Процесс ионизации приземной атмосферы.

Процесс ионизации приземной атмосферы.

Данная информация в рубрике «Электрические «фокусы» пчёл» является «проходной» и о пчёлах мы ни чего тут не встретим. Да, процессы, о которых пойдёт речь, протекают в непосредственном контакте с местом жительства пчёл. Однако прямое практическое применение этих сведений не представляется возможным, однако их следует учитывать для понимания причин и протекания процессов во время осеннего слёта пчёл. Прямое назначение этого материала всесторонне и подробно раскрыть суть названия статьи в целях пояснения особенностей приземного электричества.

От чего зависит состояние атмосферы

Электрические процессы в атмосфере вблизи границы с земной поверхностью очень сложны. Атмосферно-электрические характеристики приземного слоя определяются различными процессами: интенсивностью перемешивания атмосферы, интенсивностью ионизации, загрязненностью и увлажненностью воздуха (туман, дождь, снег), температурой и давлением воздуха, временем суток и временем года и пр.

Состав атмосферы

Саму атмосферу можно рассматривать как коллоидную систему, в которой растворителем является смесь газов: воздух, твердые и жидкие примеси, являющиеся аэрозолями. В процентном отношении содержание газов в атмосфере выглядит так: Азот N2 — 78,084%; Кислород O2 — 20,946%; Аргон Ar — 0,93%; Водяной пар H2O — 0,5-4%; Углекислый газ CO2 — 0,032%; Неон Ne -1,818×10-3%; Гелий He — 4,6×10-4%; Метан CH41,7×10-4%; Криптон Kr1,14×10-4%; Водород H25×10-5%; Ксенон Xe8,7×10-6%; Закись азота N2O5×10-5%. Концентрация основных газов атмосферы, за исключением водяных паров и углекислого газа, постоянна. В небольших количествах в атмосфере содержатся: озон O3, углеводороды, аммиак NH3, оксид серы SO2, монооксид углерода СО, монооксид азота NO, хлороводород HCl, фтороводород HF, пары ртути Hg, йода I2 и многие другие. Мельчайшие твёрдые и жидкие частицы в атмосфере способствуют появлению аэрозолей, лёгких ионов и электропроводности, выпадению осадков. Аэрозольные частицы имеют размеры от 0,002 мкм до 1 мкм. К аэрозольным компонентом природного происхождения нижней атмосферы относятся: минеральная и вулканическая пыль, частицы, образовавшиеся в результате конденсации летучих органических соединений, промышленные выбросы (дым, сажа, дорожная пыль), продукты химических реакций газов, частицы почвенного происхождения, океанические аэрозоли и пр. Частицы, размером 0,01-0,2 мкм, оказывают существенное влияние на значения величин атмосферного электричества.

Откуда взяться электричеству в атмосфере

Как мы знаем, газы в сухом атмосферном воздухе электричество не проводят. Но, подвергнув газ внешнему воздействию (высокой температуре, рентгеновским лучам и излучениям радиоактивных препаратов, ультрафиолетовому излучению), можно вызвать в нем электропроводящие свойства. Заряженные частицы появляются вследствие того, что от атомов газа отщепляется один или несколько электронов, в результате чего возникают положительный ион и электроны. Часть образовавшихся электронов захватываются другими нейтральными атомами, и появляются еще и отрицательные ионы. (Ход процесса увидим ниже.) Постоянный электрический ток в газе возможен лишь при условии преобладания процессов ионизации над процессами рекомбинации. При рекомбинации нейтральные молекулы образуются в результате объединения ионов и электронов. Отрыв электрона от атома (ионизация атома) требует затраты определенной энергии — энергии ионизации. Энергия ионизации может быть придана частице различными способами: ударным, ступенчатым, термическим, либо с помощью фотоионизации.

