大气中除了氮气、氧气、二氧化碳、水汽和各种气溶胶粒子外，还有一些离子化空气。离子化空气包括空气的负离子和正离子。而空气分子是由原子组成的，原子核和电子构成原子，原子核带正电荷，电子带负电荷。当空气分子受到电离等外界条件，获得足够的能量时，脱离原子核束缚的外围电子变成自由电子，失去电子的中性分子或原子核变成空气正离子，而空气中的中性分子或原子捕获逃逸出来的自由电子时，则变成空气负离子。
NAI包括带负电荷的单个气体分子和轻离子团，大气中NAI和空气正离子是同时存在的。按照大气离子体积的大小，可将其分为大离子、中离子和小离子。小离子是分子尺度大小的离子；大离子是大气溶胶粒子吸附上小离子，成为带上正电荷或负电荷的离子；而当空气离子周围聚集着几个中性分子时，就成了中离子，其大小介于小离子和大离子之间。而目前大多研究分析讨论的NAI是指空气负电荷小离子。
