,

где

- средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы идеального газа (с достаточной степенью точности формула применима для воздуха);

- постоянная Больцмана;

- температура воздуха;

Молекула, потерявшая кинетическую энергию при неупругом столкновении с ионом, понижает общую энергию поступательного движения молекул, а, следовательно, понижается и температура воздуха. Изменение температуры воздуха в результате потери энергии на излучение при столкновении с ионами составляет:

и - температура воздуха, соответственно, в начальный и конечный моменты времени.

Из кинетической теории газов:

и ,

где

- средняя кинетическая энергия молекулы при температуре ;

- изменение средней кинетической энергии молекулы.

Если предположить, что потеря энергии при столкновении молекул с ионами за время равномерно распределяется между всеми молекулами единичного объема, тогда:

и - число ионов и нейтральных молекул в единичном объеме соответственно;

- время;

- коэффициент поглощения инфракрасного излучения кристаллами льда или каплями воды ;

- число соударений нейтральных молекул в ион в единицу времени, которое равно:

,

где

- сечение взаимодействия молекулы с ионом;

- газовая постоянная;

- молекулярный вес газа.

Таким образом, изменение температуры воздуха составляет:

или после преобразования:

(1)

Подставив значения постоянных членов и полагая, что для воздуха = 29, а сечение столкновения молекулы с ионом имеет порядок 10^-16 см², получим:

(2)

Механизм 2.

Молекулы, пролетающие в электростатическом поле иона без столкновения с ним, поляризуясь, в результате неупругих взаимодействий также теряют энергию на излучение. Сечение взаимодействия без столкновения имеет порядок 10^-14 см². На удалении 10^-7 см энергия электростатического поля иона равна , поэтому, подставив значения величин в (1), получим:

(3)

Для простоты расчета здесь принято, что все молекулы в электростатическом поле иона в радиусе 10^-7см теряют энергию . Фактически же потеря энергии молекулами колеблется в пределах от до .

Механизм 3

Легкие ионы газов воздуха подобно другим аэрозолям поглощают и излучают энергию в инфракрасной части спектра за счет изменения энергии колебательного и вращательного движения молекул внутри иона. Указанные два вида движений атомов в молекулах и поступательное движение молекул взаимосвязаны, поэтому изменение энергии первых двух видов движений влечет за собой изменение энергии поступательного движения, определяющего температурный режим газов. Концентрация ионов в воздухе сравнительно небольшая, поэтому и суммарное излучение за счет этого механизма незначительно.

Процесс излучения и поглощения электромагнитной энергии в воздухе, насыщенном легкими ионами, происходит постоянно. В результате поглощения солнечной радиации легкими ионами и поляризованными молекулами азота и кислорода кинетическая энергия поступательного движения молекул газов повышается. Одновременно с этим действует механизм излучения энергии, вследствие чего энергия поступательного движения молекул газов уменьшается.

Изменение температуры воздуха за счет потерь энергии при взаимодействии молекул с ионами без столкновения на порядок больше, чем при столкновении, поэтому изменением температуры за счет последнего фактора можно пренебречь и для расчетов использовать формулу (3).

Расчеты показывают, что при концентрации ионов 10⁵ см³ в сухом чистом воздухе на высоте изобарической поверхности АТ500 гПа за счет излучения температура понижается на 0,14 ⁰С в час или 3,4 ⁰С за сутки.

Температура воздуха при отсутствии солнечной радиации за счет выше указанного фактора понижается до достижения конденсации или сублимации водяных паров, когда С=1. В дальнейшем происходит поглощение излучаемой энергии водяными каплями и кристаллами льда. Ионы интенсивно растворяются в каплях и оседают на кристаллах, их концентрация резко снижается.

4. Влияние высокой концентрации ионов на погодообразующие элементы

В условиях высокой интенсивности солнечной радиации в сухом чистом воздухе, насыщенном ионами, поглощение энергии преобладает над излучением и температура воздуха повышается. Если же излучение компенсируется поглощением, то за счет описанных факторов температура воздуха не изменяется. При отсутствии солнечной радиации (темное время суток или полярная ночь) излучение преобладает над поглощением и температура воздуха понижается.