Как протекает процесс ионизации в атмосфере

Сама ионизация сложна и запутана, в ней идёт множество параллельных процессов. Посмотрим на несколько примеров. Процесс первый: ионизирующая частица или гамма-квант срывает с внешней орбиты нейтральной молекулы электрон, создавая, таким образом, положительный ион, а свободный электрон «прилипает» к первой встречной молекуле и либо образует отрицательный ион, либо нейтрализует заряд, если молекула положительно заряжена. Процесс второй: в результате диссоциации молекулы разбиваются на разнополярные ионы атомов или осколки молекулы, которые нейтрализовываются, воссоединяясь с подобной оторванной частью другой частицы, либо вступают в реакцию с какой-либо нейтральной молекулой и образовывают ион нового вещества. Процесс третий: при столкновении иона вещества с какой-либо нейтральной молекулой, имеющей более низкий потенциал ионизации, произойдёт перезаряд ионов, в результате которого нейтральная молекула станет ионом, а ион превратится в нейтральную молекулу. Процесс четвёртый: происходит возбуждение молекул, в результате которого, электрон или несколько выталкиваются на высокую орбиту и при встрече двух таких молекул, электрон «выбрасывается» с внешней орбиты, остальные возбужденные электроны за счёт этого возвращаются на прежние орбиты уже к положительному иону. «Выброшенный» электрон, при столкновениях с другими молекулами начнет передавать им часть своей энергии, создавая очень большое число пар ионов до тех пор, пока, не растеряв всю энергию, не создаст отрицательный ион, прилипнув к нейтральной молекуле. Вновь образовавшиеся ионы называются первичными (заряженные атомы или молекулы и живут в таком состоянии одну десятимиллионную долю секунды).

В результате, вышеперечисленной суеты рождения первичных ионов, наводится «новый порядок», и в воздухе «живут» положительные ионы кислорода (O2+), окиси азота (NO+), двуокиси азота (NO2+), оксониума (H3O+), молекулы воды с оторванным электроном (H2O+), а также отрицательные ионы кислорода(O2), азота (N2), окиси азота(NO). За счет примесей в воздухе могут возникать различные ионы того и другого знака. В частности из-за низкого потенциала ионизации очень легко «рождаются» ионы сероводорода (H2S) аммиака (NH3), хлора (Cl2).

Что способствует ионизации атмосферы

Образованию заряженных частиц в атмосфере способствуют различные процессы. Некоторые из них имеют локальные рамки. Например, образование зарядов в атмосфере, путём разбрызгивания водяных капель в воздухе, может иметь место только около водопадов либо на морском берегу или просто в барашках волн в реке. Термическая ионизация возможна при извержениях вулканов и лесных пожарах. Ионизация ударом молнии, имеет место только во время гроз. Фотоэлектрический эффект играет важную роль в процессе ионизации в ионосфере и, вообще, только днём. (Фотоионизация происходит при взаимодействии фотона с молекулой или атомом, а энергия фотона равна или превышает потенциал ионизации молекулы или атома.) Образование ионов может происходить и во время пылевых бурь, метелей, стеканием зарядов с острых предметов, в том числе и с иголок хвойных деревьев, а также в процессе человеческой деятельности. Источником ионизации могут выступить даже некоторые ароматические вещества. Нас же интересует ионизатор, под действием которого интенсивность образования пар ионов в единице объема за единицу времени будет достаточно высока при обычных условиях на огромных пространствах.

Ионы в лесу

В лесу в воздухе содержится 3000 отрицательных ионов на куб. см.
У водопада — 50 000; в горах — от 8000 до 12 000; на берегу моря – 4000; после грозы — от 1500 до 4000; в сельской местности — от 500 до 1200. Большое содержание полезных ионов будет иметься на солнце, у фонтанов и родников и даже под душем. На городской улице отрицательных ионов в воздухе содержится всего от 100 до 500 единиц на куб. см.

