоактивных эманаций приписывается выделению пород, находящихся на поверхности Земли. Однако, наблюдения, произведенные Бонгардом (Bongard) в Линденбурге с помощью стальных проволок длиною от 5 до 15 метров, поднимавшихся змеями на высоту 4000 метров, подтвердили зависимость количества эманаций от барометрического давления на поверхности Земли и температуры того слоя воздуха, в котором находилась проволока. Кроме того, Бонгардом была замечена периодичность изменения эманации с периодом в 27 - 28 дней. Причину этой периодичности Бонгард приписал солнцедеятельности, так как указанный период приблизительно равен периоду его вращения. Одновременные наблюдения над количеством радиоактивных эманаций, произведенные в Маниле на Филиппинских островах, дали ту же 27-28-дневную,периодичиооть. Сравнивая данные, полученные в указанных двух пунктах со спектрогелиограммами кальциевых облаков Солнца, Бонгард вывел заключение, что источником эманаций, .обнаруженных в нашей атмосфере, является солнцедеятельность.
Еще необходимо отметить наличие эффекта Столетова-Галльвакса (Hallwachs) у земной поверхности. Как было показано, некоторые металлы обладают свойством быстро терять отрицательный заряд под влиянием.прямого солнечного света. Даже когда металлическая пластинка не заряжена, она испускает отрицательные лучи, принимая таким образом положительный заряд. Каким лучам Солнца необходимо приписать этот фотоэлектрический эффект? Из видимой части спектра только одна фиолетовая часть оказывает подобное действие. Путем точных изысканий было установлено, что ряд минералов, прежде всего полевой шпат и гранит, также обнаруживают под влиянием этого излучения фотоэлектрический эффект. На этом основании Эльстер и Гейтель предположили, что под воздействием солнечного света у многих каменистых пород отрицательно заряженной земной поверхности выступают в воздух отрицательные электроны. Эти последние в случае наличия соответствующих условий могут также служить причиною ионизации атмосферы самой земной поверхности.
Связь между степенью ионизации воздуха и пятнообразовательным процессом была обнаружена на целом ряде физических явлений в атмосфере. Прежде всего эта связь очень ясно проявилась в колебаниях, условий радиопередачи. Это влияние ионизации получает теоретическое объяснение в уравнениях Максвелла - Герца, так как ионизацией, как мы видели выше, обусловливается электропроводность воздуха. Таким образом, электромагнитные волны, распространяющиеся в хорошо проводящей среде, приобретают характер затухающих колебаний, и их логарифмический декремент затухания увеличивается прямо пропорционально степени электропроводности.
Ввиду того, что ионизация воздуха в течение суток подвержена значительным колебаниям, зависящим от силы и напряженности солнечного света, то и радиопередача стоит в зависимости от этого фактора. Действительно, ионизация атмосферы в любом месте земной поверхности зависит от времени дня и ночи и вообще увеличивается к середине дня, а затем уменьшается, очевидно, что и распространение электромагнитных волн должно представлять периодическую функцию времени с периодом, равным суткам. Главный максимум ионизации наблюдается от двух до четырех часов, а минимум - утром и вечером. Так как влияние ионизации и электропроводности на электромагнитные колебания сказывается главным образом в ослаблении их энергии, то исходя даже из чисто теоретических соображений нетрудно было заключить, что радиопередача будет наиболее затруднена днем и менее всего ночью, а также вечером и утром. На самом деле Маркони (Marconi) впервые отметил тот факт, что ночью как слышимость радиосигналов, так и дальность расстояния передачи значительно увеличиваются. Этот факт впоследствии был подтвержден тысячами наблюдателей. Кроме того, в те часы, когда Солнце восходит и заходит, вследствие резкого изменения ионизации слоев атмосферы, лежащих у пограничной области между освещенными и неосвещенными частями ее, мы должны обнаружить влияние нарушения непрерывности ионизированных слоев. Это обстоятельство в- свою очередь должно сказаться на радиоприеме, что и действительно имеет вообще место. В то же время внимание исследователей было привлечено тем фактом, что качество приема радиоволн значительно ухудшается под влиянием пятнообразования. Наблюдения, произведенные с этой целью, установили, что в дни прохождения солнечных пятен через центральный меридиан Солнца прием радиоволн вообще претерпевает значительные аномалии в сторону его затруднения. Данное явление сильнее всего сказывается при работе с длинными волнами, как показали наблюдения Пиккара (Pickard) в Вашингтоне, что, впрочем, и следовало ожидать согласно теоретическим соображениям. Аэстэн (Austin) нашел тоже тесную зависимость между месячными индексами радиоприема и солнечной радиацией.
