空气离子的发现及其作用的研究较早。在18世纪中期，Frankiin和AiLbard证明了空气电荷的存在。此后不久，几位自然哲学家把一些生物效应归结于它。在1899年 Elster、Geitel 和JJ Thompson 分别证明了空气电荷和空气中的气态离子有关。从此开始了空气离子发生器和空气离子监测设备的研究，通过大量的研究，确定了空气离子的物理学和生物学特性研究。空气离子的浓度，正、负离子比例的变化对动物和植物的生物效应有显著的影响。

        空气中的离子由正离子和负离子组成。正离子多为带正电的矿物离子（如：铁矿尘和砂岩粉尘中带正电的粒子数比带负电的粒子数多）和大气电离产生的N2+ 、O2+ 及存在寿命较短的H3O+(H2O)n(n由水蒸汽量和温度决定，地表附近大气中n=3~6)的离子组成。此外，由于大气污染还存在其他有机体与水的复合正离子。空气中的负离子包括一些带负电的粉尘粒子（比带正电的粒子数少）、大气电离产生的O2-、O2-(H2O)n和水化羥基离子(H3O2)-等等。O2-(H2O)n不稳定，会与空气中的酸性气体CO2、SO2、SO3、NO、NO2、N2O5等反应形成其他带负电离子。在环境污染较轻的的空气中，负离子浓度较高。在自然环境中，负正离子之比一般为1~1.2。根据大地测量学和地理物理学国际联盟大气联合委员会采用的理论，空气负离子是O2-(H2O)或OH-(H2O)n或CO32-(H2O)n 。只有足够的能量作用在空气分子上，使空气分子发射出一个电子，才有可能产生空气离子。目前，普遍认为自然界中空气离子的产生有四个方面的原因：自然界中放射性物质的存在、水受冲击作用出现的Lenard效应、空气与地面的摩擦和宇宙射线作用。此外，自然界雷电现象也是产生空气离子的重要途径之一。

        已经退休的丹麦技术大学的Niels Jonassen 先生描述了射线致使空气电离产生空气离子的过程。Niels Jonassen先生指出一个中性分子（O2或N2）被打出一个电子后形成正离子，它迅速吸收10~15个极性分子，主要是水分子，形成正空气离子；被击出的电子可能与O2结合（N2不具有和电子的亲和力），将吸引一定数量的水分（可能是8~10个）形成的团族，称之为负空气离子（图9）。空气离子总是成对出现，二者几乎相等。从中性原子中击出一个电子，大约需要34eV的能量。波长较短的电磁波（如x射线，r射线）具有这样的能量。

        在低层的大气中，使空气电离的主要能量来源是放射性物质衰变产生的射线（α、β 和γ射线）及其子体（如氦核He42+）。在世界上的大多数地方，离子以每秒5~10对/cm3的速度产生。氡析出率高的地方，土壤（或建筑材料）中的放射性含量较高，离子的产生率也可能比较高。随着高度的增加，宇宙射线增强，空气离子浓度也较大。

        Lenard 效应是由诺贝尔奖获得者德国物理学家Philipp von Lenard 于1894年发现的。水滴在空气中运动能量的消耗伴随着电荷的分离。实验发现，在水的喷射过程中，正负电荷的分离依赖于温度、存在的溶解杂质、冲击空气的速度和接触界面。水滴破碎后较大液滴带正电荷，在撞击过程中被空气带走的小水雾液滴带负电荷。直径为4mm的蒸馏水液滴，从5cm高处下落到以1m/s速度上升的气流中，每个水滴会产生10-10库仑的电量。自然界瀑布附近的负离子浓度较高的原因就是由于Lenard效应导致的。

        空气中离子浓度除了和其产生源的因素有关外，环境是决定因素。一般情况下，空气负离子比正离子小，运动速度比较快，易于和正离子碰撞结合；同时，地球表面带负电，与地表存在排斥。这决定空气中正负离子的比例在1.2~1之间（称为单极系数）。正常情况下，大地上无污染的清洁空气中离子浓度达1500~4000个/cm3。但是，人类的活动、弥散电场的存在、空气的污染使空气中负离子浓度降低。如，02-（H2O）n不稳定，会与空气中的酸性气体CO2、SO2、SO3、NO、NO2、N2O5等反应形成其他带负离子；计算机显示器和空调系统会使空气负离子浓度降低。此外，在城市中空气离子浓度比田野低，除了人类的活动影响外，城市中混凝土建筑与混凝土地面打破空气中电荷与地面的平衡关系，也会使空气中的负离子浓度降低。