Источники ионизации атмосферы

Что может выступать в качестве такого обычного естественного источника ионизации атмосферы в разных ее слоях? Перечисляем. Естественная радиоактивность — приземной слой до 3 км. Космические лучи – вся атмосфера. Коротковолновое излучение солнца – верхняя атмосфера выше 50 км. Солнечный ветер – ионосфера. Молниевые разряды – область грозовых облаков. Данное перечисление показывает, что для приземного слоя атмосферы в естественных условиях основными ионизаторами являются излучения радиоактивных элементов и космические лучи. Доля космического излучения около 50% и составляет 3-6 мкР/час. Остальная доля радиационного фона приходится на естественную радиоактивность горных пород.

Космические лучи как источник ионизации

Космические лучи представляют собой поток протонов очень высоких энергий, поступающий из всех областей космического пространства. Явление, получившее название космических лучей, изучено сравнительно мало, но эффект впечатляющий. Длинна волны составляет от 0,0007 до 0,0004 А с очень высоким проникающим ионизирующем действием (глубина проникновения лучей в 90 раз выше, чем у самой современной рентгеновской установки). Величина излучения космических лучей совсем не зависит от погодных условий и прочих факторов. (Предполагается, что такие лучи обусловлены процессами, происходящими в ядрах атомов некоего вещества, находящегося в мировом пространстве.) Не смотря на то, что ультрафиолетовые солнечные лучи сильно поглощаются воздухом, но и то небольшое количество, которое проходит, заставляет некоторые минералы (шпат, гранит) выделять отрицательные электроны. Что вносит дополнительный вклад в ионизацию нижних слоёв атмосферы. Эти первичные лучи, взаимодействуя в верхних слоях, образуют вторичные лучи: мягкие (потоки электронов и позитронов) и жесткие (мезоны и протоны) космические лучи. Их действию подвергается вся планета. Над морем и океаном именно они выступают основными ионизаторами атмосферы.

Естественная радиоактивность земной материи как источник ионизации

Над сушей помимо космических лучей главными ионизаторами воздуха являются остаточные излучения радиоактивных веществ земной коры. Колебания ионизации обусловлены выходом газа из горных пород и грунта, что прямо связано с солнечно-магнитными возмущениями и реакцией Земли. Радиоактивные газы и продукты их распада поступают в атмосферу по почвенным капиллярам. Ионизация от радиоактивных веществ может быть вызвана α-, β- и γ-лучами. На количество радиоактивных веществ в приземной атмосфере влияют разные факторы. Например, интенсивность выделения радиоактивных веществ зависит от состояния поверхности почвы (температуры, влажности, характера покрова), скорость рассеивания радиоактивных веществ в атмосфере определяется периодом радиоактивного распада, перемешиванием атмосферы, вымыванием радиоактивных примесей осадками. Локальными ионизаторами служат ураноносные породы. При этом радиоактивность пород неодинакова. Повышенная радиоактивность обуславливается наличием урана с соответствующим образованием радиоактивных газов (радона и тория). Радиоактивный фон повышается и на участках земной коры, содержащих калий. Радиоактивными породами являются так же граниты, гнейсы, сланцы, вулканические туфы, металлические руды, фосфориты. Повышенная проницаемость радиоактивных газов проявляется и в зонах тектонических нарушений, особенно в крупных разломах. Космическое тело нашей планеты иссечено многочисленными линейными и кольцевыми разломами земной коры, мелкими трещинами, спрятанными под землей куполовидными складками и т.п. Даже гигантская Русская платформа покрыта сеткой трещин. Расположение многочисленных разломов частично выдают лишь, текущие исключительно по ним, реки.

