Hiukkasten koko ja muoto

Kirjoitettu Keskiviikkona 22. Lokakuuta klo 15:51. Tagit:

Hiukkaskoon mittayksikkö on mikrometri (µm) eli metrin miljoonasosa tai nanometri (nm) eli metrin miljardisosa. Aerosolihiukkasen määritellään yleensä olevan halkaisijaltaan 1 nm – 100 µm kokoinen. Hiukkasten koko vaihtelee siis useita kertaluokkia; pienimmät hiukkaset ovat vain muutamista molekyyleistä koostuvia ryppäitä, kun taas suurimmat ovat jo makroskooppisia silmin havaittavia kappaleita, kuten pölyhitusia. Kokoalueen alarajan määrää hiukkasia muodostavien molekyylien koko, ylärajan taas hiukkasten viipymäaika ilmakehässä. Kuvassa 1 on esitetty esimerkkejä tavallisista aerosolihiukkasista ja niiden halkaisijoista.

Kuva 1. Esimerkkejä tyypillisistä aerosolihiukkasista ja niiden halkaisijoista.

Jako pienhiukkasiin ja karkeisiin hiukkasiin tehdään yleensä 1 tai 2,5 mikrometrin kohdalla. Alle 100 nanometrin kokoisia hiukkasia sanotaan usein ultrapieniksi (joskus myös nanohiukkasiksi). Koko on aerosolihiukkasten käyttäytymisen kannalta keskeinen parametri, joka vaikuttaa niiden kulkeutumiseen ilmassa ja vuorovaikutukseen ympäristönsä kanssa.

Hiukkasen koko ilmoitetaan yleensä halkaisijan avulla. Halkaisija ei kuitenkaan ole aerosolihiukkasille yksikäsitteinen ominaisuus. Usein hiukkaset ovat koostuneet molekyyli- tai hiukkasryppäistä, jolloin ne eivät välttämättä ole pyöreitä, vaan esimerkiksi ketjumaisia agglomeraatteja tai kuutiomaisia kiteitä. Myös kuitumaisten hiukkasten koon ilmaiseminen aiheuttaa päänvaivaa, sillä kuidun käyttäytymiseen ilmassa vaikuttava aerodynaaminen halkaisija on lähellä sen poikkileikkauksen halkaisijaa, kun taas terveydelliset haitat riippuvat pääasiassa kuidun pituudesta.

Yleensä ei ole mahdollista mittaamalla määrittää hiukkasen todellista geometrista kokoa, vaan sen sijaan mitataan jotakin ominaisuutta, joka riippuu halkaisijasta. Siksi puhutaan mittaustavan mukaan esimerkiksi aerodynaamisesta, optisesta tai liikkuvuushalkaisijasta. Eri menetelmien antamat tulokset eivät siis ole suoraan vertailukelpoisia. Hiukkasten laaja kokoasteikko asettaa haasteita hiukkasten mittaamiselle; ei nuppineulan päätä ja Eiffel-torniakaan voi mitata samalla mittatikulla tai tarkkuudella (Kuva 2).

Kokojakauma kuvaa hiukkasten määrää koon funktiona. Monodispersia eli samankokoisista hiukkasista koostuvaa aerosolia voidaan tuottaa laboratoriossa esimerkiksi mittalaitteistojen kalibrointitarkoitukseen. Ilmakehän aerosoli sen sijaan on aina polydispersia, eli se koostuu monenkokoisista hiukkasista. Kokojakauma voidaan ilmoittaa hiukkasten massan, pinta-alan tai lukumäärän avulla. Yleensä hiukkasten massa on keskittynyt karkeille hiukkasille, kun taas lukumääräjakaumaa hallitsevat ultrapienhiukkaset. Kun laskettujen hiukkasten lukumäärä on tarpeeksi suuri, lähenee kokojakauma tavallisesti log-normaalia, tai se voi koostua useasta log-normaalisti jakautuneesta moodista. Log-normaali tarkoittaa jakaumaa, joka on logaritmisella asteikolla normaalijakauman muotoinen. Kuvassa 3 on esimerkkejä log-normaaleista kokojakaumista. Katso myös esimerkkejä ilmakehän hiukkasten kokojakaumista.

Kuva 3. Esimerkkejä lognormaalesta kokojakaumista.