АЭРОИОНЫ И ПСЕВДОАЭРОИОНЫ АТМОСФЕРЫ

Проблема аэроионификации жилых, гражданских и промышленных помещений теснейшим образом связана с вопросом о полярности и дозировке аэроионов, а этот вопрос находится в прямой зависимости от глубины наших познаний о природе атмосферного электричества, о концентрациях естественных аэроионов, наблюдаемых в местностях, наиболее благоприятных для здорового и больного человека.

Тут биология, физиология и медицина вплотную соприкасается с электрометеорологией и электрофизикой. Знакомство с электрофизикой атмосферы и ее аэроионизацией должно привести к правильному нормированию степени аэроионизации внутри обитаемых помещений, к тесному приближению значений аэроионизации внутри наших жилищ к значениям внешней аэроионизации.

Атмосферное электричество проявляет себя в разнообразных феноменах, непосредственно наблюдаемых нами в виде молний, огней св. Эльма, полярных сияний. Полярные сияния вызываются свечением разреженных газов высоких слоев земной атмосферы, в которые попадают солнечные электроны, летящие с огромными скоростями. Огни св. Эльма являются ‘‘истечением” земного электричества с острий, какими могут быть вершины гор, острые части крыш высоких зданий (кресты церквей, шпили и др.), мачты и реи, а также растения, стебли трав, рога животных, пальцы людей и т.д. Песчаные ураганы, песчаные смерчи в пустынях, стремительный полет пылеобразного снега полярных стран, грандиозные облака золы, выбрасываемые с огромной силой вулканами, сопровождаются электрическими явлениями в виде грозовых разрядов, свечений, потоков искр. Природа всех этих явлений оставалась загадкой вплоть до XVIII в., когда были сделаны первые попытки путем опыта проникнуть в их тайны.
Данному обстоятельству помогло в большой мере изобретение электростатической машины. Изобретение это имеет свою любопытную многовековую историю. Еще в глубокой древности было известно, что янтарь, будучи натертым, приобретает свойство притягивать легкие тела, например солому, волосы, перья и т.д. Это первичное наблюдение с течением времени обогатилось новыми и легло в основу исследований английского натуралиста XVI в. В. Гильберта.
Изучая свойства ряда веществ, В. Гильберт обнаружил, что одни из них подобно янтарю обладают притягательной силой, возникающей при трении, другие этой силой не обладают. От слова “электрон”, что значит по-гречески янтарь, силу притяжения
В.              Гильберт назвал “электрической силой”. Будучи хорошим наблюдателем, В. Гильберт подметил ряд явлений, возникающих при натирании, или электризации, тела.
Его приемником можно считать Отто фон Герике, которому и принадлежит честь создания первой электростатической машины. Его машина производила уже заметное количество электричества. Она состояла из серного шара диаметром 0,5 фута (-0,15 м) с металлической осью, которую можно было приводить в быстрое вращение. С помощью своего прибора Отто фон Герике открыл, что, помимо электрического притяжения, существует электрическое отталкивание. Он установил, что электричество распространяется по льняной нитке длиной в один локоть. Но наиболее важным явлением, которое привлекло его внимание, были искры, сопровождающиеся легким треском и проскакивающие между полюсами машины.
В 1700 г. англичанину Уоллу при трении янтаря удалось получить настолько значительную электрическую искру, что он дерзнул сравнить эту искру и сопровождающий ее треск с молнией и громом. Следующим изобретением электростатической машины с трением надо признать также английского исследователя Гауксби, работы которого относится к самому началу XVIII в. Его электростатическая машина состояла из стеклянного пустого шара на оси, электризовавшегося при вращении от приложенной к нему руки. Имя Грея, современника Гауксби, занимает почетное место в истории физики. Изолирующая скамейка, которой широко пользуются электротерапевты с XVIII в. до наших дней, — изобретение Грея. Введение в обиход при построении различной электрической аппаратуры таких изолирующих веществ, как стекло, смола, шелк, волос, принадлежит Грею. Передача электричества на большие расстояния [до 800 футов (241,44 м)] осуществлена впервые также Греем. Машина Герике, усовершенствованная Гауксби, Гаузеном, Бозе, Нолле, И. Винклером и др., дала возможность широко ставить опыты с действием электричества и изучать его свойства. В это время электростатическая машина вошла как обязательный аппарат в лаборатории ученых — физиков и химиков, физиологов и врачей.
Приблизительно около 1745 г. электрическими явлениями начал заниматься знаменитый американский общественный деятель Вениамин Франклин. Он был уже известным натуралистом, когда впервые выступил со своими работами в области атмосфер
ного электричества. В своем письме от 29 июля 1750 г. В. Франклин впервые ясно заявил о том, что молния и искра, получаемая от электростатической машины, имеют одну и ту же природу, и тем самым положил начало изучению атмосферного электричества. Дальнейшие мысли В. Франклина в области “собирания” электричества облаков дали толчок к быстрому развитию этой области естествознания. Как очень часто бывает в науке с новыми и смелыми идеями, работа В. Франклина встретила стойкую оппозицию со стороны ученых того времени. Автору было отказано в опубликовании результатов его исследований в печатном органе Лондонского Королевского общества, и лишь в 1751 г.
В.              Франклин напечатал их отдельным изданием. Книга немедленно была переведена на другие европейские языки и возбудила почти повсеместный интерес к поставленной проблеме.
Парижский ботаник Т. д’Алибар первым отозвался на идеи В. Франклина. В 1752 г. он изобрел приспособление для доказательства тождества молнии и электрической искры. Недалеко от Парижа был установлен первый коллектор для “собирания” атмосферного электричества. Гроза 10 мая 1752 г. разрешила поставленный вопрос в положительном смысле. Через три дня Т. д'Алибар представил доклад о своих опытах в Парижскую Академию наук, но последняя не сочла нужным его опубликовать. Почти в то же время Берлинская Академия наук отказалась напечатать статью первого изобретателя громоотвода П. Дивиша. Опыты Т. д’Алибара, отвергнутые Парижской Академией наук, возбудили тем не менее большой интерес в ряде стран Европы и Америки и немедленно были повторены.
Наш великий ученый М.В. Ломоносов занимался изучением природы атмосферного электричества, смело экспериментировал в этой области и неоднократно подвергал себя опасности быть убитым молнией. Русский академик Г.В. Рихман 26 июля 1753 г. при производстве аналогичных наблюдений был убит.
В том же году В. Франклин осуществил еще ряд наблюдений, которые полностью подтвердили его первоначальные идеи. Из всех этих опытов необходимо было сделать вывод, что в воздушном океане сосредоточены большие электрические силы и имеется электрическое поле, градиент потенциала которого находится в зависимости от различных метеорологических и геофизических условий. Экспериментальное исследование атмосферного электрического поля и соответствующие расчеты приводят к заключению, что Земля в целом обладает отрицательным зарядом, средняя величина которого оценивается в 500 тыс. Кл. Данный заряд поддерживается неизменным, благодаря некоторым процессам в атмосфере Земли и в мировом пространстве, которые еще полностью не выяснены. Положительный заряд обнаружен на высоте нескольких десятков километров над Землей в виде слоя положительно ионизированных молекул. Объемный положительный заряд данного слоя компенсирует отрицательный заряд Земли.
Основным прибором, с помощью которого велись наблюдения за атмосферным электричеством, был так называемый коллектор, который устанавливался на более или менее высокой штанге, изолированной от земли. Коллектор соединялся с листочками электроскопа. Обкладка, или кожух, электроскопа заземлялись. По величине расхождения листочков можно было судить о градиенте потенциала на каждый метр высоты. Теперь мы знаем, что падение потенциала выражается в среднем у поверхности земли величиною 1 В на 1 см, 100 В на 1 м и т.д. Во время грозы величина падения потенциала доходит до 40 тыс. В на 1 м. Силовые линии электрического поля атмосферы направлены сверху от положительного заряженного слоя вниз к отрицательно заряженной земле, а изопотенциальнные поверхности идут параллельно поверхности земли. Таким образом, электрическое поле является обязательным фактором свободной атмосферы.
Еще со времени Ш. Кулона (1736—1806) было известно одно явление, которому физики не придавали должного значения, а именно: потеря наэлектризованным телом части своего заряда, части большей, чем можно приписать недостатку изоляции. Физи
ки придерживались того воззрения, что рассеяние электричества — переход его от одного тела к другому, к соседнему, например, по нитке, на которой подвешено тело, или просто в окружающий воздух. Процесс рассеивания электричества с наэлектризованного тела в воздухе представлялся примерно так: наэлектризованное отрицательно или положительно тело электризует зарядом того же знака слой воздуха, прилегающий к нему, вследствие чего возникает явление отталкивания между телом и воздухом, как имеющим одноименные заряды. Удаляющийся от электрического тела слой воздуха уступает место другому слою, который также перенимает от тела часть его электрического заряда и снова отталкивается и т.д. Вследствие этого около наэлектризованного тела образуется непрерывный поток воздуха, уносящий электричество. Наблюдения
С.              Маттеучи, а затем систематические наблюдения В. Линсса показали, что каждое тело, как бы совершенно ни было оно, изолировано от земли, теряет в атмосфере свой электрический заряд. Исследования В. Линсса привлекли в 1898 г. внимание И. Эльстера и Г. Гейтеля, которым наука обязана фундаментальными работами по изучению атмосферного электричества. Указанные ученые, повторяя наблюдения В. Линсса, заметили, что скорость рассеивания электрического заряда зависит от различных метеорологических и геофизических условий, от времени года и даже суток. Для объяснения электрических явлений атмосферы И. Эльстер и Г. Гейтель привлекли теорию ионов, созданную плеядой ученых — современников Фарадея и его учеников — для объяснения электрических явлений, протекающих в электролитах. Наиболее капитальные работы в этой области принадлежат шведскому ученому Сванте Августу Аррениусу — автору теории электрической диссоциации.
После открытия искусственных ионизаторов воздуха (А. Беккерель, В. Рентген) были сделаны попытки объяснить электропроводность воздуха возникновением в нем положительных и отрицательных ионов, подобно ионам в электролите. Работы И. Эльстера и Г. Гейтеля о воздушных ионах как носителях атмосферного электричества положили начало правильному воззрению на природу этого электричества. Было доказано, что его рассеяние заключается не в “отекании” заряда в воздух, а в концентрации в воздухе ионов противоположного знака, притягивающих к наэлектризованному телу и нейтрализующих его. Были найдены способы измерения ионизации воздуха, в которых использовалось свойство ионов оседать на заряженный положительным или отрицательным электричеством проводник. Измерение зарядов, потерянных этим проводником за данный отрезок времени, показывало степень ионизации воздуха. Отсчет потери заряда производится с помощью электрометра.
Теперь принято считать, что основным элементом атмосферного электричества, обусловливающим большинство электрических явлений в атмосфере, являются ионы газов воздуха или, по нашей терминологии, аэроионы.
Изучение скорости движения аэроионов в электрическом поле привело к открытию в атмосферном воздухе аэроионов трех основных величин, обусловливающих проводимость воздуха: легких, средних (промежуточных) , тяжелых, а также аэрозоли — сверхтяжелые аэроионы.
Легкие аэроионы очень быстроподвижны. Средняя скорость их движения равна 1—2 см/с при градиенте электрического поля в 1 В/см. Концентрация легких аэроионов доходит в среднем до 500 пар ионов в 1 см , в чистом высокогорном воздухе она достигает 1000— 1500 пар ионов.
Средние аэроионы И. Поллока имеют среднюю подвижность, равную 0,01 см/с при градиенте электрического поля в 1 В/см. Концент-