Основные источники естественной радиации Земли

Преимущественную роль в ионизации приземной атмосферы играют газообразные продукты превращения изотопов радия (Rn, Tn, An). Самым весомым из всех источников радиации является невидимый, не имеющий вкуса и запаха тяжелый газ радон. В природе радон встречается преимущественно в двух основных формах: в виде радона 222 (Rn 222), члена радиоактивного ряда продуктов распада урана 238, и в виде радона 220 — торона (Rn 220), члена радиоактивного ряда тория 232. Причем по вкладу в ионизацию атмосферы радон 222 эффективнее. Для сравнения: актион (Rn219) — период полураспада 3,92 секунды, торон (Rn220) — 54,5 секунды, радон (Rn222) – 3,82 суток. При распаде газа и продуктов появляются α- частицы (с энергией в несколько МэВ), электроны (энергия от 100 кэВ до Мэв) и у- кванты (энергия в несколько сотен кэВ). Через почву по системе капилляров непрерывно просачивается воздух, несущий с ювенильными газами радиоактивные эманации. Так, содержание радона в почвенном воздухе в разы выше, чем в приземной атмосфере, вследствие чего проводимость почвенного воздуха в 30 раз превышает проводимость атмосферного воздуха. Радон, повсеместно высвобождаясь из почвы, перемещается в воздушных слоях атмосферы. Его концентрация в воздухе находится в прямой зависимости от местности, давления, влажности, изменения силы ветра и прочих природных факторов.

Ионный слой приземной атмосферы

Ионный состав атмосферы в приземном слое довольно сложен. Процентное соотношение различных газов в приземном слое воздуха очень разнится в зависимости от условий. Атмосферные ионы различаются по химической природе входящих в них молекул, массой, подвижностью (подвижность изменяется обратно пропорционально плотности газа). Подвижность отрицательных ионов, как правило, больше чем положительных. Мономолекулярные (первичные) ионы существуют очень короткое время. В результате действия поляризационных сил практически мгновенно к ионам образованным в обычных условиях в результате ионизации, присоединяются нейтральные молекулы. Наибольшей поляризуемостью обладают молекулы воды и углекислого газа, а наименьшей – молекулы кислорода и инертных газов.

Как протекают электростатические процессы в приземной атмосфере

Радиационно-химические процессы с участием ионов протекают в следующей последовательности: ионизация — ионно-молекулярная реакция — рекомбинация (с участием вторичных ионов и более глубоких поколений). Образовавшиеся активные частицы (радикалы, атомы, возбужденные частицы) в свою очередь участвуют в химических превращениях, давая конечные продукты радиолиза. В центре положительного иона расположен заряд в виде протона. При движении иона, нейтральные молекулы (от 13 до 20 молекул в сухом воздухе и от 11 до 15 молекул во влажном воздухе), облепившие его, непрерывно сменяются другими соседними молекулами. У отрицательного иона на внешней орбите находится лишний электрон, к которому сначала «прилипает» какая-нибудь поляризованная молекула, а затем вокруг этих двух молекул собираются в виде кольца несколько нейтральных молекул (6-8 молекул в сухом воздухе или 5-7 молекул во влажном), которые так же непрерывно заменяются другими нейтральными молекулами. Такое образование принято называть легким  ионом (комплексным, кластерным). В течение своей жизни кластерный (легкий) аэроион участвует в огромном количестве столкновений и химических превращений, чем он старше, тем более редкие примеси могут определять его состав. Вероятность рекомбинации ионных кластеров возрастает при повышенных давлениях (при повышении атмосферного давления напряженность поля увеличивается, при падении – снижается), когда пространство взаимного притяжения зарядов позволяет ускоряющимся ионам сталкиваться с нейтральными частицами и передавать им часть энергии. Всё время «жизни» лёгкие (вторичные) ионы находятся под действием электрического поля Земли. Под его влиянием положительные ионы движутся к земле, а отрицательные ионы направляются в верхние слои атмосферы. Их движение создает ток (ток проводимости). Кроме того, ионы, увлекаемые воздушными течениями, создают конвекционный ток, величина и направление которого зависят от силы и направления ветра. Условно считается напряженность поля у поверхности земли равна 130 в/м, на самом деле она имеет большой разброс в зависимости от места измерения. С увеличением высоты напряженность поля падает. Поэтому у земли положительных ионов почти всегда чуть больше, а в верхних слоях атмосферы – наоборот. Ионизированный воздух становится проводником электричества. Поэтому заряженное тело, находящееся в атмосфере, постепенно теряет свой заряд, который нейтрализуется ионами воздуха, заряженными противоположным электричеством. Рассеяние отрицательного заряда происходит быстрее, чем положительного (приблизительно в 1,3—1,5 раза).