Наконец, были сделаны попытки установить влияние солнечного затмения на атмосферное электричество, например в 1900, 1905, 1912, 1914 и в 1927 гг. Нордманн наблюдал в Алжире в 1905 г. минимум проводимости приблизительно через 3/4 часа после наступления полной фазы затмения. Другие исследователи пришли также к заключению о влиянии данного космического феномена на проводимость атмосферы. Были произведены наблюдения над влиянием солнечного затмения на радиопередачу.
Атмосфера Земли в своем составе имеет нейтральные молекулы и атомы, положительные и отрицательные ионы и свободные электроны. Вследствие содержания электрически заряженных частиц атмосфера обладает электропроводностью. К числу основных возбудителей электрически заряженных частиц в атмосфере, или основных ионизаторов атмосферы, относятся космические лучи, солнечная и земная радиации. Космические лучи на 90% состоят из протонов, около 7% ядер гелия и на долю всех остальных элементов приходится 3%. Частицы космических лучей обладают очень большой энергией (от 1 до 10 12 ГэВ), при взаимодействии с атомами атмосферы эти частицы порождают обильные ливни электронов и мюзонов больших энергий, которые достигают земной поверхности и проникают в глубь земной коры, и мезонов меньших энергий, которые при движении в атмосфере распадаются. Быстрые электроны также теряют свою энергию в атмосфере в результате различных механизмов взаимодействия с веществом, и в конечном итоге возникают ливни свободных заряженных частиц, обеспечивающих электрическую проводимость атмосферы. Этот вид ионизации атмосферы на уровне моря создает 2– 4 млн пар ионов в 1 м 3 в 1 с. С ростом высоты примерно до 18 км мощность космической ионизации увеличивается пропорционально росту потока космических лучей.
Преобладающая часть солнечной радиации УФ- и рентгеновского диапазонов поглощается в верхних слоях атмосферы (выше 40 км). Этот процесс сопровождается ионизацией атомов атмосферы. Корпускулярное солнечное излучение также ионизирует атмосферу в пределах, сравнимых с теми, которые создаются электромагнитным излучением Солнца.
Земная радиация ионизирует атмосферу в непосредственной близости у поверхности Земли. Это происходит гл. образом за счет поступления из земной коры продуктов радиоактивного распада тяжелых элементов горных пород. Ионы образуются в приземном слое атмосферы, а затем турбулентным обменом и вертикальным движением переносятся до высоты 4-5 км. Земная радиация создает в приземном слое атмосферы над сушей около 5 млн пар ионов в 1 м 3 в 1 с, над поверхностью морей и океанов их концентрация несравненно меньше из-за ничтожно малого содержания радиоактивных веществ в морской воде.
В атмосфере ионы образуются также в результате ее загрязнения продуктами атомной промышленности и испытаний ядерного оружия, а также коротковолнового излучения звезд, за счет метеорных частиц и др. ионизаторов.
Наряду с ионизацией в атмосфере происходит обратный процесс – рекомбинация электронов и ионов, скорость которой неодинакова на различных высотах. Это же относится и к мощности ионизаторов. Поэтому вертикальный профиль концентрации ионов и электронов в атмосфере имеет сложный характер.