о
рация ионов средней подвижности составляет до 500 пар ионов в 1 см . В чистом воздухе эта концентрация резко уменьшается.
Тяжелые ионы П. Ланжевена обладают меньшей подвижностью, равной 0,001 см/с. Концентрация этих ионов в загрязненном воздухе часто поднимается до 25 тыс. пар в 1 см и даже выше. В совершенно чистом воздухе, лишенном твердых или жидких микрочастиц, концентрация ионов П. Ланжевена может упасть до нуля.
Необходимо отметить, что истинными газовыми аэроионами являются только аэроионы первой группы или быстроподвижные аэроионы. Это аэроионы молекулярной величины. Они состоят из ионизированной молекулы или нескольких ионизированных молекул того или иного газа воздуха. Так, например, имеются основания считать, что легкие аэроионы отрицательной полярности в воздухе — это аэроионы кислорода воздуха (А.Л. Чижевский, М. Лапорт, Т. Мартин).
Средние аэроионы И. Поллока могут быть значительными скоплениями молекулярных аэроионов или даже иметь в своем основании твердую или жидкую микрочастицу, на поверхности которой адсорбированы легкие газовые аэроионы, например аэроионы кислорода.
Наконец, тяжелые аэроионы П. Ланжевена обязательно имеют в своем основании твердую или жидкую микрочастицу, на поверхности которой адсорбированы аэроионы газов воздуха. Тяжелые аэроионы могут представлять собой просто наэлектризованные твердые или жидкие частицы, взвешенные в воздухе. Это будут уже псевдоаэроионы.
Группа тяжелых аэроионов постепенно переходит в группу сверх- тяжелых, которые называются аэрозолями — частицами, незаряженными или заряженными электричеством того или иного знака. Они состоят из копоти, дыма, пыли, тумана, мелких дождевых капель, снежинок и т.д. Такие частицы могут нести на своей поверхности большое число элементарных электрических зарядов и не нести ни одного истинного газового иона.
Имеется принципиальное различие между аэроионами и заряженными аэрозолями при одинаковой полярности заряда тех и других. Отрицательные аэроионы атмосферы — это аэроионы кислорода. Отрицательная частица жидкого или твердого аэрозоля может не иметь ничего общего с аэроионом кислорода. Частица аэрозоля отрицательной полярности — это частица, поверхность которой адсорбировала электрон или электроны, и совершенно необязательно — отрицательные аэроионы кислорода воздуха. Таким образом, электроаэрозоли или псевдоаэроионы различаются по своему физическому состоянию и химическому составу.
Когда мы говорим, что воздух ионизирован, это значит, что некоторая очень небольшая часть газовых молекул воздуха несет электрический заряд отрицательного или положительного знака. Заметим, что в 1 см воздуха при нормальных условиях содержится 2,7 *10 молекул, среднее число легких аэроионов в естественных условиях в том же объеме равно приблизительно 500—700 парам.
Концентрация аэроионов в атмосфере выражается числом поло
жительных и отрицательных ионов в 1 см4. Отсюда, проводимость атмосферы стоит из полярных проводимостей — положительной и отрицательной (В.И. Баранов), т.е.
Л ±              ±              ,              ±
X = п -к е,
где ?+ и к — подвижность положительных и отрицательных аэроионов; е — заряд аэроиома, равный 4,8 ' 10’ абсолютных электростатических единиц.
Полная проводимость атмосферы
X = Х+ + Х~ = n+-k+e + n“-k~e.
Плотность вертикального тока атмосферы можно выразить так: />

dv
где                            вертикальный градиент потенциала.
dh
Отношение положительных аэроионов к отрицательным близ поверхности земли равно приблизительно 1,2, т.е. К = п In - 1,2.
Эта величина К носит название коэффициента униполярности.
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 X в среднем составляет 1 104 электростатических единиц.
Плотность вертикального тока проводимости атмосферы = 2,9 1016 А/см2.
Градиент потенциала электрического поля земли претерпевает резкие искажения благодаря разным неровностям на земной поверхности. Эквипотенциальные поверхности огибают препятствия и сгущаются над возвышенными предметами (рис. 4). Внутри зданий градиент потенциала электрического поля равен нулю, электрическое поле внутри зданий отсутствует даже при сильных атмосферно-электрических явлениях. Это обстоятельство учитывается при элекроэф- флювиальном методе аэроионификации.
Ввиду того что атмосферный воздух содержит, кроме газовых молекул, также и взвешенные в нем твердые или жидкие микрочастицы, адсорбирующие легкие аэроионы, ионизационное равновесие может быть выражено так:
q = an+n~ + 0n+N— + yn+№,
где q — число аэроионов, образующихся в 1 см /c;«t— коэффициент рекомбинации легких аэроионов;/!— коэффициент соединения легких аэроионов с заряженными частицами; N~ — число заряженных частиц; Ьг — число нейтральных частиц.

Рис. 4. Эквипотенциальные поверхности электрического поля атмосферы над высотным зданием
Но так как число взвешенных микрочастиц обычно значительно больше числа легких аэроионов, ионизационное равновесие может быть представлено уравнением:
q = n+(an— + /3N              + у№) — /3*nt,
где (3' - постоянная исчезновения аэроионов.
Изменение числа аэроионов в атмосферном воздухе при изменении ионообразования выражается