Сталкиваясь с мельчайшими аэрозольными частицами, легкие ионы отдают им свой заряд. Такие частицы получили название тяжелых («ионы Ланжевена»). По своей физической сути эти образования не являются «ионами», а являются заряженными аэрозольными частицами. Кроме этих ионов в атмосфере существуют ещё и средние. Проводимость атмосферы обусловлена легкими ионами, роль средних и тяжелых ионов в проводимости воздуха очень мала. Тяжёлые ионы опускаются на землю и способствуют поддержанию отрицательного заряда почвы.

От чего зависит электропроводность приземной атмосферы

Электропроводность атмосферы имеет широкие пределы, так как тесно связана с её общим физическим состоянием и поэтому в значительной степени определятся местными особенностями. Наличие различных примесей (мелкие пылинки, капельки и прочие частицы) приводит к уменьшению электропроводности. Уменьшение легких ионов в воздухе снижает электропроводимость. Низкие значения электропроводности в приземном слое наблюдаются при скоплении аэрозолей, адсорбирующих ионы вблизи земной поверхности (низкие скорости ветра, температурные инверсии). Появление в воздухе частиц, помутняющих атмосферу приводит к тому, что значения градиента потенциала не только уменьшаются, но и переходят в область отрицательных значений.

При приближении к приповерхностной области какого-либо тела (адсорбента), ионы под действием молекулярных сил притягиваются к поверхности. В зависимости от условий заряженные молекулы на поверхности постороннего тела или жидкости ведут себя по разному: образовывают мономолекулярный слой, многослойно адсорбируются, просто мигрируют по поверхности.

Рассматривая вопросы ионообразования и обмена зарядами между атмосферой и землей, необходимо учитывать процессы диффузии и адсорбции ионов. Толщина адсорбирующего слоя земной поверхности в течение суток может достигать 0,6-1 м. В то же время ночью она составляет не более 0,3 метра. На это сильно влияют метеоусловия. Дневные и ночные метеоусловия сильно отличаются. Дневное время отличается повышенной температурой, солнечной радиацией, интенсивным турбулентным перемешиванием. Ночью в условиях глубокой инверсии температуры воздуха, когда ослаблено турбулентное перемешивание, наиболее часты низкие значения поглощения. (С ростом турбулентности ночью, вырастет и толщина слоя поглощения.) Вместе с тем, в ночных условиях при отсутствии заметного обмена воздушных масс в нижних слоях атмосферы, вблизи земной поверхности удается компенсировать потерю ионов вследствие адсорбции, в результате — в приземном слое повышается содержание радиоактивных газов (родона и др.) и увеличивается электропроводность. Пик наибольшей концентрации ионов наблюдается ночью до восхода Солнца, с восходом концентрация ионов понижается. Меньше всего их наблюдается в полдень. Концентрация легких, отрицательно заряженных аэроионов, возрастает при прохождении теплых воздушных фронтов и снижается в холодных фронтальных массах воздуха. Летом лёгких ионов больше, чем зимой. Особенно их много после дождя. В чистом воздухе у поверхности Земли в 1 см3 содержится приблизительно 500-1000 лёгких ионов (причём положительно заряженных на 10-20% больше, чем заряженных отрицательно) (соотношение положительных и отрицательных ионов (n+/n-) носит название коэффициента униполярности).

