Відомо, що гази є кращими ізоляторами електрики при звичайних умовах тиску і температури, у чому ми переконуємося на дослідах з ізольованим електроскопом, листочки якого залишаються цілі години відхиленими від положення рівноваги. Повітря також вважався непроводнікі електрики, і слабку втрату заряду електроскопом приписували як недосконалої його ізоляції, так і присутності в повітрі пилу, парів води, що забирають заряд з електроскопа (Варбург, 1872). Проте роботи Ельстер, Кейтеля і Вільсона показали, що і атмосфера володіє безсумнівною провідністю, а досліди Еберта (Ebert) і Емдена (Emden) з'ясували той факт, що з висотою електропровідність повітря швидко зростає, коливаючись в залежності від метеорологічних та інших умов. Тоді перед фізиками виникла проблема, яка природа цієї електропровідності, і якими причинами вона обумовлюється?
Електропровідність твердих і рідких тіл може бути двоякого роду: електропровідність металева, притаманна металам і деяким іншим тілам, і електропровідність електролітична, властива більшості рідин, головним чином розчинів солей. Електропровідність металева характеризується тим, що вагомі частки провідника не приймають ніякого видимого участі в русі через нього електрики. В електролітах, навпаки, рух електрики пов'язано з рухом частинок самої матерії. Завдяки, впливу розчинника або високої температури частина молекул електроліту дисоціюють, розпадаючись на хімічні різнорідні іони, заряджені рівними кількостями електрики протилежних знаків. Впливу зовнішніх електричних сил піддаються тільки вільні іони, що приходять під їх впливом в рух разом зі своїми зарядами. Тоді відбувається процес руху іонів: електропозитивні іони направляються в одну сторону, електронегативні - в іншу, що і дасть місце електричному струму в рідині, переносящему позитивні заряди на катод, а негативні на анод. Заряд, несомих кожним грам-еквівалентом іона, незалежний від його природи і досягає 96540 кулонів.
Таким чином, треба було вирішити питання про те, яким із цих двох родів електропровідності володіють гази. Питання це був дозволений завдяки вивченню ряду способів, за допомогою яких можна повідомляти газам помітну електропровідність. Так, наприклад, будучи висвітлені ультрафіолетовими або рентгенівськими променями, або перебуваючи під дією катодних або анодних частинок або частинок, що випускаються радіоактивними речовинами, або, нарешті, під дією високої температури, гази набувають властивість проводити електрику. Заряджений електроскоп втрачає свій заряд незалежно від його знака, майже моментально, як скоро на нього впадуть ті чи інші з цих променів. За аналогією з електропровідністю електролітів було зроблено ще припущення, що під впливом таких променів в пронизує ними газі з'являються частинки, електрично позитивно і негативно заряджені. Це припущення було потім підтверджено численними дослідами Дж. Томсона і його учнів в лабораторії Кавендіша (Саvеndish) в Кембриджі в період 1897 - 1903 рр. Ці заряджені електрикою частинки газів були названі іонами, самий процес їх виникнення - іонізацією, а промені, що викликають іонізацію-ионизаторами. Так як аналогія між електролітичними іонами і газовими неповна, то англійські фізики частіше називають їх "електроносіями" або, коротше, "носіями". Нарешті, ионизаторами повітря є також багато хімічні та механічні процеси, як-то: горіння, окислення фосфору, роздроблення і розпорошення води про тверді або рідкі поверхні і пр.
Таким чином, не залишалося ні краплі сумніву в тому, що і та вельми слабка електропровідність, яка спостерігається в усякому газі і в атмосфері в їх нормальному стані, має причину в їх іонізації. Ставши на таку точку зору, неважко було пояснити самий факт розсіювання електрики в атмосфері, а рівно і його залежність від різних метеорологічних та інших умов.