В случае отсутствия ионообразования число ионов q убывает со временем t по закону л - п0е~*1.
Средняя продолжительность существования легких аэроионов может быть выражена так: 1 /р' вТ.
Многочисленные измерения числа легких аэроионов воздуха, произведенные во многих странах сотнями физиков, геофизиков, метеорологов и врачей, нельзя признать безусловно достоверными. Счетчик аэроионов Эберта, с помощью которого произведены эти измерения, далеко не удовлетворяет предъявляемым к нему требованиям.
Методика измерения числа аэроионов в единице объема до сих пор не получила окончательного и точного решения вследствие сложного комплекса факторов, сопутствующих ионным процессам в атмосфер
ном воздухе. Нет гарантий, что аспирационный счетчик ионов Эберта дает более или менее надежные результаты, соответствующие тому, что мы имеем в действительности.
Очень существенной задачей является также вопрос о точном наименовании заряженных частиц. Легкие, средние, тяжелые и сверхтяжелые ионы, или псевдоаэроионы, жидкие или твердые аэрозоли различных диаметров и т.д. — все они могут быть носителями зарядов и членами сложной системы полидисперсного электрически активного аэроколлоида. Что такое “ионизированная” или “электризованная” частица? Чем отличаются “ионизированные” частицы от “электризованных”?
До сих пор частицы аэроколлоида не классифицированы по основным своим физическим или химическим признакам, до сих пор не существует общепризнанного спектра, не составлены таблицы, которые могли бы помочь разобраться в этих явлениях, нет приборов, которые позволили бы подсчитывать число частиц с одновременным учетом их электрического заряда, их подвижности в постоянном электрическом поле, их геометрических параметров.
Характерным примером может служить ошибка видного специалиста по счету аэроионов физика А.П. Соколова, который ограничился “инструкцией по обращению со счетчиком Эберта” и не смог более тщательно разобраться в изучаемом им предмете.
Эта ошибка была отмечена В.И. Барановым в дискуссии с А.П. Соколовым: “Электризация воздуха при трении о твердые тела никем не наблюдалась. Опыты проф. Соколова можно объяснить наличием мельчайшей наэлектризованной пыли без всякой ионизации; поэтому говорить об ионизации воздуха трением о растения не приходится” *.
А.П. Соколов думал, что воздух, пролетая над степным просторами, ионизируется благодаря своему трению о степную траву и этим самым приобретает повышенную ионизацию. Он предполагал, что встряхивание песка в металлическом жбане вызывает ионизацию молекул воздуха благодаря трению молекул о песок. В.И. Баранов же справедливо утверждает, что А.П. Соколов просто-напросто электризовал песок и высокодисперсную песчаную пыль, которая, попадая в цилиндрический конденсатор счетчика Эберта и оседая на осевом штифте, вызывала разрядку электрометра Вульфа, что А.П. Соколов приписывал сильной “ионизации” воздуха, хотя никаких газовых ионов в данном случае могло и не быть, а была электризация мельчайших твердых частиц песчаной пыли или пылевого аэрозоля при взаимном трении частиц одна о другую. Такова принципиальная разница между ионизацией газов воздуха и электризацией твердых или жидких аэрозолей (псевдоаэроионов), находящихся в воздухе во взвешенном состоянии.
Явления электризации соприкосновением, скольжением или трением (трибо-заряды) изучаются уже давно, но до сих пор не существует общепринятой теории этих явлений. Нельзя сказать также, что эти явления до конца понятны, осмыслены и подтверждены математическим анализом. Известно лишь, что электризация представляет собой процесс разделения существующих в атомах зарядов и перенос отрицательных зарядов, или электронов, на одно тело и положитель-
А
Труды V Всесоюзного научно-организационного съезда по курортному делу, 27 августа — 2 сентября 1925 г. М., с. 443.

ных зарядов — на другое тело, причем сумма перенесенных отрицательных и сумма положительных зарядов всегда равны. Это явление называется законом сохранения электрического заряда.
В 1892 г. Ленард открыл (вторично после Траллеса) электризацию воды водопадов, диспергированной воды. Он нашел, что удар воды о твердую или жидкую поверхность сопровождается электризацией распыляемой жидкости. При дроблении воды мелкие капельки заряжаются отрицательным электричеством, крупные — положительным. Молекулы воздуха в некоторых случаях приобретают отрицательный заряд. Дж. Томсон (1894) нашел, что вода в воздухе электризуется положительно, в водороде — отрицательно. Нельсон (1895) показал, что подобные явления наблюдаются, когда струя газовых пузырьков проходит через жидкость. Христиансен (1909—1913) назвал заряды, наблюдаемые при ударе капель, баллоэлектрическими. Он обнаружил, что баллоэлек- тричествотем сильнее, чем легче окружающий газ. Де Бройль (1910) пропускал струю газа через разные жидкости. Вода, спирт, эфир, ацетон, анилин и др. оказались активными, т.е. газ электризовался (ионизировался). Ноллан (1914) распылял воду и нашел, что положительный заряд капелек пропорционален их радиусу. Опыты, которые производил Ленард (1915), привели его к заключению, что поверхность жидкости покрыта двойным электрическим слоем, который весь находится в самой жидкости и не вызывается контактом с газом. Коен и Мозер также исследовали прохождение газовых пузырьков через плохо проводящие жидкости и через растворы непроводников в воде. Оказалось, что при соприкосновении двух диэлектриков тот из них, диэлектрическая постоянная которого больше, заряжается положительно. В водном растворе электролита газ электризуется относительно слабее, чем в чистой воде, и при определенной концентрации раствора знак электризации меняется. Это требует строгой проверки!
Сухие газы и перегретый пар при трении о поверхность твердых тел не электризуются, зато при трении струи газа или пара, содержащего жидкие частицы, происходит иногда весьма сильная электризация. Это явление было впервые изучено Армстронгом (1844), а затем Фарадеем, который исследовал случаи трения влажных паров, проходящих под большим давлением через трубки из различного материала. Фарадей нашел, что пары воды и некоторых масел в воздухе при трении о медь электризуются. Электризация водяных паров, выходящих из котла через трубку, зависит от рода капель, содержащихся в этом паре, и от материала трубки. В большинстве случаев пары электризуются положительно; электризация особенно сильна, когда пары проходят через извилистую трубку, внутренние стенки которой состоят из некоторых сортов дерева. Этим явлением воспользовался Армстронг для устройства электрической машины. Д. Рэдж (1914—1915) считал, что струя мелко раздробленного твердого вещества электризует воздух. Кислотные вещества электризуют воздух отрицательно, щелочные — положительно. Струя пара электризует воздух положительно. Электрод, помещенный в струе пара, может получить положительный или отрицательный заряд (О.Д. Хвольсон). Легко видеть ошибочность данных и неправильность терминологии в этой области.
Н.А. Гезехус дал объяснение электризации тел при соприкосновении, а следовательно, и трении, основанное на электронной теории. При соприкосновении тел уменьшается поверхностное натяжение, вследствие чего часть электронов делается свободной. Отрицательно заряженные электроны, как более подвижные, должны быстрее выходить * из тела, чем положительные частицы. Если соприкасающиеся тела отличаются только плотностью, то более плотные выделяют больше электронов, а потому электризуются положительно. То же самое относится к нагретым диэлектрикам, плотность которых уменьшается при повышении температуры. Н.А. Гезехус, исследуя роль трения твердых частиц и взаимную их электризацию, приводит пример, насколько сильна может быть электризация пыли при сильном ветре, описанный знаменитым Вернером Сименсом,

который был свидетелем электрической бури на вершине пирамиды Хеопса весной 1859 г. “Пыль в пустыне поднялась такая, что она казалась белым туманом и совершенно скрыла от нас землю. Пыль поднималась все выше и выше и через некоторое время окружила со всех сторон даже вершину пирамиды, на которой я стоял с нашими десятью инженерами. При этом слышался какой-то странный шум и свист, который не мог исходить от ветра. Один из арабов обратил мое внимание на то, что, когда он поднимает над головой палец, раздается резкий певучий звук, а как только он опускает руку, звук прекращается. Я сам убедился в этом, когда поднял палец над своей головой; вместе с тем я почувствовал нечто вроде укола в палец. Что мы имели здесь дело не с чем иным, как с электрическим явлением, прямо явствовало из того, что, когда мы хотели выпить вина из бутылки, получился слабый электрический удар. Обернув мокрой бумагой такую еще не опорожненную и обложенную у горлышка металлом бутылку, я получил лейденскую банку, которая сильно заряжалась, когда ее держали высоко над головой. Из нее можно было тогда извлекать с большим треском искры длиной почти в 1 см” *.
К этому описанию Н.А. Гезехус добавляет, что такую электризацию пыли, а именно отрицательную, надо считать общим явлением. Вероятно, и электризация, наблюдаемая при вулканических извержениях, частью, по крайней мере, если не всецело, обусловливается той же причиной.
Электризация тонкой пыли, находящейся в воздухе, была подробно изучена
Н.А. Гезехусом, результаты исследований опубликованы им в журнале “Известия Технологического института" (т. XV, 1901, с. 13—15). Интересные мысли высказаны тем же автором в его статье “Атмосферное электричество и влияние на его пыли" ("Известия Технологического института", т. XVI, 1902): “Что пыль, поднимаемая ветром, изменяет нормальные условия распределения электрического потенциала в воздухе, — это замечено уже давно. Обычный положительный потенциал воздуха не только уменьшается, но часто становится отрицательным при сильном ветре и вьюге”.
Какие же могут быть причины электризации пыли? Высказывались между прочим мнения, что поднимающаяся пыль будто бы переносит в воздух отрицательный заряд самой Земли; указывалось и на влияние трения, испытываемое несущейся пылью, а также индукцию и на действие солнечных лучей. Многое оказалось неверным.
Ввиду того что электрический заряд распространяется по поверхности тела, электроемкость этого тела зависит от величины его поверхности. При распылении того или иного вещества поверхность его и, следовательно, электроемкость резко возрастают. Это явление особенно отчетливо обнаруживает себя, если пыль рассеяна в воздухе или газе. Жидкие или твердые тела заряжаются электричеством двумя путями: путем адсорбции аэроионов из воздуха или газа путем “контакта" с какой-либо твердой или жидкой поверхностью. Такой механизм зарядки предполагает Вильям Гиббс. Рэдж допускает, что в большинстве случаев пылевые частицы заряжаются вследствие соприкосновения одна с другой, причем знак заряда крупных частиц противоположен знаку заряда мелких. Следовательно, по Рэджу, распыляемые твердые или жидкие аэрозоли не являются аэроионами. Это очень важное мнение. Распространяется ли это мнение на аэрозоли любого происхождения или имеются исключения, когда аэрозоли представляют собой медленноподвижные или тяжелые частицы с газовыми ионами на поверхности. Внесение необходимой точности в эту главу физики является, по нашему мнению, обязательным. Это позволило бы пролить свет на ряд явлений, которые до сих пор остаются неясными и мнения о природе которых расходятся. Особенно важным данный вопрос представляется тем ученым, которые посвятили свои труды изучению ионизации воздуха, дисперсных систем в воздухе и их влиянию на организм человека, животных и
^ В.Ф. Сименс. Мои воспоминания. Перевод Паппе, 1893, с. 127—129.

