Aerosol Physics

Kergete ioonide liikuvusmudel

Kosmilise ja radioaktiivsete ainete lagunemisel tekkiva kiirguse tõttu ioniseeritakse pidevalt õhu molekule. Tekkinud ioonid reageerivad neutraalsete molekulidega, mis muudab ioonide keemilist koostist ajas. Ioonide sadenemine aerosooliosakestele ning positiivse ja negatiivse ioonide omavaheline rekombinatsioon vähendab molekulaarsete ioonide hulka atmosfääris. Mainitud protsesside tulemusena kujuneb välja ajas suhteliselt aeglaselt muutuv ligilähedaselt statsionaarne ioonide jaotus nende elektriväljas omandatava liikumiskiiruse ehk liikuvuse järgi. Õhuioonide liikuvusspektrite mõõtmisel on Tartu Ülikoolil pikaajaline traditsioon, mis ulatub möödunud sajandi algusesse. Alalised mõõtmised said aga alguse Tahkuse Õhuseirejaama asutamisega 1984. a. Kõrvuti ioonide liikuvusspektrite mõõtmisega toimuvad alates 2018. a. kevadest Järvselja mõõtejaamas ka õhuioonide mass-spektromeetrilised mõõtmised, s.o. erineva massiga molekulaarsete ja klasterioonide hulga mõõtmised. Ioonide massi mõõtmise täpsus võimaldab määrata nende atomaarne koostise ja ioonide masside korral kuni umbes 300 Da isegi molekulaarse koostise. Võrreldes mass-spektromeetritega on ioonide liikuvus-spektromeetrid aga oluliselt odavamad ja nendega kogutud andmestik ulatub ajaliselt kaugemale minevikku ning on oluliselt suuremahulisem. Liikuvusandmestiku tõlgendamisele aitab märkimisväärselt kaasa see, kui me oskame siduda ioonide liikuvuse nende atomaarse koostisega ja soovitav on, et vastav arvutusalgoritm oleks vähe aeganõudev. Toetudes kirjanduse andmetele on koostatud matemaatiline mudel, mis võimaldab arvutada kergete ioonide (liikuvusega ⪆ 0.5 cm2V-1s-1) jaoks nende atomaarse koostise põhjal iooni liikuvuse etteantud temperatuuril ja rõhul. Mudel sisaldab parameetreid, mis iseloomustavad erinevate aatomite suurust. Üks parameeter võtab aga kaudselt arvesse, et iooni suuruse kasvades muutuvad gaasimolekulide põrked iooniga elastsetest mitteelastseteks. Parameetrite väärtused sobitati natuke vähem kui 3000 eksperimentaalse liikuvusväärtusega. 87% juhtudest on mudeli ja eksperimentaalsete väärtuste lahkumineku absoluutväärtus väiksem kui 5%, 11% juhtudest vahemikus 5 – 10% ja 2% juhtudest suurem kui 10%.

Ioonide evolutsiooni modelleerimine

Õhk koosneb mitmesugustest gaasidest ja muudest koostisosadest. Osakeste tekke ja arengu uurimisel vaadeldakse muu hulgas, kuidas õhus olevatest üht liiki osakestest (osakesi nimetatakse ka aerosooliks) moodustuvad õhu teistsugused koostisosad. Muundumiste üheks põhiprotsessiks on kasv, sellisel juhul tundub mõistlik liigitada osakesed suuruse järgi. Üks võimalus õhu elektriliselt laetud osakeste (õhu ioonid) liigitamiseks on jagada nad järgmistesse suurusvahemikesse: klasterioonid (nimetatakse ka väikesteks ioonideks), keskmised ioonid, suurte ioonide kergem ja raskem fraktsioon (Hõrrak et al., 2000). Klasterioonideks nimetatakse sellisel juhul õhu ioone iseloomuliku mõõtmega kuni umbes nanomeeter. Teine võimalus on liigitada osakesed (sh ioonid) vastavate osakeste muundumist määravate protsesside iseloomu alusel. Sellisel juhul on klasterioonid sellised õhu ioonid, milliste arengut saab suuremas osas kirjeldada konkreetsest ioonist sõltuvate ioonmolekulaar-tüüpi keemiliste reaktsioonidega. Õhu muude koostisosade arengu määravad põhiliselt teistsugused protsessid.

Õhu koostisosadele mõjuvad ioniseerivad tegurid (nt õhus olev radioaktiivsus, elektrilahendused õhus) tekitavad nn algiione, tavalises ümbritsevas õhus on nendeks ioonideks eelkõige O2– ja N2+. Võib öelda et algioonidest algab klasterioonide piirkond, kuna järgnevad muundumised on põhiosas määratud ioonidega toimuvate ioon-molekulaarreaktsioonidega. Näited vastavate reaktsioonide süsteemidest on toodud joonistel „Õhu positiivsete/negatiivsete klasterioonide muundumise üks võimalik skeem“. Tavaliselt mõne sekundi vältava muundumisahela tagajärjel jõuavad ioonid üldjuhul uude klassi, näiteks keskmiste ioonide klassi või siis saavad neist väikesed aerosooliosakesed.

Klasterioonide arengu mudelid käsitlevadki põhiliselt seda mõne sekundi pikkust ajavahemikku. Meie laboris tehtud uuringute tulemuste näited on (Parts and Luts; 2004 ja 2007; Luts et al., 2006; Tamme et al., 2018), kirjutiste avalehekülgi vt joonistelt „Klasterioonide arengu mudeli rakendusi (1˗˗4)“. Ioonide (ja ioonidest moodustunud osakeste) edasist arengut kirjeldatakse teistsuguste meetoditega ja seda valdkonda nimetatakse tavaliselt aerosooliosakeste kasvu ja arengu uurimiseks.