Атмосферное электричество. Методы изучения ионизационного состояния атмосферы. Электрическое поле в атмосфере, страница 3

Ниже примерно 60 км доминирующая роль принадлежит космическим лучам. Ближе к поверхности Земли вклад в ионизацию дают естественная и искусственная радиоактивность,  процессы в электрических разрядах, горение, трение и т.д. Таким образом, галактические   космические лучи являются основным источником ионов в нижней мезосфере, стратосфере и тропосфере.

Космические лучи

Под космическими лучами понимают поток элементарных частиц высоких энергий (преимущественно протонов – до 90% состава), приходящих на Землю приблизительно изотропно со всех направлений космического пространства [24]. К космическим лучам относят также вторичное  излучение, рожденное в результате взаимодействия первичного излучения космической природы с ядрами атомов  воздуха. Во вторичном излучении  встречаются практически все элементарные частицы.

В первичных космических лучах различают высокоэнергетичные (до 1021 эВ) галактические космические лучи, приходящие к Земле извне солнечной системы, и  солнечные космические лучи  умеренных энергий (< 1010 эВ),  испускаемые Солнцем.

Весьма занимательна история открытия космических лучей. Их существование было установлено в 1912 г. австрийским физиком В.Ф. Гессом (Hess, 1883-1964, лауреат Нобелевской премии 1936 г.), изучавшим электрическую проводимость воздуха. Оказалось, что проводимость по мере увеличения высоты над поверхностью Земли вначале уменьшается приблизительно до высоты 1 000 м, а затем начинает быстро расти. Падение проводимости объясняется уменьшением по мере удаления от поверхности Земли интенсивности ионизирующих излучений, являющихся продуктом естественной радиоактивности почвы. Дальнейшее возрастание проводимости с высотой, очевидно, обязано внеземному источнику ионизирующих излучений, интенсивность которых растет по мере уменьшения проходимой ими толщи атмосферы.

Плотность потока  галактических космических лучей у поверхности Земли равна приблизительно  1 частице на 1 см2 в секунду. Помимо протонов, космические лучи содержат до 7% альфа-частиц, около 1% электронов, а также ядра более тяжелых элементов (в сумме около 1%).

Проникая в солнечную систему, галактические космические лучи взаимодействуют с межпланетным магнитным полем, формируемым намагниченной плазмой, движущейся в радиальном направлении от Солнца - солнечным ветром. Влияние этого поля сказывается на частицах космических лучей сравнительно малых энергий, однако и этого достаточно, чтобы галактическое космическое излучение, падающее на Землю, оказалось модулированным в соответствии с 11-летним циклом солнечной активности: чем выше активность, тем меньше интенсивность галактического космического излучения.

Солнечные космические лучи наблюдаются эпизодически после некоторых вспышек в хромосфере. В отличие от галактических космических лучей солнечные космические лучи коррелируют с солнечной активностью.

Средние концентрации ионов у земной поверхности

Средние концентрации легких ионов над сушей n+=750 см-3, n-=650 см-3 изменяются от 50 до 1 000 см-3  в зависимости от места, над океаном их концентрации более стабильны:  n+=600 см-3, n-=500 см-3.

Концентрации тяжелых ионов изменяются в очень широких пределах. У земной поверхности  над сушей концентрация тяжелых ионов больше, чем легких – 100 -100 000 см-3. Однако из-за значительно большей подвижности легких ионов проводимость атмосферы в основном определяется только ими.

По мере увеличения высоты интенсивность внешних ионизирующих излучений в атмосфере растет, однако при этом падает плотность воздуха. Поэтому на некоторой высоте следует ожидать максимума интенсивности ионообразования. Эта высота составляет около 15 км. Однако на такой высоте велика и скорость рекомбинации, поскольку плотность воздуха еще не мала. Поэтому с дальнейшим ростом высоты концентрация ионов будет  продолжать расти из-за увеличения времени жизни ионов, которое, очевидно, обратно пропорционально давлению. Одновременно будет расти и подвижность ионов. Следовательно, будет увеличиваться и проводимость атмосферы. Теоретические оценки показывают, что проводимость весьма быстро растет с высотой (см. табл. 9.1)