растений. Изучение этих явлений теснейшим образом связано с измерением числа или концентрации аэроионов в единице объема воздуха.
Униполярный электрический эффлювий создает в воздухе униполярные газовые аэроионы — отрицательные или положительные, в прямой зависимости от того, какой полюс источника тока высокого напряжения присоединен к остриям. В воздухе помещения образуются сложные униполярные аэросистемы, которые необходимо изучить. Но ни современная метеорология, ни современная физика не могут предоставить нам приборов, которые отличались бы необходимой точностью. В физике нет даже единства мнений в вопросе, когда возникает ионизация, когда появляется электризация, или псевдоаэроионизация, а коща и то и другое.
Ионная теория атмосферного электричества позволила понять природу электрического поля атмосферы, хотя все же причину сохранения электрического поля между Землей и атмосферой еще нельзя считать окончательно выясненной. Различные теории пытаются объяснить наличие этого поля различными причинами. Экснер в свое время полагал, что причиной отрицательного заряда земной поверхности являются осадки, приносящие к Земле, как предполагали ранее, преимущественно отрицательные заряды. Это предположение оказалось не соответствующим действительности. Осадки несут к Земле как отрицательные, так и положительные заряды. И. Эльстер и Г. Гей- тель, а затем и Г. Эберт создали адсорбционную теорию, сущность которой заключается в следующем: как известно, через почвенные капилляры непрерывно просачиваются воздух, несущий радиоактивные эманации и потому сильно ионизированный; отрицательные ионы, вследствие своей большой подвижности, быстрее диффундируют к стенкам капилляров и отдают почве свои отрицательные заряды, а выходящие наружу потоки почвенного воздуха приносят в атмосферный воздух избыток положительных аэроионов. Г. Эберту удалось показать, что в почвенном воздухе, в момент его выхода из земли, действительно преобладают положительные аэроионы.
Между высокими слоями атмосферы и поверхностью земли происходит постоянное взаимодействие, своеобразный электрический круговорот, подобный круговороту воды в атмосфере. Электрическое поле атмосферы подвержено многолетним периодическим, годовым, суточным и апериодическим колебаниям, связанным с космическими, геофизическими и метеорологическими явлениями. Ввиду того что Земля в обычных условиях по отношению к атмосфере заряжена отрицательно, то положительное электричество устремляется сверху вниз, к поверхности Земли, а отрицательное — снизу вверх, образуя так называемый “вертикальный ток проводимости”.
Атмосфера Земли представляет собой огромный сферический конденсатор, обкладками которого служат с одной стороны твердая и жидкая оболочка земного шара, с другой — ионосфера, находящаяся на высоте 120 км и выше.

ч gt; \ \
\ \ \ V.	"ч
	\ -* /—¦ 1 /	.. ^	?ч. \
N "Л-7"		¦N*Nm
100 В	0 60 40 %

20
15

9

Рис. 5. Зависимость числа ядер конденсации N и числа тяжелых аэроионов N+ + N- от относительной влажности Vgt; (по П.Н. Тверскому)

Вследствие наличия в атмосфере аэроионов между обкладками земного конденсатора постоянно течет электрический ток, который мог бы быстро разрядить земной конденсатор, если бы некоторый фактор не поддерживал бы непрерывно отрицательный заряд Земли. В настоящее время допускают, что этим фактором являются грозы. Суммарная мощность происходящих ежесекундно разрядов составляет сотни миллионов киловатт.
Присутствие аэроионов в атмосфере и их подвижность обусловливают степень рассеивания электричества с заряженного тела в воздух, а следовательно, и степень его проводимости. Эта степень может быть установлена с достаточной точностью соответствующими приборами.
Измерения проводимости, сделанные во многих местах, в большинстве случаев показывают наличие положительной проводимости, т.е. преобладания в воздухе положительных аэроионов. В некоторых местностях наблюдается преобладание отрицательной проводимости, последнее явление может иметь место также при различных метеорологических пертурбациях, в различные часы суток и т.п. Преобладание в большинстве случаев положительной ионизации близ поверхности Земли хорошо объяснимо естественным влиянием земного поля на распределение аэроионов в толще атмосферы, положительные аэроионы направляются по силовым линиям поля к отрицательно заряженной поверхности Земли, на 1 см площади которой приходится в среднем 6,7 ‘ 105 элементарных зарядов.
Подвижность частиц того или другого знака находится в зависимость от ряда метеорологических факторов, главным образом от степени относительной влажности воздуха, от барометрического давления, от числа пылинок, ядер конденсации и т.д. (рис. 5—7). Подвижность легких отрицательных аэроионов при высокой относительной влажности падает, подвижность положительных аэроионов остается почти без изменения. Максимальные показатели проводимости обычно имеют место в ясную погоду. Во время туманов, во влажную сырую

Рис. б. Зависимость подвижности к аэро- /lt;
ионов от величины их радиуса г (по Ф. Де- ссауэру)
12 10 8 Б Ч 2
О
погоду, при загрязнении воздуха пылью, дымом, копотью и при падении степени прозрачности атмосферы значения проводимости падают до минимума.
Атмосферный воздух ионизирован во всей своей толще в большей или меньшей степени в зависимости от ряда метеорологических, геофизических и космических условий (рис. 8). Эти условия вызывают как процессы возникновения аэроионов в атмосфере, так и процессы их уничтожения. К естественным ионизаторам и электризаторам дисперсной фазы атмосферного воздуха могут быть отнесены: эманация радия, находящаяся в воздухе; радиоактивные излучения почвы, воды, снега и др.; фотоэлектрический эффект; ультрафиолетовый свет солнца (высокие слои атмосферы); корпускулярное излучение солнца (высокие слои атмосферы); космические лучи; электрические разряды в атмосфере (молнии, разряды на вершинах гор, огни св. Эльма и т.д.); баллоэлектрический эффект (дробление и распыление воды над водопадами, каскадами, поверхностью моря; во время прибоя и прилива, морской бури; при дожде); трибоэлектрический эффект (взаимное трение песчинок, частиц пыли, снега, града); гниение органических веществ; многообразные химические реакции, протекающие на поверхности почвы; испарение воды.
Основным источником ионизации атмосферы является находящийся в воздухе газообразный продукт распада радия — его эманация, которая в свою очередь непрерывно распадается, диссоциируя молекулы воздуха на положительные и отрицательные частицы.

alt="" />
8000

\			MECI	ЧЦЫ
	1 * * * У	1	* *
			МЕС»
У ^	'У	гг\	МЕС»	щы ^	V
-И	/	'J			-Л
		го	п
	lt;г'/	'"27"			У _ *
	/ч / V	\			S

% 120amp; и

Т 1000

8 12 ЧАСЫ

1в 20 2к

ЧСОО

Рис. 7. Зависимость числа тяжелых аэроионов от числа ядер конденсации (по П.Н. Тверскому)
Суточный ход числа аэроионов в Слуц- ке: 1 — легких; 2 — тяжелых

Следующим по силе источником ионизации атмосферного воздуха можно считать гамма-лучи радиевых солей, находящихся в поверхностном слое земной коры в чрезвычайно ничтожном количестве. Содержание радия в каменных породах в среднем составляет (1+3) 10'1 г на 1 г породы, в некоторых местностях оно достигает 40‘ 10" г. В морской воде содержание радия колеблется в пределах (2+5) 10"16 г на 1 г воды. Гамма-лучи радиоактивных веществ обладают способностью расщеплять нейтральные молекулы на положительный ион и электроны. Эти лучи отличаются большой проницаемостью и ионизируют прилегающие к земной поверхности слои воздуха. Исходящий из почвенных пор воздух также достаточно сильно ионизируется теми же гамма-лучами и также является источником атмосферной ионизации. Процесс выхода почвенного сильно ионизированного воздуха называется “дыханием почвы” и возникает всегда при падении атмосферного давления, при солнечной радиации или под влиянием высасывающего действия ветра. Дыхание почвы несет с собой в атмосферу по преимуществу положительные аэроионы, так как электроны при прохождении почвенных капилляров быстро адсорбируются их стенками. Если сравнить количество эманации радия, содержащейся в почвенном воздухе, со средним содержанием ее в свободной атмосфере, то окажется, что первое приблизительно в 2000 раз больше второго.
Геологическое строение местности, а главное — степень радиоактивности ее почвы и ее пород, обусловливает собой соответственные степени ионизации воздуха. В некоторых случаях, при высоких радиоактивных свойствах почвы, ионизация воздуха может достичь весьма значительных величин и даже обусловить собой частоту поражаемо- сти данной местности молнией вследствие повышенной проводимости воздуха. Уже давно было замечено, что одни местности чаще и сильнее поражаются молниями, чем другие. Такого рода феномен устойчиво наблюдается из года в год. Изучение этого явления привело к выводу, что оно стоит в прямой связи с повышенной ионизацией воздуха в данном месте (Дозер и Руже, JI.H. Богоявленский). Повышенная

Рис. 8. Схематическое представление об образовании легких и тяжелых аэроионов положительной и отрицательной полярности в атмосферном воздухе (по Г.Р. У эту) — молекулы воздуха; 2 — нестабильный положительный легкий аэроион с подвижностью к - 1,9 см/с; J — свободный электрон; 4 и 5 — стабильные легкие аэроионы соответственно положительный с подвижностью к - 1,4 см/с и отрицательный с подвижностью к - 1,9 см/с; б и 7 — тяжелые аэроионы с подвижностью к - 0,001 см/с соответственно положительный и отрицательный
ионизация обусловливалась наличием в данном месте локальных ионизаторов воздуха. Ими оказались заложенные в земле горные породы: граниты, сланцы, металлические руды и т.д. В таких местах обычно число отрицательных аэроионов больше, чем положительных.
Исследования Л.Н. Богоявленского показали различные глубины залегания этих локальных ионизаторов воздуха от нескольких до десятков метров. Кривые обнаруживают замечательный параллелизм между числом аэроионов в 1 см воздуха и профилем залегания руды, т.е. чем ближе к поверхности Земли лежит руда, тем большее число аэроионов образуется в 1 см воздуха в единицу времени. В соответствии с этим возрастает и частота поражений молниями (рис. 9). Локальная аэроионизация имеет первостепенное климатическое значение, которое должно быть учтено при строительстве городов, курортов, санаториев, домов отдыха и т.д.
Среди космических факторов ионификации первое место принадлежит электромагнитной и корпускулярной деятельности Солнца и затем космической радиации.