Электрическая проводимость атмосферного воздуха зависит от концентрации носителей положительных и отрицательных зарядов и их подвижности. Периодические колебания концентрации носителей заряда имеют весьма сложный характер, но обычно летом их концентрация вблизи земной поверхности выше, чем зимой. В суточнолм ходе наибольшая концентрация ионов обычно наблюдается в утренние часы, наименьшая – во второй половине дня.
ИОНОСФЕРА. Если по изменению температуры можно различить 5 слоев, то по степени ионизации газов воздуха атмосфера подразделяется на 4 слоя:D,E,F 1 иF 2 . Ионизация вызвана поглощением солнечной радиации. Ультрафиолет ионизирует молекулы О 2 иN 2 . Исчезновение электронов и ионов может происходить в результате их рекомбинации, а также перехода в другой объем, расположенный по соседству с данным или значительно дальше. Поэтому электронная концентрация в данном месте зависит от скорости ионизации, от скорости рекомбинации, а также от того, какое количество свободных электронов уйдет из данного единичного объема в единицу времени. Этот последний процесс наз. дивергенцией. Как видим, природа образования ионосферы и ее поведение зависят от многих причин.
Очевидно, что движение атмосферного газа влияет на изменение электронной концентрации в ионосфере. Но существуют и другие силы, которые приводят в движение электроны и перераспределяют электронную концентрацию в ионосфере. Это в первую очередь электрические и магнитные поля.
Первоначально ионосферные слои были обнаружены в экспериментах по распространению радиоволн. Излученные вверх радиоволны коротковолнового диапазона возвращались к Земле, будучи отраженными в верхней атмосфере неким электрическим экраном. Затем было установлено, что этим экраном служит слой электронов. Там же находится и слой положительных ионов, но они из-за их относительно большой массы
Рис. 24. Влияние слоя Е ионосферы на распространение радиоволн.
не влияют на распространение радиоволн. Один из таких слоев был обнаружен около высоты 300 км (эта высота меняется в зависимости от сезона, широты, времени суток и др. факторов). Это тот слой, который обозначен символом F. На высоте около 100 км был обнаружен еще один ионосферный слой, названный слоемЕ (слой Хивисайда). Этот слой подобен гигантскому зеркалу, от которого отражаются радиоволны. При этом они могут распространяться дальше, чем следовало бы ожидать, если бы они распространялись без отражения.
Затем было установлено, что ниже слоя Е также имеются свободные электроны, хотя и в меньших количествах, чем выше. Этот слой назван слоем D, и главное его влияние на распространение радиоволн заключается в том, что в нем радиоволны коротковолнового диапазона поглощаются.
Мощное воздействие электромагнитным излучением на ионосферу позволяет создать геофизическое оружие. США имеют на Аляске и в Норвегии антенные поля для высокочастотного электромагнитного воздействия на атмосферу, способного вызывать бури, разряды и т.д. В России также была одна такая установка, но зимой не слили воду из труб все полопалось.
Ионизация воздуха
Атмосферный воздух представляет собой смесь многих газообразных веществ. Кроме кислорода и азота, образующих основную массу воздуха, в его состав входят в небольшом количестве так называемые инертные газы, двуокись углерода и водяные пары. Помимо перечисленных газов, в воздухе содержится ещё большее или меньшее количество пыли и некоторые случайные примеси. Кислород, азот и инертные газы считаются постоянными составляющими частями воздуха, так как их содержание в воздухе практически повсюду одинаково. Наоборот, содержание 2 CO , водяных паров и пыли может изменяться в зависимости от различных условий. Как известно при обычных условиях давления и температуры различные газы, входящие в состав воздуха, являются диэлектриками.
В случае, если часть молекул ионизируется, то газ проводит ток.
Когда мы говорим, что воздух ионизирован, это значит, что некоторая очень большая часть газовых молекул воздуха несёт электрический заряд отрицательно или положительного знака. Заметим что в 1 см 3 воздуха при нормальных условиях содержится 2,710 19 молекул, среднее число лёгких аэроионов в естественных условиях в том же объёме равно приблизительно 500-700 парам.
