Электрическое состояние атмосферы

 

 ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ  АТМОСФЕРЫ

 
Рассмотренная выше картина взаимодействия газов, паров и аэрозольных частиц будет неполной, если не учитывать  электрическое состояние атмосферы  и связанные с ней процессы ионизации воздуха и электрической  зарядки (разрядки) аэрозолей.

К сожалению, этим факторам по сравнению с другими все  еще уделяется (в учебной литературе) относительно мало внимания, хотя исключительная роль ионизации воздуха для живых  организмов была доказана работами А.Л. Чижевского еще в 20-30 гг. XX века.

И хотя количество аэроионов  в воздухе много меньше количества молекул или аэрозольных частиц, наличие в достаточном количестве легких отрицательных аэроионов  является жизненно необходимым для  всех живых существ. Это доказывается быстрой гибелью лабораторных животных, помещенных в неионизированную или де-ионизированную атмосферу.

Исключительная  сложность процессов аэроионизации  и связанная с этим сложность  экспериментального наблюдения за аэроионами обусловили противоречивость данных и  мнений в этой области.

Важнейшей «наблюдаемой»  характеристикой аэроионов является их подвижность в электрическом  поле. Чем больше размер аэроиона, чем  больше его масса (чем он тяжелее), тем меньше его подвижность. Для  получения полной картины аэроионной обстановки (содержания локализованных электрических зарядов) строят спектры распределения аэроионов по подвижности.

Различия в подвижности  позволяют разделить аэроионы на разные классы. Наибольшую известность  в литературе получило деление аэроионов  на легкие, имеющие подвижность более 0,5 см2 / (В•с), средние и тяжелые, имеющие подвижность менее 0,1 см2 / (В•с). Иногда (особенно в старой литературе) говорят еще об ультратяжелых аэроионах (ионах Ланжевена).

Такое деление носит  исключительно феноменологический характер (заметим, что в англоязычной литературе легкие аэроионы называются «малыми» (small), а тяжелые – «большими» (large)) и вызвано возможностями экспериментального наблюдения за электрическими свойствами воздуха.

Долгие годы считалось (и эти воззрения все еще  кочуют по «рекламно-развлекательным» статьям в СМИ), что легкие аэроионы представляют собой классические ионы отдельных атомов или молекул, а тяжелые аэроионы представляют собой электрически заряженные высокодисперсные аэрозоли.  
Развитие науки позволило в конце XX века уточнить эти понятия.

В целом, согласно современным  физическим представлениям, следует  различать молионы (т.е. ионы классической атомно-молекулярной теории) и аэроионы, представленные кластерными ионами либо электрозаряженными аэрозолями.

Заметим, что процесс ионизации природного воздуха происходит под действием целого ряда ионизирующих факторов, из которых главными являются радиоактивность почвы, горных пород, морских и подземных вод, космические лучи, атмосферные электрические разряды (молнии), разбрызгивание воды (эффект Ленарда) в водопадах, в барашках волн и т.п., ультрафиолетовое излучение Солнца, пламя лесных пожаров, некоторые ароматические вещества и т.д.

Считается, что под  влиянием перечисленных факторов то одна, то другая газовая молекула воздуха теряет один из своих электронов (элементарный электрический заряд) и превращается вследствие этого в положительный ион молекулярных размеров (молион).

Выделившийся свободный  электрон тотчас же присоединяется в  какой-либо нейтральной газовой  молекуле (как правило, кислорода), превращая ее в отрицательно заряженный молекулярный ион (молион).

Таким образом, в  условиях атмосферы при ионизации  газовой молекулы всегда образуется пара противоположно заряженных молекулярных ионов (молионов).

Молионы имеют высокую подвижность и могут значительное время существовать только в вакууме. Время жизни молионов в воздухе чрезвычайно мало (порядка долей миллисекунды), поскольку образовавшийся молион либо мгновенно становится центром нуклеации других молекул, либо захватывается аэрозольной частицей.

Образующийся вокруг первичного молекулярного иона (молиона) за счет присоединения к нему группы [по-английски – claster – кластер] от 2 3 до 15-30 нейтральных молекул кластер  имеет электрический заряд молиона  и экспериментально наблюдается как легкий аэроион с подвижностью более 0,5 см2 / (В•с). Такие аэроионы получили название кластерных аэроионов. [Заметим, что по физической сути других «аэроионов» просто нет!].

Участвуя в тепловом движении, кластерный аэроион сталкивается с другими кластерными аэроионами, аэрозольными частицами, молионами и нейтральными молекулами.

При каждом столкновении кластерного аэроиона с нейтральной  молекулой может произойти химическая реакция. Заметим, что заряженные молекулы обладают химическими свойствами, отличающимися от химических свойств нейтральных молекул. Они гораздо активнее и могут образовывать соединения, непривычные в химии нейтральных молекул. Химические реакции с участием ионов (аэроионов) называются ионно-молекулярными реакциями.