Солнечный спектр включает в себя ультрафиолетовые лучи, начиная от мягких и кончая жесткими (рентгеновскими), а следовательно, является ионизатором воздуха. Благодаря значительной толще воздушного слоя большая часть ультрафиолетового света поглощается атмосферой и к поверхности Земли лучи

180У
Рис. 9. Кривая числа аэроионов в I см /с (/) и кривые глубин залегания пород в м (2), а также места наибольшей поражаемости молниями (3) (по JI.H. Богоявленскому)
доходят в весьма ослабленном виде. Поэтому принято считать, что в пределах нижнего слоя воздуха — биосферы и тропосферы — ионизации воздуха солнечный свет не производит. Зато в верхних слоях воздушного океана — в стратосфере — имеют место высокие степени ионизации атмосферы, благодаря действию солнечного света (слой озона). По-видимому, та же судьба постигает и потоки заряженной электричеством так называемой солнечной пыли, которая вызывает ионизацию воздуха в его верхних слоях и в особенно сильной степени в годы максимумов циклической активности Солнца. Есть предположение, что благодаря диффузии часть аэроионов из верхних слоев атмосферы может проникнуть в нижние, но предположение это маловероятно, ибо быстрая рекомбинация аэроионов на пути движения сверху вниз должна до минимума уменьшить их общее число. />Среди других источников естественной ионизации воздуха заслуживает быть отмеченной ионизация, производимая проникающей радиацией или космическим излучением. Это излучение имеет своим источником отдельные небесные объекты. У поверхности Земли ионизирующее действие космического излучения выражается в образовании 1,4 пар аэроионов в 1 см3/с. С высотой образование аэроионов под влиянием космического излучения постепенно возрастает, достигая на высоте 5 км 7,04 пар аэроионов в 1 см3/с.
К. Вильсон и другие авторы предполагают, что мощные электрические поля, возбуждаемые грозовыми облаками, могут вызвать излучение, которое производит ионизацию воздуха даже в местах, удаленных от центра грозы. Если принять во внимание, что ежедневно в земной атмосфере разражается до 40 тыс. гроз (С. Брукс), то нельзя обойти молчанием и этот фактор.
Можно назвать и еще один источник естественной ионизации — фотоэлектрический эффект Столетова—Гальвакса, состоящий в том, что с поверхности некоторых фотоэлектрически чувствительных веществ при освещении их отделяются электроны, которые в условиях

Таблица 4. Потери заряда электрометром, В, при искусственной аэроионизации и естественном рассеивании

Время, с	Потери заряда, В	Ьстесгвен- нос рассеивание	Время, с	Потери заряда, В	Есгественное рассеивание
0	213/210	213/210	35	132/205	— /
5	200/208	— /	40	123/205	— / —
10	183, 4/207	— / —	45	113,8/205	~ j —
15	176,8/207	/ —	50	104,2/204
20	163,2/206	/	55	90,8/204	— / —
25	153,6/206		60	87,4/204	208/206
30	142,8/206	- / -	110	01-	206/-

Примечание. Перед косой чертой приведены данные для аэроионов положительной полярности, а после косой - для аэроионов отрицательной полярности.

нижнего слоя атмосферы могут создавать легкие аэроионы, несущие отрицательный заряд.
Теоретический подсчет суммарного действия основных ионизаторов для нижнего слоя атмосферы дает около 10 пар аэроионов в 1 см /с. Это число хорошо совпадает с реальными цифрами, полученными в результате многих измерений. Мак Леннан и Мак Лед приводят следующие значения числа аэроионов в см3/с: 1) над сушей — 8,1—9; над морями — 4,9; 3) над океанами — 4,3.
Е. Швейдлер нашел, что средняя продолжительность жизни легких аэроионов в естественной обстановке лежит в пределах от 60 до 46 с. В совершенно чистом воздухе продолжительность жизни аэроионов достигает 100 с и более (В.И. Баранов). Другие авторы (П.И. Лу- кирский) полагают, что после прекращения действия ионизирующего агента уже через 10 с в газах остается только 10% первоначального числа ионов. Некоторые авторы приводят значительно большие значения средней продолжительности жизни легких аэроионов (в воздухе, содержащем ядра конденсации, — до 270 с, в чистом воздухе — до 21 мин). Эти данные подлежат тщательной проверке. В ЦНИЛИ было произведено изучение вопроса о продолжительности жизни легких аэроионов, искусственно полученных с помощью электроэффлюви- ального метода. По этим наблюдениям средняя продолжительность их существования внутри помещения определяется десятками секунд.
В табл. 4 приведены величины потерь заряда электрометром с момента подачи высокого напряжения на острия, а также величины естественного рассеивания.
Ниже показано уменьшение числа искусственных отрицательно заряженных аэроионов, измеренных в 1 см3 после выключения из работы аэроионогенератора.
Продолжительность работы
генератора Т, мин              I              3              5              10
Число аэроионов п-10s ... .              1,16              1,05              1,01              0,97

Как видно из приведенных выше данных, “насыщение” аэроионами наступает почти моментально после включения в работу электроэффлю- виального аэроионогенератора. При его выключении из работы высокая степень искусственной аэроионизации начинает быстро падать.
В ЦНИЛИ были произведены также измерения числа аэроионов в условиях повышенной влажности воздуха. Как известно, при повышении относительной влажности воздуха число легких аэроионов уменьшается, что объясняется образованием тяжелых аэроионов вследствие оседания легких аэроионов на микроскопических капельках воды. С этим также связано уменьшение подвижности аэроионов.              ^
Ниже приведены результаты измерений числа аэроионов в 1 см воздуха при нормальной (56%) и повышенной (71%) относительной его влажности.
Аэроиоиы п • 10*              При влажности
нормальной повышенной положительные              2,9              1,53
отрицательные              2,7              1,42
Из этого следует, что в условиях повышенной влажности число легких аэроионов уменьшается по сравнению с нормальной влажностью; уменьшается и их подвижность.
Многочисленные измерения степени аэроионизации воздуха, произведенные в разнообразных местностях, показали ее изменчивость в зависимости от различных внешних причин. Благодаря дыханию почвы над свежевскопанной землей аэроионизация в 2 раза больше, чем на лугу. Аэроионизация невелика на твердом песчанике и падает до минимума на очень сырых почвах, во влажных местах, в тумане, в облачных слоях. Число аэроионов над морями и океанами, за тысячи километров от суши, значительно меньше, чем над землей, благодаря ничтожному содержанию радиоактивных веществ в морской воде.
Растительность также является одним из мощных ионизаторов атмосферного воздуха. Впитывая эманацию радия с почвенной водой, растения затем испаряют эту воду через стебли и листья в воздух, чем способствуют возникновению аэроионов. Суммарная площадь поверхности листьев в тысячи раз превосходит значение площади проекции данного дерева на плоскость. С другой стороны, растения (листья, стебли, травы) фотоэлектрически чувствительны. Остроконечная форма некоторых трав и иглы хвойных растений являются теми остриями, через которые земное электричество будет, при известных условиях, разряжаться в воздух и опять-таки ионизировать атмосферу. Средние степени аэроионизации воздуха в лесу и на открытом воздухе несколько различны. Наблюдения показывают, что днем и вечером число легких аэроионов в лесу больше, чем на открытом месте, а утром — меньше. В связи с этим А.А. Минх приводит табл. 5.
Аналогичное увеличение аэроионов в лесу по сравнению с открытым местом было отмечено В.И. Барановым и Е.С. Шепотьевой на горе Бештау; под деревьями было обнаружено 5—7,5 тыс. легких аэроио-