Концентрация аэроионов в атмосфере выражается числом положительных и отрицательных ионов в 1 см 3 . Отсюда, проводимость атмосферы состоит из полярных проводимостей – положительной и отрицательной, т.е.
- проводимость атмосферы,
n – число положительных и отрицательных аэроионов,
k – подвижность положительных и отрицательных аэроионов,
Полная проводимость атмосферы:
= 
+ 
= nk e + n k e
где:
Полная проводимость атмосферы
Положительная проводимость атмосферы
Отрицательная проводимость атмосферы
n - число положительных аэроионов
n - число отрицательных аэроионов
k - подвижность положительных аэроионов
k - подвижность отрицательных аэроионов
e – заряд аэроиона равный 4,810 -10 абсолютных электростатических единиц.
Плотность вертикального тока атмосферы можно выразить так:
I = 
где:
Полная проводимость атмосферы,
I- плотность вертикального тока атмосферы,
Вертикальный градиент потенциала.
Отношение положительных аэроионов к отрицательным близ поверхности земли равно приблизительно 1,2 т.е.:
K = 
= 1,2
где:
K – коэффициент униполярности,
n - число отрицательных аэроионов.
Присутствие в воздухе некоторого избытка положительных аэроионов объясняется тем, что почвенный воздух, выходя наружу через капилляры почвы, оставляет на них преимущественно отрицательные аэроионы. Как известно, проводимость почвенного воздуха в 30 раз больше проводимости воздуха атмосферного.
Электрическая проводимость атмосферы в среднем составляет 110 4 электрических едениц.
Плотность вертикального тока проводимости атмосферы 
Градиент потенциала электрического поля земли претерпевает резкие искажения благодаря разным неровностям на земной поверхности. Эквипотенциальные поверхности огибают препятствия и сгущаются над возвышенными предметами. Внутри зданий градиент потенциала электрического поля равен нулю, электрическое поле внутри зданий отсутствует даже при сильных атмосферно-электрических явлениях. Это обстоятельство учитывается при электроэффлювиальном методе аэроионофикации.
Ввиду того, что атмосферный воздух содержит, кроме газовых молекул, также и взвешенные в нём твёрдые или жидкие микрочастицы, адсорбирующие лёгкие аэроионы, ионизационное равновесие может быть выражено так:
q = 
n + n - + 
n + N - + 
n + N 0
где:
n - число положительных аэроионов,
N 0 - число нейтральных частиц.
Но так как число взвешенных микрочастиц обычно значительно больше числа лёгких аэроионов, ионизационное равновесие может быть представлено уравнением:
q = n + ( n - + N - + N 0) = / n t
где:
q – число аэроионов, образующихся в 1 см 3 /с,
n - число положительных аэроионов,
n - число отрицательных аэроионов,
Коэффициент рекомбинации лёгких аэроионов,
Коэффициент соединения лёгких аэроионов с заряженными частицами,
N - - число заряженных частиц,
N 0 - число нейтральных частиц,
t – промежуток времени,
n – общее количество ионов,
/ - постоянная исчезновения аэроионов.
Изменение числа аэроионов в атмосферном воздухе при изменении ионообразования выражается:
t – промежуток времени,
q – число аэроионов, образующихся в 1 см 3 /с,
/ - постоянная исчезновения аэроионов,
n – общее количество ионов.
В случае отсутствия ионообразования число ионов убывает со временем t по закону:
n = n 0 e 
Средняя продолжительность существования лёгких аэроионов может быть выражена так:
Многочисленные измерения числа лёгких аэроионов воздуха, произведённые во многих странах сотнями физиков, геофизиков, метеорологов и врачей, нельзя признать безусловно достоверными. Счётчик аэроионов Эберта, с помощью которого произведены эти измерения, далеко не удовлетворяют предъявляемым к нему требованиям.
Методика измерения числа аэроионов в единице объёма до сих пор не получила окончательного и точного решения вследствие сложного комплекса факторов, сопутствующих ионным процессам в атмосферном воздухе.