P.S. При исследовании электричества приземного слоя атмосферы возникает вопрос относительно роли ионосферы (потому как название морфологически родственно слову «ион»). Сделаем короткий экскурс в ионосферу. Ионосфера простирается на расстояние от 50 до 1000 км. от Земли. (Это уже далеко от нас!) Она представляет собой смесь газа из нейтральных атомов и молекул с квазинейтральной плазмой. Число заряженных частиц на один кубический сантиметр воздуха составляет в среднем 1015-1016. Электропроводность ионосферы в 1012 раз больше, чем у земной поверхности. В ионосфере выделяются 3 слоя с максимальной ионизацией: D, E и F. На высоте между 60 и 90 км. находится самый нижний из ионосферных слоев — слой D. (Сразу же бросается в глаза слишком большая удалённость от поверхности земли.) Ионизация воздуха в слое D, достигаемая за счёт солнечной радиации и выражена слабо. Ионизируются водород, кислород, оксид азота. Максимальная плотность заряженных частиц составляет 102-103 см3. Ночью остаточная ионизация слоя связана с воздействием галактических космических лучей. Иногда она прекращается совсем. До высоты 120 км «лежит» слой Е. Плотность плазмы здесь доходит до 105 см3. Всё, что находится выше 130-140 км, занимает слой F. Он состоит из атомарного кислорода, протонов водорода и ионов гелия, образующихся под воздействием солнечной радиации. Максимальная степень ионизации слоя наблюдается на высотах 150-200 км. В результате диффузии частицы «мигрируют» вверх и вниз. С освещённой стороны планеты отмечается две области с плотностью заряженных частиц доходящей до 105-106. Ночью остаётся одна область (так называемая F2) на высотах 300-400 км, ионизация в ней идет также под воздействием космических лучей, метеоров и т.д. Второй слой (F1) ночью исчезает. Явления в ионосфере зависят от действия солнечного ветра и поэтому испытывают существенные колебания: часто возникают электронные облака в виде обширных спорадических скоплений электронов, магнитные бури. Ионосфера как источник непосредственный ионизации приземной атмосферы, для нас не представляет непосредственного интереса, вследствие её удалённости от земных равнин. Всё, что там происходит, до поверхности планеты практически не успевает добраться. Частицы, участвующие в ионосферных событиях, не причастны к околоземным процессам ионизации (за исключением, пожалуй, полярных областей, и то, во время «бурь»). Другое дело — электромагнитные процессы, они имеют связи. Магнитодинамические волны, генерируемые в магнитосфере, движутся по естественным волноводным каналам вдоль силовых линий магнитного поля Земли. Затрагивая ионосферу, они преобразуются в электромагнитные волны. Те, в свою очередь, частично распространяются в ионосферном волноводе и затухают, а частично возвращаются к поверхности Земли в виде магнитных пульсаций (10-2—10 гц), либо низкочастотных волн (колебания с частотой 102—104 гц). Изменения ионосферы и движения в ней влияют на вариации геомагнитного поля. Переменное магнитное поле Земли, источники которого локализованы в ионосфере и магнитосфере, индуцирует электрическое поле в земной коре, особенно во время магнитных бурь. В то же время ионосферные процессы заметно влияют на электрическое состояние высокогорных и высокоширотных районов. В таких местах стоит обращать внимание на связь ионосферных процессов с земными.
Опубликовано Новиковым С.Н. © //www.maymed.ru , 2012.

Вы можете оставить комментарий.


2 комментария to “Процесс ионизации приземной атмосферы.”

  1. джони:

    Не подскажете, чем обьяснить ионизацию внутри пирамид (аквифер, гранит) ? Там горят лампы типа семисвечников.

    • Самое первое, что приходит на ум – это скопление радиоактивных газов (торон, радон, актион) в полостях подземных пустот, в частности, внутри пирамиды. Другое элементарное объяснение возникновению ионизации в пирамиде – это сейсмоакустическая эмиссия, она всегда вызывает ионизацию атмосферы. Можно поискать и более сложные объяснения: внутренними высокочастотными резонансами, э\м волнами и термодинамикой по отдельности и в совокупности, но первые два варианта наиболее просты в исполнении Природы.

Выскажите своё мнение