нов в 1 см4 воздуха, в то время как на открытом месте измерения показали наличие 2,8—3 тыс. аэроионов в 1 см3.
Приведем средние^результаты измерений числа легких аэроионов обоих знаков в 1 см , произведенных А.А. Сперанским (рис. 10), А.П. Соколовым и И.А. Абрикосовым в различных пунктах нашей страны: Москва — 1512, Анапа — 1475, Сочи — 1789, Мацеста — 2086, Уч-Дере — 2005, Красная Поляна — 2650, Кисловодск и его окрестности — 3702—2396, Ессентуки — 2099, Ялта — 836.
В табл. 6 приведены числа легких положительных и отрицательных аэроионов в разных местах земного шара.
Из данных этой таблицы видно, что коэффициент униполярности во всех переименованных пунктах больше единицы и что высота над уровнем моря играет роль в отношении увеличения числа аэроионов (горы, а также самолет). Различные местности, в зависимости от геологических, метеорологических и других факторов, вызывают различной силы процессы ионообразования. Если мы примем интенсивность
ионообразования в Кучино (под Москвой) за 1, то в районе Пятигорска она будет равна 1,47, а Железноводска — 2,36 (В.И. Баранов).
Особенно сильных степеней аэроионизация достигает в ущельях, узких горных проходах, котловинах и других местах, защищенных от ветров или с недостаточным обменом воздуха. Еще в 1901 г. В. Каспари в одном из углублений среди скал на высоте 4000 м нашел чрезмерную ионизацию воздуха, причем число положительных аэроионов значи-

Таблица 6. Число легких аэроионов в 1 см воздуха в различных местах земного шара

Местность и вид воздушного транспорта	Число аэроионов		Сумма аэроионов	Коэффициент униполяр ности
	положи тельных	отрица тельных
1	2	3	4	5

Г ельголанд	524	272	796	1,92
Потсдам	775	629	1404	1,23
Лапландия	796	691	1487	1,15
Фрейбург (Швейцария) j	[712 11006	524 901	1236 1907	1,36 1,11
Мюнхен	1110	880	1990	1,26
Барселона	629	482	1111	1,3
Лионский залив	398	377	775	1,06
Тихий океан	419	419	838	1
(	'691	566	1257	1,22
Атлантический океан /	775	650	1425	1,19
Атлантический океан /	1670	629	1299	1,07
1	1566	607	1Д73	0,93
Средиземное море	901	586	1487	1,54
Венгерская низменность	1090	838	1928	1,3
Давос	1236	1006	2242	1,23
Кордильеры	2340	2010	4350	1,16
Близ Вены	746	712	1508	1,12
Буэнос-Айрес	712	670	1382	1,06
Кью (Англия)	440	314	754	1,4
Зеегам (Зальцбург)	650	629	1279	1,03
Река Амазонка	377	356	733	1,06
Западная Исландия	1006	1006	2012	1
Пик Тенериф	1630	796	2426	2,05
Манила (Филиппины)	419	377	796	1,11
Моунт Пауай (2460 м)	1214	775	1989	1,57
Тихий океан	775	650	1425	1,19
Малый Шлейдегг (2100 м)	1423	1047	2470	1,36
Хребет Юнгфрау (3700 м)	1508	880	2388	1.71
Ледник Алеч	2860	1820	4680	1,57
Венгерская низменность	964	901	1865	1,07
Южный Ледовитый океан	755	629	1384	1,22
Воздушный транспорт;
дирижабль ’’Италия”	1562	1449	3011	1.08
во время полета к
Северному полюсу
воздушный шар (на высо-	964	985	1949	0,98
соте 4000-4500 м)
самолет (на высоте	2380	1970	4350	1,21

5200 м)

тельно превысило число отрицательных. Дальнейшие измерения подтвердили это наблюдение.
Значительное преобладание положительных аэроионов над отрицательными в некоторых горных местностях объясняется тем, что плотность отрицательного заряда Земли особенно велика на вершинах гор. Обнаруженные высокие степени ионизации отрицательного знака в некоторых горных местностях объясняются резко повышенной радиоактивностью горных пород. Радиоактивность обусловливает собой

высокие степени ионизации воздуха горных пещер, но с преобладанием аэроионов положительной полярности, очевидно вследствие отсутствия проветривания. Например, в пещере Суук-Хоба (Крым) обнаружено 15880—16860 аэроионов в 1 см воздуха, а в пещере Бин-Баш- Хоба (Крым) 5220—7630 аэроионов (В.И. Виткевич). Различные условия внешней среды обусловливают ритм колебаний степени аэроионизации. Согласно произведенным наблюдениям, в Европе максимум аэроионизации отчетливо обнаруживается летом или в начале осени, минимум — зимой. Для верхних слоев воздуха (слои Хивсайда) существуют сезонные, а также многолетние периоды колебания степени аэроионизации. Многолетняя периодичность связана с циклической деятельностью Солнца. В суточных колебаниях аэроионизации замечается влияние местных условий. В некоторых местностях эти колебания имеют двойной период в течение суток. Максимум аэроионизации приходится на предрассветные часы (4—5 ч); другой максимум — на 2—4, 3—5 ч дня. Минимум падает на утренние (5—7 ч) и вечерние часы (9—12 ч). В разных местностях точки максимумов и минимумов отклоняются в разные стороны. Имеются основания предполагать, что степень ионизации атмосферы растет с широтой, с севера на юг, благодаря увеличению количества падающей на Землю лучистой энергии Солнца. Впрочем, на Крайнем Севере, в зоне полярных сияний, можно встретить также весьма высокие степени аэроионизации. Вследствие отсутствия систематических и долгосрочных наблюдений за динамикой ионизации атмосферы годовые и суточные колебания ее для многих местностей не достаточно выяснены.
Располагать данными о числе легких аэроионов обеих полярностей в воздухе той или иной местности — это уже много, но далеко еще не все. Представляется весьма существенным также знать, какого знака легкие аэроионы преобладают. Средние числа аэроионов в различных местностях, например, в Анапе или Москве, могут быть одинаковыми. Но в Москве положительных аэроионов вообще несколько больше, чем в Анапе. Коэффициент униполярности в Москве (1,35) значительно больше, чем в Анапе (1,12). Коэффициент униполярности в Париже равен 1,23; в Абердине — 1,1; во Фрейбурге — 1,11; в Мюнхене — 1,26. Высота над уровнем моря весьма часто обусловливает собой и коэффициент униполярности, который в некоторых случаях достигает значительных величин. В.И. Виткевич на скале Шишко установил коэффициент униполярности, равный 5,3, а Е.М. Ченцова на вершине Ай- Петри — равный 19. />Мы уже говорили, что Земля заряжена отрицательным электричеством. В сравнительно близких к поверхности Земли слоях преобладают положительные аэроионы, движущиеся в направлении земного поля, т.е. сверху вниз. Преобладание положительных аэроионов у поверхности Земли представляет собой обычное явление. Но в некоторых местностях встречаются исключения из данного общего правила, и в среднем там мы наблюдаем преобладающее число аэроионов отри-

Рис. 11. Динамика числа легких аэроионов обеих полярностей на уровне роста человека при ветре / и небольшом дожде 2
дательного знака. Это преобладание числа легких отрицательных аэроионов над числом легких положительных аэроионов было обнаружено в воздухе ряда курортов, как, например, Сестрорецк, Алма-Ара- сан, Бадгаштейн, Биарриц и др., за которыми мы закрепили наименование электрокурортов.
Л.Н. Богоявленский изучил ионизацию воздуха на Сестрорецком курорте и обнаружил там ряд чрезвычайно интересных фактов. Ионизация воздуха на этом курорте является несомненно повышенной по сравнению с большинством местностей. Там в среднем преобладают отрицательные аэроионы. Помимо регулярного измерения аэроионизации в одном пункте Л.Н. Богоявленский производил измерения числа аэроионов в различных пунктах курорта для того, чтобы можно было сопоставить эти результаты сданными радиометрической съемки по проникающему излучению.
Если обратиться к плану радиометрической съемки, то можно легко убедиться в том, что число легких аэроионов зависит от интенсивности земного излучения. Это наблюдается во всех сериях измерений и вполне подтверждает предположение о том, что проникающее земное излучение является локальным ионизатором атмосферного воздуха.
Время года, число часов солнечного сияния, температура и степень влажности воздуха, дожди (рис. 11), особенно грозовые (рис. 12), направление и сила ветра, высота местности над уровнем моря и многие другие факторы оказывают влияние на степень аэроионизации и иногда определяют ее знак. Изменчивая погода влечет соответствующие колебания в числе аэроионов и в их полярности. Дни с переменной влажностью и переменной температурой воздуха являются днями с наибольшими изменениями числа аэроионов.