Ионизация
состоит в расщеплении молекул на электрон и ион (заряд +). Так как молекулы и атомы газа довольно устойчивы, то для ионизации нужно совершить работу против сил взаимодействия между электроном и ионом. Работа эта называется работой ионизации
. Работа ионизации зависит от природы газа и от энергетического состояния электрона.
Работу ионизации можно определить потенциалом ионизации 
.
Потенциалом ионизации
называется разность потенциалов, которую должен пройти электрон в ускоряющем электрическом поле, чтобы увеличение его энергии было равно работе ионизации.
, (1)
Потенциал ионизации (эВ),
Электрон-вольт (эВ) - энергия, которую приобретает частица, имеющая заряд, равный заряду электрона, прошедшая разность потенциалов 1 В. Эта внесистемная единица энергии в настоящее время допущена к применению в физике. 1эВ = 1,6021892·10 -19 Дж
Работа ионизации,
e – заряд электрона.
(2)
m- масса электрона (кг.)
V- скорость электрона (м/сек.)
e
– заряд электрона.
Если кинетическая энергия электрона равна:
, (2.1)
Энергия W, которую приобретает электрон при прохождении разности потенциалов U равна:
W=eU (2.2)
А потенциал ионизации (энергия, обладая которой электрон при столкновении в другим электроном сможет ионизировать его) равна:
T+W, (2.3)
То подставив (2.1) и (2.2) в (2.3) получим:
U – разность потенциалов, которую необходимо пройти 1 электрону,
чтобы обладать энергией, достаточной для ионизации электрона, с которым он столкнётся..
e – заряд электрона,
m- масса электрона (кг.),
V- скорость электрона (м/сек.),
Потенциал ионизации (эВ).
В некоторых газах, например в кислороде, углекислом газе, парах воды,
отделившийся электрон при одной из ближайших встреч с другой нейтральной
молекулой соединяется с ней, превращая ее в электроотрицательный ион.
Присоединение, «прилипанием электрона к нейтральной молекуле приводит в
подобных случаях к такой перестройке ее электронной оболочки, что в итоге энергия молекулы, захватившей лишний электрон, оказывается меньше энергии нейтральной молекулы на некоторую величину, которую называют энергией сродства к электрону.
Она колеблется у большинства различных газов 0,75--4,5 эВ. В инертных газах - в аргоне, неоне, гелии, криптоне, ксеноне, а также в азоте - отрицательные ионы не возникают.
Значения для некоторых молекул различных компонентов атмосферного воздуха приведены в таблице 1.
Таблица 1.
| Газ | Потенциал ионизации (эВ) |
| Ar | 15.8 |
| N 2 | 15.6 |
| H 2 | 15.4 |
| CO 2 | 14.4 |
| CO | 14.1 |
| SO 2 | 13.1 |
| H 2 O | 12.6 |
| O 2 | 12.5 |
| NO 2 | 11.0 |
| NO | 9.5 |
Скорость электрона (километр в секунду), прошедшего без столкновений
разность потенциалов U (вольт), определяется выражением:
Подставляя в эту формулу ионизационные потенциалы, видим, что электрон ионизирует газовые молекулы, когда скорость его движения свыше 1000 км/с.
В зависимости от того, каким образом производится ионизация, различают следующие виды ионизации:
1) Фотоионизация (воздействие рентгеновскими Х-лучами и гамма-лучами);
Известно, что ионизация воздуха и образование частичных поверхностных разрядов (ЧПР) могут произойти, например, при фотоионизации. Чтобы воздействие излучения привело к ионизации воздуха, должно выполняться условие 
с - скорость света;
Длина волны излучения;
h - постоянная Планка;
Wи - энергия ионизации
Определяя длину волны излучения по приведенной формуле, получим
10–7 м, или 103 Å.
Волны с такими длинами лежат на границе ультрафиолетового и рентгеновского излучений (так называемый вакуумный ультрафиолет), видимый же свет не может привести к ионизации воздуха.
