图9-3 测量由于离子运动所引起的空气导电性
除了电势梯度以外，另一个可以测量的东西就是大气中的电流。这电流密度很小——通过与地面平行的每平方米面积约有10pA。空气显然不是完美的绝缘体，而由于这一导电性，一个微小电流——由刚才所描述的那种电场所引起的——就会从天空流向大地。
为什么大气会有导电性？原因是，这里或那里的空气分子中存在个别离子——比如已获得了一个额外电子、或也许丧失了一个电子的氧分子。这些离子并不保持为单独的分子状态，它们由于带有电场而经常会把几个其他分子聚集在其周围，于是每一离子就成为一小团块，与其他团块一起，在电场中到处漂移——缓慢地移上移下——形成所观察到的电流。这些离子 从哪里来的呢？最初人们猜测这些离子是由地球的放射性产生的（已经知道，从放射性材料发出的辐射会把空气分子电离而使空气导电）。像β射线那样的粒子，从原子核出来之后会跑得那样快以致把电子从空气里的原子中扯去，从而留下离子。当然，这就暗示着：要是我们升至较大高度，便会发现电离作用较少，因为放射性全都藏在地表上的尘土之中——在镭、铀、钾等的痕迹中。
图9-3 测量由于离子运动所引起的空气导电性
为了检验这一理论，有些物理学家带着仪器乘气球上升去测量空气电离度（赫斯，1912年），但发现的情况相反——单位体积里的电离度随高度而增加（仪器与图9-3所示的相类似，两块金属板周期性地被充电至一电势V。由于空气的导电性，这两块板将慢慢地放电，这放电率用静电计测量）！这是一个最神秘的结果——在关于大气电研究的整个历史中最为戏剧性的发现。事实上，该结果是如此具有戏剧性，以致需要一门全新的学科分支——宇宙射线学。大气电本身仍保留它的不太戏剧性的地位. 电离作用显然是从地球以外的某种东西产生的。对于这一来源的研究，导致了宇宙线的发现。我们现在不讨论宇宙线这一学科，只是说明宇宙线会维持离子的供应。尽管离子经常会被清除掉，但新的离子却总会由外面来的宇宙射线粒子创造出来。
为准确起见，我们必须说，除了由分子形成的离子外，还有其他种类的离子。微小的灰尘，像十分细小的粉末微粒，会漂浮于空气中并带了电。它们有时被称为“核”。例如，在海面上当一个波浪破碎时，小小的浪花就会飞溅到空中。当一颗这样的水珠蒸发时，它将留下一个无限小的NaCl晶体浮荡于空气中。此后，这些小晶体可能会拾取电荷而成为离子，它们被称为“大离子”。
那些小离子——由宇宙线形成的——最易于移动。由于它们那么小，就会在空气中运动得相当快——在100Vm-1 （或1Vcm-1 ）的场中其速率约为1cms-1 。那些大得多而又重得多的离子，运动起来就缓慢得多。事实是，倘若空中有许多个“核”，它们会从那些小离子上拾得电荷。此时，由于“大离子”在场中运动得那么慢，总电导率就降低了。因此，空气的电导率是很容易变化的，因为它对空气里存在的灰尘份量很敏感。在陆地上这样的灰尘比在水面上多得多，因为风会刮起尘埃，或在那里人类会把各种污染抛入空气之中。这并不奇怪，日复一日，从此地到彼地，靠近地面的电导率变化得很厉害。在地面任何特定的地点所观测到的电压梯度也变化得很大，因为在不同的地方从高空流下来的电流大致相同，而只是由于靠近地面处多变的电导率引起了电压梯度的差异。
起因于离子漂移的空气电导率也随着高度上升而增加得很快——由于两个原因。首先，由宇宙线引起的电离作用随高度增加；其次，当空气密度降低时，离子的平均自由程增大，从而在碰撞之前，它们能够在电场中跑得较远——结果使电导率随高度增加得很快。
虽然空气中的电流密度只有每平方米几皮安，但由于大地表面有许许多多的平方米，以致在任何时刻流至地面的总电流很接近于1800A这一常数。当然，这个电流是“正”的——它把正电荷带到地面上。因此，我们就有400000V的电压供应，并伴有1800A的电流——功率达七亿瓦！
随着这么大的电流流下来，在地面上的负电荷会被很快放电。事实上，只需约半个钟头就使整个大地都放了电。但大气电场自从它被发现以来已经不止半个钟头。它到底是怎样得到维持的呢？什么东西在维持着电压？这电压存在于地球与什么东西之间？问题多得不胜枚举。
地球是负的，而空气中的电势是正的。如果你升得够高，那里的电导率会大得使水平方向电压变化的机会不多。对于我们所谈及的时间尺度来说，空气实际上已变成了导体。这发生在50km左右的高空上。这一高度还没有所谓“电离层”那么高，在电离层中有由日光的光电现象所产生的大量离子。尽管如此，对于我们有关大气电的讨论来说，在约50km的高空处，空气已变得足以导电，以致可以想象在这一高度上实际存在一个理想的导电面，电流从那里流下来。这种情况的图像如图9-4所示。问题是：正电荷怎样会维持在那里？它是怎样被泵回去的？既然它已降落到地面上，总得想办法把它泵回去才行。这是人们在相当长一段时间内有关大气电的最大困惑之一。
图9-4 在晴朗大气中的典型电状态
我们能够得到的每一点信息都会提供关于某事物的线索，或至少会告诉你关于它的某些情况。这里就是一个有趣现象：比方，若在海面上测量电流（它比起电势梯度来更为稳定），或者在严格条件下进行测量，并十分小心地对结果加以平均，除去不规则的变化，我们发现，仍然逐日变化。对在洋面上许多测量结果的平均，显示出一种大致如图9-5所示的那种跟随时间的变化。电流约有±15%的变化，而在伦敦时间每天下午7时变化最大。事情的奇怪方面是：不论你在哪里 测量电流——是在大西洋、太平洋或北冰洋上——总是当伦敦 的钟在下午敲7点时电流就达到它的峰值！全世界，电流总是在伦敦时间下午7时达到极大，而在伦敦时间上午4时则达到极小。换句话说，它取决于地球的绝对时间，而不是 取决于进行观测地点的当地时间。从一个方面说，这并不见得神秘，它与我们的下述观点一致，即在大气顶层有极高的横向电导率，这使得从地面至顶层间的电势差不可能按地域改变。任何电势变化都应该是全球性的，而事实确是如此。因此，我们现在所知道的就是，在“顶”面的电势随地球的绝对时间升降15%。
图9-5 在晴朗的日子里，在海洋上大气电势梯度的平均日变化（参照格林威治时间）