ЧАСЫ
Рис. 12. Динамика числа легких аэроионов обеих полярностей на уровне роста человека во время грозы I и дождя 2
Были сделаны многократные попытки вскрыть соотношения между величиной и числом ядер конденсации и числом аэроионов (рис. 13) в зависимости от влажности и других условий, связанных с движением циклонов и антициклонов. Во время различных метеорологических пертурбаций и особенно во время грозы могут происходить быстрые перезарядки частиц воздуха, быстрая смена одного знака аэроионов на другой и т.д.
Наиболее важными климатическими факторами, влияющими на число легких аэроионов воздуха, являются среднесуточные изменения температуры и влажности. Понижение среднесуточной температуры обычно сопровождается резким падением числа легких аэроионов, и наоборот. При облачности, высокой влажности и слабых или умеренных осадках число аэроионов убывает. Сильные осадки, наоборот, вызывают значительное увеличение числа отрицательных частиц (см. рис. 11). В тех случаях, когда осадки сопровождаются грозами, число как положительных, так и отрицательных аэроионов достигает высоких значений (см. рис. 12).
Чистота и прозрачность воздуха идут параллельно степени проводимости и аэроионизации. Число легких аэроионов резко уменьшается, как только в воздухе появляются пыль, дым, частички влаги, туман и т.д. Твердые и жидкие частички, взвешенные в воздухе, адсорбируют легкие аэроионы и увеличивают таким образом число тяжелых частиц. Твердо установлено, что число тяжелых частиц находится в прямом соответствии со степенью загрязнения атмосферы.
Псевдоаэроионы возникают при взаимном трении твердых мелких пылевых частиц или тонко раздробленных веществ, при дроблении
или пульверизации жидкостей, при кипении естественных загрязненных источников, при трении сухих (перегретых) паров о поверхность твердых тел, а также при некоторых химических реакциях, постоянно протекающих в природе. Тяжелые аэроионы возникают в результате прилипания легких аэроионов к частичкам воды, копоти, дыма или пыли. Чем меньше тяжелых частиц обнаруживается в воздухе, тем, следовательно, воздух чище, тем меньше в нем дыма, пыли или водяных капель.
Ф. Линке и Г. Израэль во Франкфурте-на-Майне показали, что чем длиннее путь, проходимый ветром над городом, тем больше содержится в нем тяжелых аэроионов. В воздухе Парижа, наверху Эйфелевой башни оказалось до 50 тыс. тяжелых аэроионов обоих знаков в 1 см , в воздухе селений — до 1 тыс. (В. Гесс). Ветер, дующий со стороны промышленных центров или населенных мест, всегда приносит воздух, насыщенный псевдоаэроионами. Ветры, дующие из южных, юго-восточных и тропических местностей (фен, сирокко, ямази), а также из песчаных пустынь, несут с собой повышенное число положительных псевдоаэроионов. Число тяжелых частиц обоих знаков в 1 см воздуха в различных местностях колеблется от нуля до нескольких десятков тысяч. Например, в Сиднее оно достигает 2 тыс. (Поллак) , в Вашингтоне — 60 тыс. (Суанн), во Фрейбурге (Швейцария) — около 2 тыс. (Гоккель), в Дублине — от 3 до 60 тыс. (Ноллан).
Эти данные свидетельствуют о том, что резкое увеличение псевдоаэроионов в воздухе больших городов и промышленных центров по сравнению с деревенским воздухом находится в прямой зависимости от степени загрязнения атмосферы городскими отбросами — копотью, дымом, пылью с другими взвешенными частицами. Вдали от промышленных центров, в воздухе курортов, хотя бы и густо населенных, число псевдоаэроионов сравнительно невелико. Г. Шульц приводит следующие данные о числе аэроионов и заряженных частиц в воздухе курорта Эмс (табл. 7).
Е.Э. Лесгафт на основании многочисленных измерений тяжелых аэроионов в различных местах Ленинграда пришла к следующим основным заключениям:
а)              ионизационный режим в данном пункте можно связать со степенью загрязненности воздуха, он является известным критерием для оценки воздуха в гигиеническом отношении;
б)              чистый воздух содержит в 1 см3 700—800 легких и 1000— 1500 тяжелых аэроионов;
в)              по мере увеличения загрязнения воздуха число легких и тяжелых аэроионов в нем изменяется: число легких аэроионов падает до 200, а тяжелых — возрастает до 65000;
г)              лучшим показателем загрязнения воздуха является отношение числа тяжелых аэроионов к числу легких; чем больше загрязнен воздух, тем больше это отношение. При величине отношения, равной 50 и более, воздух надо считать загрязненным;

Таблица 7. Чирю аэроионов и пссвдоаэроионов в I см воздуха курорта Эмс

Аэроионы и заряженные частицы
- - -
Число зарядов в 1 cmj 7( к общему числу

alt="" /> Легкие
Средние
Тяжелые
Сверх тяжелые

д)              если оценивать гигиенический режим воздуха по степени ионизации в различных районах Ленинграда, то на первом месте оказывается район Центрального парка и Аптекарский остров (указанное отношение равно 1—2). Наихудшими показателями отличаются фабрично-заводские районы, где указанное отношение равно 69 (рис. 14).
Наблюдения указывают на локальные концентрации тяжелых аэроионов в городском воздухе. Эти концентрации зависят от районов города: в заводских районах они самые высокие, а в районах с растительными массивами — самые низкие (рис. 15). Приведенные измерения показывают огромное значение зеленых насаждений внутри промышленных городов. Заметим, кстати, что заряд тяжелых аэроионов обычно в несколько десятков раз (в 30—40 раз) выше, чем заряд легких. Но в данном случае в городском воздухе псевдоаэроионы, по преимуществу положительного знака, образуются на вредных для здоровья промышленных отбросах, и потому степень вредности этих физиологически активных электрически заряженных частиц возрастает (рис. 16).
Считалось, что пылевые частицы, взвешенные в воздухе, заряжены электричеством одного знака, а молекулы воздуха — легкие аэроионы — другого. Так, например, если заряд пыли положителен, заряд аэроионов будет отрицательным. Известковая пыль, возникающая на проезжих дорогах, несет отрицательный заряд, а окружающие эту пыль молекулы воздуха заряжаются положительно. Химический состав пыли в значительной мере обусловливает ее электрические свойства. Неметаллическая пыль заряжается положительным электричеством, металлическая — отрицательным; кислотные окислы (оксиды) образуют положительно заряженные облака, основные окислы (оксиды) — отрицательные. Частицы солей несут заряды, стоящие в зависимости от сравнительного числа кислотных или основных ионов, входящих в состав соли. Зимой число тяжелых аэроионов отрицательной полярности в городском воздухе больше, чем число аэроионов положительных. Однако все эти высказывания и опыты подлежат строгой проверке.
Можно считать экспериментально установленным, что осадки (дождь, снег, град, крупа) всегда несут электрические заряды. Проводимость воздуха обусловливает частичную потерю каплей заряда. При испарении дождевая капля приобретает отрицательный заряд, при конденсации — заряд положительный. Полярность и величина заряда могут варьировать. По измерениям ряда авторов, сильные дожди несут

Рис. 14. Изменение отношения тяжелых аэроионов N к легким п в зависимости от районов Ленинграда 1 — ЦПКО; 2 — ОЗДП (Песочная улица); 3 — ВНИИМ (Международная, 19); 4 — ЛКГ; 5 — ВО; 6 — механический завод; 7 — завод “Красный химик” (по Е.Э. Лесгафт)

alt="" />

Рис. 16. Зависимость между числом тяжелых аэроионов в воздухе (1) и числом фабричных труб (2) (по Мак-Лафлину, Париж)

положительный заряд. Слабые дожди чаще всего имеют отрицательный заряд. При небольшом дожде и небольшом снегопаде число зарядов, наоборот, уменьшается по сравнению со средним их числом. В случае грозовых дождей плотность тока осадков достигает от 10” до 10”12 А на 1 см2 поверхности земли. Снег бывает заряжен и положительно, и отрицательно. При столкновении ледяных кристаллов друг с другом они приобретают противоположные по знаку заряды. Град и крупа чаще заряжены положительным электричеством.
Необходимо заметить, что полярность электрического заряда водяных капель стоит в зависимости от концентрации солей в воде. Полярность заряда капель меняет свой знак при концентрации в воде поваренной соли, лежащей уже между 1 и 2%. Это следует иметь в виду лицам, пропагандирующим механические “гидроионизаторы”.
Тонкая струя воды, падающая в виде брызг на металлическую пластинку, образует в воздухе частицы отрицательной полярности, эта пластинка приобретает положительный заряд. Воздух, пропущенный через воду, выходит из нее с частицами отрицательной полярности. Два намоченных куска полотна, приведенные в соприкосновение и затем быстро отделенные один от другого, заряжаются положительно.
Вблизи водопадов, у берега моря во время прибоя и прилива, на гребнях волн и в других случаях разбрызгивания воды, а также во время дождя и особенно после дождя с грозой имеет место сильная электризация капель, причем крупные капли воды получают положительный заряд, мелкие — заряжаются отрицательно. Эти процессы являются электризаторами нижних слоев воздуха. Их интенсивность не подлежит точному учету, но в некоторых пунктах может достигать значительных величин. В ряде местностей, расположенных на берегу моря, особенно в часы прибоя и прилива баллоэлектрический эффект Траллеса—Ленарда играет большую роль в резком повышении электризации водяных частиц. Механизм эффекта Траллеса—Ленарда объясняется следующим образом: при всяком соприкосновении воздуха и воды в чрезвычайно тонком слое последней, порядка диаметра молекулы, возникает двойной электрический слой, расположенный так, что отрицательные заряды концентрируются на периферии, а положительные — внутри жидкости. При нарушении поверхности воды происходит разрушение указанного двойного слоя, который в свою очередь дает начало образованию отдельно существующих электрических зарядов того и другого знака. Тончайшая водяная пыль, несущая электрические заряды, может быть обнаружена даже на расстоянии нескольких километров от берега моря. По-видимому, тяжелые и легкие частицы дрейфуют в воздухе совместно. Л. Шульц на острове Фер нашел, что при движении водяной пыли в воздухе появляется большое преобладание частиц отрицательной полярности. То же можно сказать
о              действии водопадов на число зарядов в воздухе. В этом отношении интересны наблюдения О. Герке на электрокурорте Бадгаштейн, где была обнаружена сильная отрицательная ионизация воздуха, которую можно было объяснить только наличием 200-метрового водопада.