2) Ионизация соударения (воздействие 
и 
частицами (электрон, позитрон);
Термическая ионизация (нагревание до высокой температуры).
4) Ионизация электрическим полем. Для того чтобы образовались отрицательные и положительные ионы в результате электростатической эмиссии, необходимо внешнее электрическое поле напряженностью более 1000 кВ/см. Этот вид ионизации наиболее распространим и его применяют для искусственной ионизации воздуха в бытовых помещениях, при помощи приборов, которые называются аэроионизаторы. Далее мы будем рассматривать этот вид ионизации.
В результате всех этих видов ионизации возникают носители тока. В этом случае говорят о несамостоятельной проводимости
газа. Если носители тока возникают в газе, которые обусловлены только приложенным к газу электрическим полем, проводимость называется самостоятельной
.
Рассмотрим несамостоятельный
газовый разряд. Газовым разрядом
называется прохождение тока через газ.
Под действием внешнего ионизатора происходит расщепление молекулы газа на электрон и ион . Электрон может быть захвачен нейтральной молекулой, которая превратится в ион.
Число пар ионизированных молекул в единице объема V
и в единицу времени t
обозначим через 
. Часть ионизированных молекул рекомбинируют
, т.е. происходит нейтрализация разноименных пар при их встрече.
Наличие рекомбинации препятствует безграничному росту числа ионов в газе и объясняет установление определенной концентрации ионов спустя короткое время после начала действия внешнего ионизатора.
Вероятность встречи двух ионов разных знаков пропорциональна как числу положительных, так и числу отрицательных ионов. Поэтому количество рекомбинирующих за секунду в единице объема пар ионов 
пропорционально квадрату числа имеющихся в единице объема пар ионов n
:
Количество рекомбинирующих пар ионов (за секунду в единице объема).
r
n
Концентрация ионов в газе:
где:
n – число одновременно генерируемых ионов в газе
v – коэффициент рекомбинации.
При отсутствии внешнего поля наступает равновесие: число пар ионизированных молекул равно числу пар рекомбинированных молекул, т.е.
, (3)
откуда число пар ионов в единице объема равно:
.
V и в единицу времени t .
r – коэффициент пропорциональности.
n - число имеющихся в единице объема пар ионов.
Под действием космического излучения и следов радиоактивных веществ, имеющихся в земной коре в 1 см 3 при равновесной концентрации ионов значение порядка 
. Эта концентрация недостаточна для того, чтобы обусловить заметную проводимость (чистый сухой воздух является очень хорошим изолятором).
Если, каждую секунду на электродах ионизатора нейтрализуется 
пар ионов, то сила тока в цепи будет равна:
, (4)
I
Ионизатора,
S – площадь электродов,
l
Ток между электродами ионизатора:
j – плотность тока
S – площадь каждого электрода в пространстве, между которыми имеет место эффект генерации ионов
Из выражения (4) получим, что концентрация пар ионов, нейтрализованных на электродах в единицу времени равна
, (5)
Количество пар ионов которые нейтрализуется на электродахионизатора,
I - сила тока между излучающими электродами ионизатора,
– заряд носителя тока (иона),
S – площадь электродов,
l – расстояние между электродами;
j – плотность тока.
При наличии тока условие равновесия ионов запишется следующим образом:E = Закон Ома полученый из выражения (8).
j – плотность тока,
- удельная электропроводность газа,
E – напряженность поля.
Во второй области на кривой зависимости 
линейная зависимость между плотностью тока и напряженностью нарушается вследствие того, что концентрация ионов в газе убывает.
В третьей области, начиная с некоторого значения напряженности плотность тока остается постоянной при увеличении Е. Это связано с тем, что при неизменной интенсивности ионизации в сильных электрических полях все ионы, образовавшиеся в единицу времени в газе достигают электродов. Значение плотности тока при этом называется плотностью тока насыщения
:
. (10)
J нас – плотность тока насыщения,
– заряд носителя тока (иона),
Число пар ионизированных молекул в единице объема V и в единицу времени t ,
l – расстояние между электродами.
