Ionosfääri ja maapinna vaheline pinge muutub ajas samuti, kui globaalne äikesetegevus. Äike vajab soojusenergiat ja kõige sagedasemad ning võimsamad on äikesed troopikas. Äikesetegevus kulmineerub päeval ja vaibub öösel. Ionosfääri pinge saavutab maksimumi siis, kui keskpäev on Aafrikas ja teise maksimumi, kui keskpäev on Lõuna-Ameerikas, ning langeb miinimumväärtuseni siis, kui keskpäev on Vaikse Ookeani kohal. Pinge keskmine väärtus oleneb Maakera keskmisest temperatuurist ning ionosfääri ja maapinna vahele ühendatud voltmeetrit saaks kasutada kliima globaalse soojenemise mõõtmiseks. Kahjuks aga ei osata ka kaasajal ionosfääri pinget selleks piisava täpsusega mõõta. USA füüsik E.R. Williams näitas 1992. aastal, et märksa reaalsem meetod Maakera keskmise temperatuuri jälgimiseks on mõõta globaalse äikesetegevuse looduslikult integreeritud raadiosignaali ülimadalal sagedusel 7,9 Hz, mis on ionosfääri ja maapinna vahelise lainejuhi esimene resonantssagedus.
Õhu elektrijuhtivust põhjustavad
õhus leiduvad ioonid. Lämmastiku või hapniku aatomi
lõhub positiivseks iooniks ja vabaks elektroniks kas radioaktiivse
või kosmilise kiirguse kvant. Elektron ei püsi õhus
kaua vaba, vähem kui mikrosekundi jooksul kleepub ta ettejuhtuva hapnikumolekuli
külge ja muudab selle negatiivseks iooniks. Ioonid põrkuvad
molekulidega tuhandeid kordi ühes mikrosekundis ja selles põrgeteahelas
toimub palju keemilisi reaktsioone, millest võtavad osa ka õhus
mikrokogustes leiduvad elektriliselt aktiivsete molekulidega gaasid. USA
füüsik F. Eisele leidis 1986. a. mass-spektromeetri abil, et positiivsed
õhuioonid sisaldavad reeglina püridiini, mille kontsentratsioon
on nii väike, et selle aine leidumine looduslikus õhus ei olnud
enne Eisele katseid teada. Eisele tulemusi kinnitavad Tartu Ülikoolis
sõltumatult tehtud ioonide liikuvuste mõõtmised ja
teoreetilised arvutused. Õhu ioonid osutuvad keerulisteks moodustisteks,
mis koosnevad kümnetest aatomitest ja mida füüsikud ja keemikud
nimetavad klastriteks. Klastri koostis ja tema mõõdetavad
parameetrid, elektriline liikuvus ja mass, olenevad õhu lisanditest,
mille kontsentratsioon võib olla alla miljondiku protsendi. Atmosfääriõhus
leiduvate ioonide mass-spektromeetria nõuab kallist ja suuremõõtmelist
aparatuuri. Elektrilisi liikuvusi on võimalik veidi lihtsamalt mõõta
ja analüsaatori võib teha õige väikese ja kaasaskantava.
Ioonide liikuvusspektromeetria kui õhu lisandite keemilise analüüsi
meetod hakkas kiiresti arenema 1990-ndatel aastatel ja alates 1998. a.
ilmub juba spetsiaalselt liikuvusspektromeetriale pühendatud teadusajakiri.
Liikuvusspektromeetria kaasaegsete rakenduste hulka kuuluvad näiteks
sõjagaaside ja narkootikumiaurude jälgede detekteerimine õhus.
Pildil on ioonide liikuvusanalüüsil põhinev mürkgaasidetektor.
Ioonidel on oluline osa atmosfääriaerosooli
tekkimisel ja pilvede arengus. Juba 19. sajandil tõestas lord Kelvin,
et mida väiksem on veetilk, seda raskem on veeauru kondenseerumine
ja kiirem tilga aurumine. Kui tilga läbimõõt oleks sajandik
mikromeetrit, siis peaks ta silmapilkselt auruma. Niiviisi näib, et
uute pilvetilkade tekkimine ja kasvamine alates selgest õhust pole
üldse võimalik. Paradoksi lahendus leiti ruttu: osutus, et
õhk sisaldab alati mõne sajandikmikromeetri läbimõõduga
tahkeid osakesi, mida hakati nimetama kondensatsioonituumadeks. Uued pilvetilgad
tekivad kondensatsioonituumadel. Kui õhus on palju kondensatsioonituumi,
siis saame teatud hulgast veeaurust palju pisikesi tilku mis jäävad
õhku hõljuma. Kui kondensatsioonituumi on vähe, siis
saab samast hulgast veeaurust vähe suuri tilku, mis käituvad
hoopis teistviisi. Niiviisi juhivad kondensatsioonituumad pilvede ja sademete
arengut ja selle kaudu maakera kliimat. Kuidas aga tekkivad kondensatsioonituumad,
jäi kauaks mõistatuseks. Inglise füüsik C.T.R Wilson
leidis Nobeli preemiaga pärjatud töös, et veeauru väga
suure üleküllastuse puhul võivad kondensatsioonituumadena
käituda ka tavalised õhuioonid. Paraku aga ei tule looduslikus
õhus piisavalt kõrget üleküllastust kunagi ette.