Несмотря  на существование обширных сведений об ионно-молекулярных реакциях, уверенно сказать, что конкретно происходит с аэроионом в реальном воздухе, на современном уровне знаний невозможно, ибо для этого мы должны знать  характеристики всех типов молекул, кластеров или аэрозолей, с которыми аэроион может встретиться в серии из 1012 столкновений.

Для этого  мы должны определить все примеси  воздуха, удельная концентрация которых  не ниже 10 10%. В настоящее время  это технически невозможно. Заметим, что на таком уровне концентраций реальный воздух может содержать всевозможные экзотические вещества, а его конкретный состав – сильно изменяться в пространстве и во времени.

Поэтому об эволюции и составе кластерных (легких) аэроионов можно высказать  лишь некоторые общие соображения.

Основу  кластерного аэроиона составляет молекула какого-то активного вещества. В  случае отрицательных аэроионов  активность веществ зависит от сродства к электрону. Наивысшие сродства к электрону характерны для циана, галоидов и их соединений. Активно участвуют в химии отрицательных аэроионов также окислы азота и серы.

Активность  веществ в реакциях с положительными аэроионами коррелированна с потенциалом  ионизации. Основой положительного аэроиона могут быть, в частности, аммиак и сернистый водород. Наиболее активными веществами (относительно реакции с положительными аэроионами) являются щелочные металлы (литий, калий, натрий).

Кроме молекулы активного вещества, которая  составляет основу аэроиона, легкий аэроион  содержит еще несколько добавочных молекул, «прилипших» к основной молекуле и удерживаемых как электрическими, так и молекулярными силами. Число таких молекул может меняться от столкновения к столкновению и обычно не превышает десяти.

В течение  своей жизни кластерный (легкий) аэроион участвует в огромном количестве столкновений и химических превращений. При этом, чем старше кластерный аэроион, тем более редкие примеси могут определять его состав.

Если  воздух не содержит каких-то специальных  примесей, то к основной молекуле кластера (молиону) прилипают молекулы воды. Наиболее подвижные реально существующие в доступных для наблюдения количествах кластерные аэроионы представляют собой «отрицательно ионизированную молекулу кислорода и две молекулы воды» с расчетной подвижностью 2,2 см2 / (В•с).

При естественном уровне ионизации кластерный (легкий) аэроион живет около одной  минуты, причем примерно 5% легких аэроионов  заканчивают свою жизнь рекомбинацией  с легким аэроионом противоположной  полярности, а 95% легких аэроионов погибают при встрече с нейтральными или противоположно заряженными аэрозольными частицами.

Легкие (кластерные) ионы и молионы могут  оседать на различные аэрозольные  частицы, постоянно находящиеся  в воздухе (так называемые ядра конденсации), в результате чего образуются более  тяжелые заряженные частицы (условно называемые ионами) с малой подвижностью.

С позиции  измерения подвижностей это «тяжелые ионы», а с позиции ионно-молекулярных реакций – «вторичные» ионы. Однако по своей физической сути эти образования  не являются «ионами», а являются заряженными аэрозольными частицами.

Аэрозольные частицы  могут «приобрести» заряд и другим способом. Все электрозаряженные  аэрозольные частицы фиксируются  при изменении подвижностей как  тяжелые аэроионы. Поэтому в рамках одного исторически сложившегося названия «аэроион» следует различать три физически различных объекта.

Во-первых, молион.

Во-вторых, кластерный (легкий) аэроион.

В-третьих, аэрозольный (тяжелый) «аэроион». 

 
Количество аэроионов в воздухе  сравнительно невелико, поскольку одновременно с процессами их непрерывного образования происходят непрерывные процессы их взаимоуничтожения за счет рекомбинации, когда ионы противоположного знака притягиваются друг к другу и, воссоединяясь, образуют нейтральные системы.

В целом аэроионный режим (аэроионная обстановка) – величина очень переменчивая и зависит от очень и очень многих физических и химических факторов.

Считается, что в 1 куб. см чистого природного воздуха  в среднем находится около 500 положительных  и 450 отрицательных ионов.

Заметим, что для характеристики ионного режима кроме абсолютного содержания количество ионов в воздухе большое значение имеет соотношение положительных и отрицательных ионов (n+/n-), которое носит название коэффициента униполярности.

В целом для природного атмосферного воздуха этот коэффициент, как правило, несколько больше единицы и равен 1,10-1,20.

Считается, что на высоких горах и в пещерах  преобладают положительные аэроионы. Наоборот, на морском берегу (непосредственно  у кромки воды) обычно преобладают  отрицательно заряженные аэроионы.

Таким является чистый природный воздух девственной природы, последние уголки которой испытывают ежесекундный пресс антропогенного воздействия.