Понижение температуры воздуха в тропосфере за счет указанного фактора накладывается на понижение температуры приземного слоя воздуха в результате интенсивного выхолаживания подстилающей поверхности. Поэтому, сухой арктический воздух, облучаемый мощными потоками ионизирующего излучения солнечного происхождения, быстро трансформируется. В этом случае усиливается меридиональная составляющая циркуляции во всей тропосфере в обоих полушариях, часто изменяющая направление и скорость океанических течений, влияющих на погоду и климат континентов.

Во влажной воздушной массе трансформация за счет указанного фактора отсутствует. Поэтому на границе сухой и влажной воздушных масс проиcходит увеличение температурных градиентов и, как следствие, обострение фронтальной зоны, усиление меридиональной циркуляции, резкое понижение температуры воздуха и недостаток увлажнения в одних районах и сильное повышение температуры воздуха с обильным выпадением осадков и возникновением стихийных явлений в других районах.

Так, на севере американского континента повышенный уровень корпускулярного излучения сочетается с низким содержанием влаги и условиями солнечного сияния, что способствует значительному понижению температуры воздуха во всей тропосфере. В результате этого усиливается меридиональная составляющая циркуляции и проникновение холодного воздуха на юг вглубь континента. Холодный арктический воздух контактирует с теплым влажным тропическим воздухом. В зоне активного фронта возникают смерчи, торнадо и сильные осадки.

Стихийные явления на юге Северной Америки могут возникать только спустя 4 - 6 суток после начала на севере американского континента геомагнитной бури. Это связано с тем, что для понижения температуры в арктическом воздухе под воздействием заряженных частиц необходимо 3 - 4 суток и еще 1 - 2 суток для смещения арктического фронта к югу континента.

Таким образом, прогноз геомагнитных бурь можно использовать для прогноза стихийных явлений на Североамериканском континенте с достаточной заблаговременностью.

Очевидно, в формировании полюса холода над северо-востоком Сибири не последнюю роль играют ионы, образованные в результате облучения газов приземного слоя воздуха продуктами радиоактивного распада радона, выходящего на поверхность из горных пород.

В условиях интенсивного солнечного сияния и больших концентраций ионов поглощение энергии газами воздуха преобладает. Воздух интенсивно прогревается во всей тропосфере. Воздушная масса, формирующаяся над континентом в этих условиях, характеризуется исключительно высокими температурами и низким содержанием влаги. В зоне действия такой воздушной массы возникают продолжительные засухи.

Проникающее на различную глубину в тропосферу ионизирующее излучение, посредством ионов влияют на степень устойчивости в ней и перенос влаги с нижних в верхние слои атмосферы. При формировании воздушной массы над океаном указанный фактор имеет решающее значение в увлажнении тропосферы. Основная масса влаги на континенты переносится с морскими воздушными массами, поэтому от содержания влаги в них зависит количество выпадающих осадков.

При недостаточно высокой энергии космических частиц ионизация происходит, в основном, в верхней тропосфере, что вызывает увеличение рассеяния солнечной радиации поляризованными молекулами азота и кислорода подобно твердым аэрозолям. Земная поверхность прогревается меньше, увеличивается устойчивость в атмосфере.

При ослаблении солнечной активности усиливается облучение тропосферы Земли на всех широтах высокоэнергетическими космическими излучениями. В этом случае действует эффект, описанный Хенриком Свенсмарком.

Это лишь небольшая часть возможных вариантов влияния ионизирующего излучения, в зависимости от его мощности, условий солнечного сияния, содержания влаги в атмосфере и состояния подстилающей поверхности, на погодные и климатические условия Земли.

Неоднозначность влияния легких ионов на температурный режим тропосферы вызывает различную степень корреляции (от положительной до отрицательной) погодообразующих элементов с фактором, порождающим потоки ионизирующего излучения - активностью Солнца.

Влияние активности Солнца на процессы, протекающие в тропосфере, осуществляется посредством высокоэнергичных заряженных частиц солнечного ветра, под воздействием которых образуются ионы, изменяющие физические свойства основных компонентов газов воздуха - азота и кислорода.

Изменения погоды и климата Земли, как правило, имеют цикличность, совпадающую с активностью Солнца. В годы высокой активности Солнца в тропосфере преобладает меридиональная циркуляция, в годы снижения активности - зональная. Тип циркуляции атмосферы влияет на изменение океанических течений и на погодообразующие факторы.

Литература