Nukleatsioonipuhangute eksperimentaalne uurimine

Eduard Tamm, Marko Vana

Sekundaarosakeste tekkimine atmosfääriõhu lisandgaasidest – nukleatsioon toimub tõenäoliselt pidevalt, kuid enamasti on selle protsessi intensiivsus nii väike, et ajaühikus ruumalaühiku kohta tekkivate osakeste arv (nukleatsiooni kiirus) pole tänapäeva seadmetega mõõdetav. Erandiks on sobivate ilmastiku­tingimuste ja õhulisandite küllaldase kontsentratsiooni olemasolu korral esinevad nukleatsiooni­puhangud, millal nukleatsiooni kiirus on küllalt suur, nii et ajaühikus lisanduvate osakeste arv ruumalaühikus peaks olema mõõdetav. Selle osakeste kontsentratsiooni muutumise kiiruse otsene mõõtmine pole aga võimalik kahel põhjusel. Esiteks, sündivate osakeste läbimõõt on suurusjärgus 1,5 nm, olemasolevate aerosoolispektromeetrite alumine mõõtepiir on aga 3 nm. Teiseks, sündivad osakesed hakkavad kohe kasvama neile lisandgaaside kondenseerumise ja nende omavahelise liitumise (koagulatsiooni) teel. Seetõttu ongi nukleatsioonipuhangu ajal vahetult registreeritav vaid kasvavate osakeste kontsentratsiooni ajaline muutumine, mida illustreerib järgmine värviline joonis. Horisontaalteljel on aeg, vertikaalteljel osakeste läbimõõt, osakeste arvkontsentratsioon (täpsemalt öeldes – arvkontsentratsioon läbimõõdu logaritmi ühikulise laiusega vahemiku kohta ehk arvjaotuse tihedusfunktsioon läbimõõdu logaritmilises skaalas) on esitatud värvikoodi abil. Pilt kujutab elektrilise aerosoolispektromeetriga ühe ööpäeva jooksul saadud mõõtetulemusi, kasvavate osakeste läbimõõdu alumine piir sellel pildil on 3 nm. Osakeste kasvamise protsessi saab kirjeldada ka nende arvu jaotumist läbimõõdu järgi näitava arvjaotuse tihedusefunktsiooni ajalist muutumist kõrvalasuval pildil jälgides. Osakeste kondensatsioonilise ja koagulatsioonilise kasvu seaduspärasusi tundes on nende piltide alusel võimalik arvutada ka nukleatsiooni kiirus.

Eelnevatel piltidel on suur puudus – eksperimentaalselt jääb kirjeldamata osakeste kasv sünnihetkest kuni läbimõõduni 3 nm, nukleatsiooniprotsessi kohta tehtavad järeldused on suure määramatusega. Seda “auku” meie teadmistes aitavad oluliselt täita Tartus loodud aeroioonide liikuvusespektromeetrid, mis võimaldavad registreerida elektriliselt laetud osakesi alates läbimõõdust ligikaudu pool nanomeetrit. Nukleatsioonipuhangute ajal saab nüüd jälgida osakeste kasvu sünnihetkest alates. Tõsi küll, eksperimentaalselt saame siin “näha” ainult osakeste laetud fraktsiooni käitumist, kuid suure tõenäosusega võib arvata, et laetud osakesed esindavad kogu osakeste kollektiivi küllalt hästi.

Järgnevatel värvilistel piltidel on esitatud aeroioonide spektromeetriga AIS saadud mõõtetulemused sama päeva jaoks, mis eelneval pildil. Nendest piltidest selgub ka üks oluline

uus teadmine, mille meie koos Helsingi Ülikooli teadlastega aeroioonide spektromeetrite abil oleme saanud. Nimelt, kust on pärit elektrilaengud, mida need vastsündinud osakesed kannavad? Kui laengud on omandatud juhuslikel põrgetel kergete ehk klasterioonidega, siis peaks olema mõlemat märki väikesi osakesi ühepalju, sest positiivsete ja negatiivsete klasterioonide kontsentratsioonid õhus on enam-vähem võrdsed. Viimastel piltidel esitatud mõõtetulemused näitavad aga, et sel päeval on olnud alla 5 nm läbimõõduga osakeste hulgas negatiivselt laetuid oluliselt rohkem kui positiivselt laetuid. See on vaatluslik tõestus hüpoteesile, et atmosfääris võivad sekundaarosakesed tekkida lisandgaaside kondenseerumisel klasterioonidele kui kondensatsioonituumadele. Seda nähtust nimetatakse ioonindutseeritud nukleatsiooniks; negatiivsed klasterioonid on kondensatsioonituumadena eelistatud.