Ще Ельстер і Гейтель висунули гіпотезу про участь в іонізації ряду причин, і передусім причини космічної - дії сонячних променів. Досліди Ленарда (Lenard) над крайніми ультрафіолетовими променями, що випускаються розпеченими парами алюмінію, цинку та інших металів, виявили найсильнішу поглощаемость цих променів атмосферою і надзвичайно сильну ступінь іонізації її в результаті цього поглинання. Іонізацію повітря ультрафіолетовими променями слід уявляти собі таким чином: внаслідок поглинання променевої енергії молекулою повітря з останньої виходить негативний електрон і залишок перетворюється в позитивний іон. Від'ємний електрон, з'єднуючись з нейтральною молекулою повітря, утворює негативний іон. З огляду на те що сонячна фотосфера містить в собі розпечені пари зазначених вище металів, а крім того, водень, що випускає при искровом розряді найкрайніші ультрафіолетові промені, то припущення Ельстер і Гейтель про участь Сонця в іонізації повітря робиться надзвичайно правдоподібним. Це припущення пояснює, вельми просто, цілий ряд найважливіших явищ в атмосфері, пов'язаних із спостереженнями за її іонізацією, як, наприклад, велику ступінь іонізації влітку, ніж зимою, в сонячні дні, ніж у похмурі, і т. Д.
Однак якщо ми візьмемо до уваги надзвичайно сильну поглощаемость крайніх ультрафіолетових променів атмосферою, то необхідно буде укласти, що насправді безпосередня іонізація її ультрафіолетовими променями Сонця має місце тільки в самих верхніх шарах. Ті ж верхні шари повітря, мабуть, ионизируются рядом інших причин космічного характеру, а саме бомбардуванням космічної пилом, сонячними електронними радіації і т. Д. В нижні шари іони можуть проникати лише внаслідок дифузії або захоплюватися постійними висхідними і спадними струмами повітря. Але для пояснення іонізації нижніх шарів повітря і цей висновок зустрічає утруднення у факті швидкого зникнення іонізації по припиненні дії її джерела. Внаслідок повільного руху низхідних потоків повітря, іонізоване вгорі, буде, мабуть, досягати поверхні Землі лише по закінченні такого часу, коли вся його іонізація давно зникла. Тому є необхідним для пояснення іонізації нижніх шарів атмосфери звернутися до розгляду іншого її джерела - радіоактивності атмосферного повітря, яка стоїть у відомому зв'язку з сонячним випромінюванням і, отже, залежною від періоду пятнообразования.
Відкриттям радіоактивності повітря ми зобов'язані Ельстер і Гейтель. Вони натягнули в своєму саду на двох ізоляторах мідну проволоку в 10 метрів і протягом двох годин за допомогою електричної батареї підтримували на ній високий негативний потенціал. В результаті дослідження вони переконалися, що дріт стала радіоактивною. Радіоактивність могла бути знята з дроту за допомогою паперу або вати і по їх спаленні залишалася в золі, діючи помітним чином на фотографічну пластинку або викликаючи фосфоресценцію екрану, покритого платино-ціаністим барієм. Замість того щоб отримувати активування дроту шляхом штучної електризації, її можна отримувати завдяки одному лише дії земного електричного поля, наприклад на вершинах гір, на вежах і т. Д. Подальші спостереження встановили присутність в повітрі інших радіоактивних елементів, торію і актинію, а також з'ясували співвідношення їх кількостей з різними метеорологічними і геофізичними чинниками. Між іншим, тими ж вченими був констатований той факт, що повітря підвалів, печер і підземель ионизирован в набагато більшому ступені, ніж повітря над поверхнею Землі. Особливо сильно іонізованим виявився повітря, витягнутий з грунту яким-небудь штучним чином. Порівняно невеликого обсягу такого повітря достатньо для того, щоб повідомити властивість тимчасової радіоактивності зануреної в ньому дроті, зарядженої негативною електрикою. Електроскоп в такому повітрі розряджався протягом декількох хвилин. Тому природно було зробити припущення, чи не обумовлюється Чи радіоактивність атмосферного повітря домішками до нього радіоактивних речовин та їх еманацій, що надходять в нього з грунту? А так як ця радіоактивність в свою чергу обумовлює іонізацію повітря, то необхідно прийти до висновку, що одним з джерел іонізації нижніх шарів атмосферного повітря і є саме радіоактивні початку, що знаходяться в грунті. Втім, є підстави вважати, що радіоактивність повітря обумовлена низкою складних і різноманітних процесів, що відбуваються в природі взагалі, а отже, є однією з форм енергії.