Kondensatsioonituumade tekkimise ehk nukleatsiooni uurimine on kujunenud atmosfäärifüüsika iseseisvaks haruks, mille üheks juhtivaks keskuseks on Helsingi ülikooli füüsikaosakond. 200 km Helsingist põhja pool Hyytiälä uurimisjaamas mõõdetakse nukleatsiooniprotsesse pidevalt töötavate aparaatidega, mille hulgas on ka kaks Tartus konstrueeritud ja ehitatud ioonispektromeetrit. Tulemused näitavad, et intensiivne nukleatsioon toimub mõnetunniliste puhangutena. Kõige võimsamad nukleatsioonipuhangud esinevad eriti selge õhuga kevadpäevadel. See esialgu paradoksaalsena näiv tulemus on õhukeemia ja aerosoolifüüsika iseärasustega üsna lihtsalt seletatav. Nukleatsiooni algfaasis tekkivate osakeste suurust mõõdetakse nanomeetrites (üks nanomeeter on tuhandik mikromeetrit) ja nende areng ühe ja kolme nanomeetri vahel on uurijatele väljakutseks tänaseni. Üha ilmsem on aga, et selles arengus mängivad oma osa ioonid. Ioonidest kondensatsioonituumade tekkimist nimetatakse ioon-indutseeritud nukleatsiooniks. Kui ioon-indutseeritud nukleatsiooni osatähtsus atmosfääris osutub piisavalt suureks, siis tähendab see, et õhu ionisatsioon võib oluliselt mõjutada maakera kliimat. Õhu ionisatsioon on aga eriliselt tundlik nii inimtegevuse kui kosmosest tulevate mõjutuste suhtes.
Tartu Ülikooli Aeroelektrilaboratoorium alustas 1985. aastal laetud nanomeeterosakeste mõõtmist ioonispektromeetri abil Pärnumaal Tahkuse Õhuseirejaamas ja esmakordselt registreeriti puhanguid juba samal aastal. 1988. a. alates töötab Tahkusel täielik ioonispektromeetrite komplekt ja põhiosa tänapäeva teadmistest maapinnalähedase atmosfääri ioonide liikuvusjaotuste kohta pärinebki Tahkusel tehtud mõõtmistest. Ioonispektrite regulaarsete mõõtmise jätkamine on osa Tartu füüsikute koostööst Helsingi kolleegidega.
Inimtegevuse tulemustest mõjutab atmosfääriõhu ionisatsiooni radioaktiivse gaasi Krüptoon-85 emissioon tuumaenergeetika jäätmete ümbertöötlemistehastest. Krüptoon on inertgaas ega kogune organismidesse, mistõttu teda loetakse suhteliselt ohutuks saasteaineks. Keemiline inertsus muudab krüptooni kõrvaldamise õhust väga raskeks kui mitte võimatuks. Krüptoon-85 radioaktiivse lagunemise poolestusaeg on 10,7 aastat ja kuna inertgaas millegagi ei reageeri, siis ta akumuleerub atmosfääris. Hinnangud näitavad, et olenevalt energeetika raskelt ennustatavatest tulevikustsenaariumidest võib radioaktiivsest krüptoonist põhjustatud lisaionisatsioon juba käesoleval sajandil muutuda võrreldavaks loodusliku ionisatsiooniga. Milliseid tagajärgi see kaasa toob, pole teada.
Looduslikest faktoritest mõjutab
ionisatsiooni, seda eriti suurematel kõrgustel, kosmosest tulev
ioniseeriv kiirgus. Osa ioniseerivast kiirgusest pärineb Päikeselt
ja see kiirguskomponent varieerub ajas olenevalt Päikese pinna seisundist.
Teatavasti muutub see tsükliliselt perioodiga umbes 11 aastat. Tsükli
kestel ilmub Päikese pinnale kord vähem, kord rohkem ioniseerivat
kiirgust emiteerivaid plekke. Taani teadlaste H. Svensmark'i ja E. Friis-Christensen'i
1997. aastal ilmunud artikkel selgitab üsna veenvalt kuidas Päikese
pinna seisund mõjutab atmosfääri ionisatsiooni kaudu Maakera
pilvkatet ja kliimat. See artikkel vallandas teaduslikus ajakirjanduses
ägeda diskussiooni ja atmosfäärifüüsikud pole
seni üksmeelele jõudnud, kuivõrd Svensmarki hüpotees
väärib kriitikat või tunnustamist.