Реальное значение тока насыщения в воздухе весьма мало и составляет примерно J нас =10 -15 А/м 2 .
За областью насыщения лежит область резкого возрастания плотности тока (на рис. 2 эта область изображена штриховой линией). Это возрастание объясняется тем, что, начиная с некоторого значения Е
, порождаемые внешним ионизатором электроны успевают за время свободного пробега приобрести энергию, достаточную для того, чтобы столкнувшись с молекулой, вызвать ее ионизацию, т.е.
, (11)
где 
– кинетическая энергия электрона; 
– работа ионизации молекулы. Возникшие при ионизации электроны, разогнавшись, вызывают в свою очередь ионизацию. Таким образом, происходит лавинообразное размножение первичных ионов, возникших при воздействии внешнего ионизатора. Однако процесс не утрачивает характера несамостоятельного разряда.
Проводимость воздуха, свойство воздуха проводить электрический ток. П. а. создаётся атмосферными ионами и возрастает с повышением подвижности и концентрации последних. Исходя из этого П. а. возрастает с ростом чистоты и ионизации воздуха и уменьшением её плотности, что ведет к зависимости П. а. от метеорологических черт.
С ростом влажности, повышением концентрации частиц пыли, туманов и туч практически всех видов П. а. значительно уменьшается; лишь в грозовых тучах, где ионизация высока, П. а. может заметно возрастать. Под влиянием индустриальной загрязнённости П. а. в целом значительно уменьшается, в особенности очень сильно в городах, но кроме того в центре Атлантики она упала за 50-летний период практически в 2 раза. Ядерные взрывы заметно увеличивают П. а. Средняя величина удельной П. а. у поверхности Почвы 2,2?10-18 ом-1?м-1.
Она разна в различных пунктах Почвы и изменяется во времени. Дневная амплитуда колебаний П. а. над континентами образовывает около 20% от среднего, годовая до 30%; над океанами эти колебания меньше.
В чистой атмосфере П. а. растет с высотой по экспоненциальному закону, удельная П. а. доходит до 13?10-18 ом-1?м-1 на высоте 6 км и до 300?10-18 ом-1?м-1 на высоте 30 км. В ионосфере П. а. обусловлена электронами и многократно превосходит П. а. в тропосфере. Неспециализированная П. а. в слое от поверхности Почвы до ионосферы равна 0,5?10-2 ом-1.
Перемещения объёмных зарядов в воздухе (см. Атмосферное электричество) за счёт воздушных турбулентной диффузии и движений приводят к эффектам, родные к создаваемым П. а. в электрическом поле. Для характеристики этих эффектов вводят соответственно понятия конвективной и турбулентной проводимости.
Лит.: Чалмерс Дж. А., Атмосферное электричество, пер. с англ., Л., 1974; Имянитов И. М., методы и Приборы для изучения электричества воздуха, М., 1957, гл. 7; Имянитов И. М., Чубарина Е. В., Шварц Я. М., Электричество туч, Л., 1971.
И. М. Имянитов.
Читать также:
Атмосферное электричество. Молнии (рассказывает физик Владимир Бычков)
Проводимость атмосферы
способность атмосферы проводить электрический ток. П. а. создаётся атмосферными ионами и возрастает с увеличением концентрации и подвижности последних. Поэтому П. а. увеличивается с ростом ионизации и чистоты атмосферы и уменьшением её плотности, что приводит к зависимости П. а. от метеорологических характеристик. С ростом влажности, увеличением концентрации частиц пыли, туманов и облаков почти всех видов П. а. уменьшается; только в грозовых облаках, где ионизация высока, П. а. может заметно увеличиваться. Под влиянием индустриальной загрязнённости П. а. в целом уменьшается, особенно сильно в городах, но даже в центре Атлантики она упала за 50 лет почти в 2 раза. Ядерные взрывы заметно увеличивают П. а. Средняя величина удельной П.