Незважаючи на всю складність даного питання і трудність розмежування ролі радіоактивності грунту і сонячного лучеиспускания в іонізації атмосферного повітря, все ж добові і річні варіації в ступеня іонізації повітря можуть бути віднесені за рахунок променів Сонця. Велика іонізація повітря влітку порівняно з зимою і в гарну погоду порівняно з похмурою може бути пояснена цілком задовільно, якщо ми візьмемо до уваги більш сильну інсоляцію грунту влітку і в ясну погоду. Цими факторами обумовлюється більш інтенсивне і більш вільне спілкування грунтового повітря та атмосферного. Бути може, тими ж причинами необхідно пояснити і добові коливання іонізації повітря, які згодні з коливаннями деяких метеорологічних елементів.
Необхідно зауважити, що число позитивних і негативних іонів, що полягають в атмосферному повітрі при звичайних умовах, дуже мало в порівнянні з повним числом його молекул. Як відомо, в 1 кубічному сантиметрі газу при звичайних умовах тиску і температури міститься близько 30 * 10 18 (30 трильйонів) молекул. У той же час в тому ж обсязі кількість дорівнює в середньому 800-1000. Ця кількість іонів варіює в повній відповідності з порою року і дня, залежить від геологічних, топографічних і метеорологічних умов і від ходу елементів погоди: так, наприклад, влітку число іонів значно більше, ніж взимку, в ясну і суху погоду більше, ніж в дощову і хмарну, при тумані опускається до нуля.
Надзвичайно цікавим є питання про те, чи існують коливання в ступені іонізації атмосферного повітря, що мають більший період - період 11-річний, пов'язаний з таким же періодом в діяльності Сонця. На жаль, я повинен констатувати той факт, що завдяки відсутності масових і щоденних вимірів ступеня іонізації атмосферного повітря питання це не дозволений до сих пір. А між тим потреба експериментального дозволу цього важливого питання диктується як з боку біології, так і самими припущеннями в існуванні такого періоду в іонізації атмосфери.
Як відомо, в епоху підвищеної діяльності Сонця кількість притекающей до Землі променистої енергії Сонця значно підвищується. Цей підвищений приплив енергії до Землі у формі електромагнітних або корпускулярних випромінювань, без сумніву, викликає посилення інтенсивності фізико-хімічних процесів в земній корі і атмосфері.
Нодон (Nodon) опублікував результати своїх цікавих дослідів, що показують, що радіоактивні випромінювання значно прискорюються сонячними променями, що містять випромінювання особливого порядку. Ці останні проникають крізь тонкий шар свинцю та інших металів, причому поглинаються металами тим сильніше, чим вище атомний вага металу, з якого зроблений екран. Дія цих променів найбільше помітно в період посиленої активності Сонця. Якщо, таким чином, ступінь радіоактивних випромінювань, що знаходяться в повітрі, посилюється в період підвищеної солнцедеятельності, то, отже, і іонізація атмосферного повітря також має підвищитися в той же період.
Присутність в атмосфері радіоактивних еманацій приписується виділенню порід, що знаходяться на поверхні Землі. Однак, спостереження, вироблені Бонгард (Bongard) в Лінденбурге за допомогою сталевих дротів довжиною від 5 до 15 метрів, що піднімалися зміями на висоту 4000 метрів, підтвердили залежність кількості еманацій від барометричного тиску на поверхні Землі і температури того шару повітря, в якому знаходилася дріт. Крім того, Бонгард була помічена періодичність зміни еманації з періодом в 27 - 28 днів. Причину цієї періодичності Бонгард приписав солнцедеятельності, так як вказаний період приблизно дорівнює періоду його обертання. Одночасні спостереження над кількістю радіоактивних еманацій, вироблені в Манілі на Філіппінських островах, дали ту ж 27-28-денну, періодічіооть. Порівнюючи дані, отримані в зазначених двох пунктах зі спектрогеліограммамі кальцієвих хмар Сонця, Бонгард вивів висновок, що джерелом еманацій, .обнаруженних в нашій атмосфері, є солнцедеятельность.
