Hiukkasten liike ilmassa
Ilmassa leijuvat aerosolihiukkaset liikkuvat pääasiassa ilmavirtausten mukana. Hiukkasen kyky seurata ilmavirtausta riippuu sen inertiasta eli massan hitaudesta. Mitä pienempi hiukkanen, sitä herkemmin se reagoi ilmavirtauksen muutoksiin.
Ilmassa olevaan kappaleeseen kohdistuu aina alaspäin suuntautuva painovoima. Kappaleen liikkuessa ilmavirtausta vastaan, siihen kohdistuu lisäksi ilmanvastusvoima (drag force), joka jarruttaa sen liikettä ja on sitä suurempi, mitä suurempi nopeus kappaleella on (Kuva 1). Voimien ollessa tasapainossa kappaleen putoamisnopeus on vakio (asettumisnopeus). Koska aerosolihiukkaset ovat massaansa nähden pieniä, ne saavuttavat silmänräpäyksessä asettumisnopeuden, joka riippuu vahvasti hiukkasen halkaisijasta: 100 µm kokoinen hiukkanen putoaa keskimäärin nopeudella 25 cm/s, 10 µm kokoinen nopeudella 3 mm/s ja 1 µm kokoinen enää nopeudella 0,03 mm/s. Asettumisnopeus määrää myös ylärajan aerosolihiukkasten koolle; näin golf-pallo ei siis ole hiukkanen, koska sen ei voi enää ajatella leijuvan ilmassa!
Asettumisnopeuden perusteella määritellään hiukkasen aerodynaaminen halkaisija, joka kuvaa sellaisen hiukkasen kokoa, jolla on sama asettumisnopeus kuin pyöreällä hiukkasella, jonka tiheys on 1g/cm3.
Sedimentaatio tarkoittaa hiukkasten poistumista ilmasta gravitaation vaikutuksesta (eli putoamalla). Pienhiukkasten putoamisnopeudet ovat niin pieniä, että sedimentaatio on täysin merkityksetöntä ilmavirran liikkeisiin ja diffuusioon verrattuna. Karkeille hiukkasille sedimentaatio on kuitenkin merkittävä depositiomekanismi. Kuivalaskeuma tarkoittaa sedimentaation takia pinnalle laskeutuneita hiukkasia.
Hiukkasten viipymäaika ilmassa riippuu depositiomekanismien tehokkuudesta. Siten viipymäaikaan ilmakehässä vaikuttavat mm. hiukkasten koko, korkeus maanpinnasta ja ilmavirtaukset. Karkeat hiukkaset yleensä poistuvat viimeistään muutamassa tunnissa, mutta pienhiukkasten viipymäaika alailmakehässä on päivistä viikkoihin. Tässä ajassa hiukkaset ehtivät levitä kaukokulkeumana kauas alkuperäisestä lähteestään. Stratosfäärissä eli yläilmakehässä pienhiukkasten viipymäaika voi olla vuosia ja hiukkaset leviävät koko pallonpuoliskolle.
Kuva 1. Putoavaan hiukkaseen kohdistuvat voimat. Alkutilanteessa hiukkanen on paikallaan (nopeus v=0), jolloin siihen kohdistuu vain painovoima FG. Putoamisen alkaessa hiukkasen liike kiihtyy v=v(t) ja hiukkaseen kohdistuu lisäksi ilmanvastusvoima FD, joka riippuu nopeudesta. Kun vastusvoima ja painovoima ovat samansuuruiset, on hiukkasen putoamisnopeus vakio.
