Hiukkaset ja sähkövaraus
Pienhiukkaset voivat kuljettaa yhtä tai useampaa sähkövarausta - tällöin ne myös vuorovaikuttavat sähkökentän kanssa.
Ilmakehän hiukkasista noin 1 – 10 % on luonnollisesti varautuneita. Kuvassa 1 on esitetty ilmakehän varautuneiden hiukkasten kokojakauma. Data on kerätty SMEAR II –mittausasemalta Hyytiälästä, Juupajoelta.
Kuva 1. Ilmakehän luonnollisesti varautuneiden hiukkasten kokojakauma mitattuna AIS (Air Ion Spectrometer) -laitteella SMEAR II -asemalla Hyytiälässä Juupajoella. Ylemmässä kuvassa on esitetty positiivisesti varautuneet hiukkaset ja alemmassa kuvassa negatiivisesti varautuneet hiukkaset. Vaaka-akselilla on esitetty aika tunteina (kuvassa on yksi vuorokausi dataa), pystyakselilla on hiukkasten koko nanometreinä. Väriskaala kuvaa hiukkasten pitoisuutta: mitä punaisempi väri, sitä korkeampi pitoisuus.
Ilmakehässä hiukkaset varautuvat kosmisten säteiden sekä maaperän radioaktiivisista aineista (esimerkiksi radon) peräisin olevan ionisoivan säteilyn vaikutuksesta. Hiukkasten varautumista, ja vastaavasti varausten purkautumista tapahtuu aerosolissa jatkuvasti hiukkasten törmäillessä ioneihin. Kuvassa 2 on esitetty kaavio ilmakehän varautumisprosesseista.
Kuva 2. Hiukkasten varautuminen ilmakehän ionisoivan säteilyn seurauksena. Suomessa ionisoiva säteily koostuu pääasiallisesti kolmesta komponentista: radonin hajoamisessa syntyvästä alfasäteilystä, muiden maaperän radioaktiivisten aineiden gammasäteilystä sekä kosmisista taustasäteistä. Säteily ionisoi ensisijaisesti kaasumolekyylejä, jotka hiukkasiin osuessaan puolestaan varaavat niitä. Varattu hiukkanen voi myös neutraloitua osuessaan vastakkaismerkkisesti varautuneeseen ioniin.
Hiukkaset voivat myös saada varauksen syntyprosessinsa tai kulkeutumisen yhteydessä. Liekkivarautumista tapahtuu, kun hiukkaset syntyvät liekeissä tai kulkevat liekin läpi. Liekkien korkea lämpötila ionisoi ilmamolekyylejä, jotka tarttuvat hiukkasiin, tai hiukkasista voi irrota elektroneja ja ioneja. Staattinen varautuminen tapahtuu mekaanisesti hiukkasten erotessa kiinteästä tai nestepinnasta, esimerkiksi pirskotettaessa nestettä.
Hiukkasten vuorovaikutusta sähkökentän kanssa voidaan käyttää hyväksi niiden mittaamisessa. Varattuja hiukkasia voidaan esimerkiksi kokoluokitella sen perusteella, miten niiden liike muuttuu sähkökentässä, tai mitata hiukkasten kuljettamaa sähkövirtaa niiden pitoisuuden havainnoimiseksi. Varaamisen ja sitä seuraavan sähkökentän avulla hiukkasia voidaan myös suodattaa esimerkiksi sisäilmasta – monet modernit suodatustekniikat perustuvat sähköiseen suodattamiseen.
