Атмосферное электричество. Методы изучения ионизационного состояния атмосферы. Электрическое поле в атмосфере, страница 2

 Если, согласно (9.1), время жизни легкого иона 1/(αn) ≈20 мин при нормальных условиях, то в присутствии тяжелых ионов средняя продолжительность жизни легкого иона уменьшается и становится  величиной порядка 4-5 мин. Что касается тяжелых ионов, то их время жизни может достигать 1 часа и более.

Ионы, находящиеся в атмосфере, как и всякий газ, диффундируют из мест с большей концентрацией и стремятся равномерно распространиться по всему объему. Они также подчиняются действию всех механических сил. Кроме того, находясь в электрическом поле, они движутся вдоль силовых линий со скоростью uE, где u – подвижность иона, E – напряженность поля. В магнитном поле ионы, имеющие составляющую скорости, перпендикулярную силовым линиям, начинают вращаться вокруг силовых линий магнитного поля.

При концентрации n_+, n_-  легких ионов с зарядом e плотность тока (ток через единичную площадку, перпендикулярную силовым линиям электрического поля) равна

                              i = (u₊n₊e+u _-n_-e)E = i₊+i_–.

Величины λ₊=n₊u₊e и λ_-=n_-u_-e  называются парциальными или полярными проводимостями. Их сумма  λ=λ₊+λ_-  дает полную проводимость атмосферы, то есть, i=λE.

Аналогичные выражения можно написать для средних и тяжелых ионов. Однако их вклад в суммарную проводимость никогда не превышает 5%.  

Рассмотрим  теперь процесс разрядки проводника в атмосфере. Вектор напряженности E поля у поверхности заряженного проводника перпендикулярен поверхности, а его величина   связана с плотностью поверхностного заряда σ соотношением

                      Е=4πσ (в системе СГСЭ),  E=σ/ε₀ (в системе СИ),

где ε₀=8.85·10^-12 Кл/н·м²  (или Ф/м) – электрическая постоянная. Напомним, что в случае статических полей внутри проводника поле и заряды отсутствуют. Обозначим суммарный заряд на поверхности – Q. Под действием поля возникает ионный ток λЕ, равный для всей поверхности проводника

                                              ,

где интегрирование ведется по поверхности проводника. Отсюда находим

                                                   (в системе СГСЭ),                                          (9.2)

                                            (в системе СГСЭ).                  

Таким образом, коэффициент рассеяния    а=4πλ=1/Т. Время Т=1/(4πλ) называется временем релаксации.

9.2. Методы изучения ионизационного состояния атмосферы

В основе всех методов лежат измерения ионного тока, «уничтожающего» заряд тела, помещенного в атмосферу.

Пусть емкость проводящего тела С, электрометра и проводов С₀, потенциал системы V.  Тогда заряд системы Q_c=(С+С₀)V, заряд на теле Q_тела=СV (рис. 9.1). Согласно уравнению  (9.2), 

 (в системе СГСЭ).

Отсюда

,

где V₀ – начальное значение потенциала при t=0, V_t – значение в момент времени t. Это самый простой и весьма несовершенный прибор.

Более совершенные приборы с прокачкой воздуха позволяют определять также концентрации ионов, подвижность которых превышает наперед заданный порог. Таким образом, в конце концов, можно оценить концентрации ионов разной подвижности и их вклад в суммарную проводимость атмосферы.

Основные ионизаторы атмосферы

Ионизация выше примерно 90 км в основном обусловлена солнечным ультрафиолетовым излучением (L_β и жесткое ультрафиолетовое излучение), а также рентгеновским излучением основных компонент атмосферы, в первую очередь – молекулярного кислорода.

На высотах 60-90 км ионизация происходит главным образом за счет воздействия излучения Солнца в линии L_α с длиной волны 121.6 нм на окись азота, в то время как фотоионизация возбужденного молекулярного кислорода и ионизация жестким рентгеновским излучением играют второстепенную роль.