Ще необхідно відзначити наявність ефекту Столєтова-Галльвакса (Hallwachs) у земної поверхні. Як було показано, деякі метали мають властивість швидко втрачати негативний заряд під впливом .прямого сонячного світла. Навіть коли металева пластинка не заряджена, вона випускає негативні промені, приймаючи таким чином позитивний заряд. Яким променям Сонця необхідно приписати цей фотоелектричний ефект? З видимої частини спектра тільки одна фіолетова частина робить подібну дію. Шляхом точних вишукувань було встановлено, що ряд мінералів, насамперед польовий шпат і граніт, також виявляють під впливом цього випромінювання фотоелектричний ефект. На цій підставі Ельстер і Гейтель припустили, що під впливом сонячного світла у багатьох кам'янистих порід негативно зарядженої земної поверхні виступають в повітря негативні електрони. Ці останні в разі наявності відповідних умов можуть також служити причиною іонізації атмосфери самої земної поверхні.
Зв'язок між ступенем іонізації повітря та плямовиникною процесом була виявлена на цілому ряді фізичних явищ в атмосфері. Перш за все цей зв'язок дуже ясно проявилася в коливаннях, умов радіопередачі. Це вплив іонізації отримує теоретичне пояснення в рівняннях Максвелла - Герца, так як іонізацією, як ми бачили вище, обумовлюється електропровідність повітря. Таким чином, електромагнітні хвилі, що поширюються в добре провідному середовищі, набувають характеру загасаючих коливань, і їх логарифмічний декремент загасання збільшується прямо пропорційно ступеня електропровідності.
З огляду на те, що іонізація повітря протягом доби схильна до значних коливань, залежним від сили і напруженості сонячного світла, то і радіопередача варто залежно від цього чинника. Дійсно, іонізація атмосфери в будь-якому місці земної поверхні залежить від часу дня і ночі і взагалі збільшується до середини дня, а потім зменшується, очевидно, що і розповсюдження електромагнітних хвиль має представляти періодичну функцію часу з періодом, рівним добі. Головний максимум іонізації спостерігається від двох до чотирьох годин, а мінімум - вранці і ввечері. Так як вплив іонізації і електропровідності на електромагнітні коливання позначається головним чином в ослабленні їх енергії, то виходячи навіть з чисто теоретичних міркувань неважко було зробити висновок, що радіопередача буде найбільш ускладнена вдень і найменше вночі, а також увечері і вранці. Насправді Марконі (Marconi) вперше відзначив той факт, що вночі як чутність радіосигналів, так і дальність відстані передачі значно збільшуються. Цей факт згодом був підтверджений тисячами спостерігачів. Крім того, в ті години, коли Сонце сходить і заходить, внаслідок різкої зміни іонізації шарів атмосфери, що лежать у прикордонній області між освітленими і неосвітленими частинами її, ми повинні виявити вплив порушення безперервності іонізованих шарів. Ця обставина в- свою чергу повинно позначитися на радиоприеме, що і справді має взагалі місце. У той же час увагу дослідників було залучено тим фактом, що якість прийому радіохвиль значно погіршується під впливом пятнообразования. Спостереження, вироблені з цією метою, встановили, що в дні проходження сонячних плям через центральний меридіан Сонця прийом радіохвиль взагалі зазнає значних аномалії в сторону його труднощі. Дане явище найсильніше позначається при роботі з довгими хвилями, як показали спостереження Піккара (Pickard) у Вашингтоні, що, втім, і слід було очікувати згідно з теоретичними міркувань. Аестен (Austin) знайшов теж тісну залежність між місячними індексами радиоприема і сонячною радіацією.
Нарешті, були зроблені спроби встановити вплив сонячного затемнення на атмосферну електрику, наприклад в 1900, 1905, 1912, 1914 і в 1927 рр. Нордманн спостерігав в Алжирі в 1905 р мінімум провідності приблизно через 3/4 години після настання повної фази затемнення.Другие исследователи пришли также к заключению о влиянии данного космического феномена на проводимость атмосферы.Были произведены наблюдения над влиянием солнечного затмения на радиопередачу.
Автор статьи - А. Л. Чижевский