а. у поверхности Земли 2,2․10 -18 ом
-1 ․м
-1 . Она различна в разных пунктах Земли и меняется во времени. Суточная амплитуда колебаний П. а. над континентами составляет около 20% от среднего, годовая до 30%; над океанами эти колебания меньше. В чистой атмосфере П. а. растет с высотой по экспоненциальному закону, удельная П. а. доходит до 13․10 -18 ом
-1 ․м
-1 на высоте 6 км
и до 300․10 -18 ом
-1 ․м
-1 на высоте 30 км.
В ионосфере (См. Ионосфера) П. а. обусловлена электронами и во много раз превосходит П. а. в тропосфере. Общая П. а. в слое от поверхности Земли до ионосферы равна 0,5․10 -2 ом
-1 .
Перемещения объёмных зарядов в атмосфере (см. Атмосферное электричество) за счёт воздушных движений и турбулентной диффузии вызывают эффекты, близкие к создаваемым П. а. в электрическом поле. Для характеристики этих эффектов вводят соответственно понятия конвективной и турбулентной проводимости. Лит.:
Чалмерс Дж. А., Атмосферное электричество, пер. с англ., Л., 1974; Имянитов И. М., Приборы и методы для изучения электричества атмосферы, М., 1957, гл. 7; Имянитов И. М., Чубарина Е. В., Шварц Я. М., Электричество облаков, Л., 1971. И. М. Имянитов.
Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .
Смотреть что такое "Проводимость атмосферы" в других словарях:
Способность атмосферы проводить электрический ток. Создается атмосферными ионами и увеличивается с ростом ионизации и чистоты атмосферы и уменьшением ее плотности … Большой Энциклопедический словарь
Способность атмосферы проводить электрический ток. Создаётся атмосферными ионами и увеличивается с ростом ионизации и чистоты атмосферы и уменьшением её плотности. * * * ПРОВОДИМОСТЬ АТМОСФЕРЫ ПРОВОДИМОСТЬ АТМОСФЕРЫ, способность атмосферы… … Энциклопедический словарь
Способность атмосферы проводить электрич. ток. Создаётся атм. ионами и увеличивается с ростом ионизации и чистоты атмосферы и уменьшением её плотности … Естествознание. Энциклопедический словарь
И; ж. 1. Спец. Способность вещества, среды пропускать через себя и передавать теплоту, звук, электрический ток и т.п. П. металла. П. раствора. П. атмосферы. Электрическая п. П. тепла. 2. Биол. Способность нервных и мышечных тканей животного… … Энциклопедический словарь
проводимость - и; ж. 1) спец. Способность вещества, среды пропускать через себя и передавать теплоту, звук, электрический ток и т.п. Проводи/мость металла. Проводи/мость раствора. Проводи/мость атмосферы. Электрическая проводи/мость. Проводи/мость тепла. 2) … Словарь многих выражений
Стационарное электрическое поле, создаваемое электрическими объёмными зарядами (См. Электрический объёмный заряд) в атмосфере, собственным зарядом Земли и зарядами, индуцированными в атмосфере. Характеристики Э. п. а. напряжённость поля и …
Раздел метеорологии (См. Метеорология), изучающий физические закономерности процессов и явлений, происходящих в атмосфере, в том числе определяющих строение и самой атмосферы: свойства составляющих атмосферу газов, поглощение и излучение… … Большая советская энциклопедия
Атмосферное электричество совокупность электрических явлений в атмосфере, а также раздел физики атмосферы, изучающий эти явления. При исследовании атмосферного электричества изучают электрическое поле в атмосфере, её ионизацию и проводимость,… … Википедия
1) совокупность электрических явлений и процессов в атмосфере (См. Атмосфера), 2) раздел физики атмосферы, изучающий электрические явления в атмосфере и её электрические свойства. При исследовании А. э. изучают электрическое поле … Большая советская энциклопедия
Газовая оболочка, окружающая небесное тело. Ее характеристики зависят от размера, массы, температуры, скорости вращения и химического состава данного небесного тела, а также определяются историей его формирования начиная с момента зарождения.… … Энциклопедия Кольера