О.              Герке установил, что число легких отрицательных аэроионов в 1 см3 воздуха у самого водопада составляет (27,9+85) 10 , вблизи водопада — 18050—44440, в отдалении от водопада — 14870—25160.
При наличии воздушных токов, даже в 2 км от водопада, воздух сильно ионизирован отрицательно. О. Герке считает, что вследствие содержания в атмосфере Бад га штейна большого числа отрицательных аэроионов электрокурорт имеет столь исключительно целебный характер. Аналогичные результаты были получены при измерении аэроионизации у водопадов на электрокурортах Крейцнах, Алма-Арасан и др.
Мы оставляем терминологию О. Герке — “легкие аэроионы”. Однако в настоящее время считается недоказанным и сомнительным, что электризация частиц воды при ее механическом диспергировании (баллоэлектрический эффект) сопровождается ионизацией прилегающих молекул воздуха (В.М. Моисеев и др.). Вследствие несовершенства существующих измерительных приборов и методик исследователи весьма часто делают грубые ошибки.
Е.А. Чернявский приводит следующие значения концентрации зарядов в зависимости от расстояния естественных водяных электри- заторов при различных условиях (табл. 8).
Приведенные в табл. 8 данные интересны в том отношении, что они показывают роль гидродинамических явлений в образовании электрических зарядов воздуха отрицательной полярности. К сожалению, Е.А. Чернявский не отдифференцировал легкие аэроионы от псевдоаэроионов.
В анналах медицины зафиксированы случаи, когда больные, страдающие рядом заболеваний (бронхиальной астмой, болезнями легких, истерическими припадками, общей слабостью, хроническими головными болями и многими другими), отправлялись к водопадам и там получали облегчение или исцеление. Один из таких случаев был сравнительно недавно описан врачом Шмидтом в Берне. Это говорит о том, что электризованные частицы воды могут адсорбировать на своей поверхности аэроионы кислорода атмосферного воздуха.
Еще в XVIII в. с помощью простейших электроскопов десятки ученых тщательно изучали полярность и величину зарядов дождя, снега, града, крупы. В сочинении П. Бертолона “Электричество осадков” (Париж, 1787) мы находим подробное описание данных исследований в их хронологической последовательности. Классическая работа П. Бертолона показывает, с каким неослабевающим интересом и упорством ученые XVIII в. изучали явления, связанные с атмосферным электричеством.
Росс Ганном найдены значения равновесного зарада капель осадков. Его данные на два порядка величин меньше, чем измерения других авторов — Герата, Чэлмерса, Пасквиля и других исследователей, которые считают, чт заряда дождевых капель лежат в пределах от 2, Г10 до 2,1 ¦ ческих зарядов в системе CGSE (от 7-10-^ до 7-10 Кл).
При электрометеорологических явлениях (грозы) в воздухе образуется аллотропная форма кислорода — озон, легко различимый обонянием (ощущение “свежести” воздуха). Образуется озон также и при распаде радиоактивных веществ в почве, но в крайне ничтожных количествах. Существует превратное представление о том, что концентрация озона и число аэроионов в единице объема воздуха связаны некоторым соотношением. Еще никем не установлена зависимость между числом аэроионов в

Таблица 8. Среднее число зарядов в 1 см^ воздуха на некоторых курортах

1 Пункт	Число зарядов ...		Коэффициент униполярности
	положитель ных	отрица тельных
1	2	3	/>4

Курорт ИссыкАта Северный участок в котловине в центре курорта У верхнего течения реки Иссык-Атанка В восточной части курорта с подветренной стороны При направлении ветра от реки к месту наблюдения На берегу реки, вблизи наибольшего распыления воды Курорт Шахимардан На метеорологической площадке на высоте 40 м над рекой У реки на некотором расстоянии от места с наибольшим расспылением воды Вблизи наибольшего распыления воды
Во время увеличения уровня воды в реке
У слияния двух мощных потоков
Курорт в Ореховой роще От распыления воды на расстоянии, м:
4
10
По отношению к прибору со стороны:
надветренной подветренной В часы:
предполуденные
полуденные
вечерние 1029
1720
1092
1954
4881
1129
2005

1322	3373	0,39
1258	5809	0,22
3313	20 642	0,16
2900	27 450	0,11
2900	19 800	0.15
3100	26 700	0,12
1700	17 750	0,1
2700	37 000	0,07
2300	16 000	0,14
2800	37 900	0,07

единице объема атмосферного воздуха и концентрацией озона, хотя возможно такая связь и возникает временно при грозовых явлениях. В обычных условиях такая связь, как известнд. никем не обнаружена даже на электрокурортах, где концентрация аэроионов в 1 см воздуха доходит до 10 —10 .
В естественной обстановке наружного воздуха озон образуется благодаря ряду химических реакций, постоянно протекающих в природных условиях и хорошо известных еще со времен Шейнбейна (начало XIX в.). В хвойных лесах озон возникает под влиянием окисления смолистых веществ. Озон получается при аутоксидации фосфора и т.д. При этих реакциях не выделяется ни отрицательных, ни положительных электрических частиц.

Выше мы говорили об естественных ионизаторах атмосферы, ионизаторах внешнего воздуха. Теперь остановимся на вопросе о причинах, вызывающих ионоуничтожающие процессы. Их можно разделить на две основные группы: 1) удаление аэроионов путем диффузии и адсорбции и действием электрического поля (электрическая конвекция) ; 2) уничтожение аэроионов путем воссоединения с аэроионами противоположного знака и прилипанием их к большим незаряженным частицам (потеря подвижности).
Явление диффузии аэроионов в свободной атмосфере имеет место главным образом близ почвы, где наблюдается большая разность в концентрации аэроионов между почвенным воздухом и прилегающими к нему слоями. Явление адсорбции протекает в пограничных слоях между воздухом и твердой или жидкой поверхностью. Аэроионы, соприкасаясь с поверхностью почвы, воды, растительностью, отдают им свои заряды и превращаются в нейтральные молекулы. Как показал Эберт, влияние адсорбции наблюдается только в газовом слое, равном 0,01 мм и прилегающем непосредственно к твердой или жидкой поверхности. Вследствие резкого понижения концентрации аэроионов в этом слое аэроионы близко прилегающих слоев постоянно диффундируют в этот слой, вызывая явление диффузии ионов в последующих слоях.
Процесс рекомбинации или воссоединения аэроионов среди ионоуничтожающих явлений имеет весьма существенное значение для степени концентрации аэроионов в воздухе. Воссоединение аэроионов зависит от ряда физических, геофизических и метеорологических факторов, и потому для различных местностей коэффициенты воссоединения не одинаковы. Например, над морем воссоединение значительно меньше, чем над сушей, вследствие отсутствия ядер конденсации, несмотря на то, что ионообразующие процессы над морем значительно менее интенсивны (до 0,1 ионизации над сушей).
Весьма сильным фактором уничтожения аэроионов является прилипание их к большим незаряженным частицам, взвешенным в воздухе (пыль, дым, ядра конденсации и другие аэрозоли), отчего происходит потеря подвижности аэроионов. В настоящее время следует считать доказанным, что основная масса легких аэроионов уничтожается вследствие соединения со взвешенными в воздухе тяжелыми частицами.
Как мы уже видели, измерения концентрации аэроионов, произведенные многими исследователями в различных пунктах земной поверхности, показывают большую ее изменчивость во времени и большие отклонения от некоторой средней величины в разных пунктах. Среднюю концентрацию легких аэроионов над сушей можно принять для положительных аэроионов равной 800 и для отрицательных — 700. В отдельных пунктах среднее значение меняется примерно от 50 до 1000 и более, причем коэффициент униполярности больше 1 и в среднем равен 1,2. Над океанами наблюдаются значения приблизительно того же порядка. Для некоторых местностей значение коэффициентов униполярности падает и часто очень значительно, что говорит о высоких концентрациях отрицательных аэроионов (до 50 тыс. в 1 см3). Данные явления были отмечены рядом исследователей в курортных
местах, отличающихся своим благотворным влиянием на организм человека.
Концентрация тяжелых аэроионов изменяется в столь широких пределах, что указать какое-либо среднее ее значение представляется весьма затруднительным. У земной поверхности над сушей концентрация тяжелых аэроионов больше, чем легких, и изменяется от места к месту в еще больших пределах -г- от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч. Число тяжелых аэроионов в естественных условиях редко возрастает выше 100 тыс. в 1 см3. Эти изменения концентрации непосредственно человеком не ощущаются, но оказывают заметное действие на организм.
Материалы исследований степени концентрации аэроионов и величины коэффициета униполярности атмосферного воздуха в различных местностях должны лечь в основу разработки проблемы аэроионификации общественных и жилых зданий. />

<< | >>

Источник: ЧижевскийА.Л.. Аэроионификация в народном хозяйстве. - 2-е изд., сокр. — М.: Стройиздат. — 488 с.. 1989

Еще по теме АЭРОИОНЫ И ПСЕВДОАЭРОИОНЫ АТМОСФЕРЫ:

- Болотоведение - Метеорология и климатология - Научно-популярная история - Океанология (океанография) - Почвоведение -

- Биология - Ветеринария - Взаимоотношения животных - Все животные - Геология - Зоопсихология - Коровы - Кошки - Лечение животных - Лошади - Насекомые - Науки о Земле - Опасные растения и животные - Растительный мир - Редкие животные - Сельское хозяйство - Собаки - Экология -