Nukleaatio
Pienhiukkasten muodostumista höyrystä tiivistymällä kutsutaan kaasu-hiukkas -muuntumaksi. Nukleaatiolla puolestaan tarkoitetaan kaasu-hiukkas -muuntuman ensimmäistä vaihetta, jossa ensimmäiset nesteen tai kiinteän faasin "siemenet" syntyvät ylikylläisestä höyrystä. Muodostaakseen uusia hiukkasia höyryn täytyy olla helposti tiivistyvää (alhainen kylläisen höyryn paine) ja pitoisuuden riittävän suuri. Homogeeniseksi nukleaatioksi kutsutaan uusien hiukkasten muodostumista suoraan höyrystä ilman olemassa olevaa pintaa. Heterogeenisessa nukleaatiossa puolestaan uusi faasi syntyy valmiille pinnalle. Esimerkki heterogeenisesta nukleaatiosta on vesihöyryn tiivistyminen silmälasien linsseille siirryttäessä kylmästä ilmasta lämpimään. Kuvassa 1 on esitetty kaaviokuva homogeenisesta ja heterogeenisesta nukleaatiosta. Nukleaation perusfysiikassa on vielä paljon osa-alueita, joita ei täysin ymmärretä.
Kuva 1. Homogeeninen ja heterogeeninen nukleaatio
Hiukkasmuodostusta havaitaan säännöllisesti ilmakehässä, sekä useissa teollisissa prosesseissa, muun muassa hitsaushuurujen syntyessä höyrystyneestä metallista. Kuvassa 2 on esitetty SMEAR II -asemalla Juupajoella mitattu hiukkaskokojakauma, jossa havaitaan alueellinen hiukkasmuodostustapahtuma.Tyypillisiä ilmakehässä nukleoituvia höyryjä ovat esimerkiksi rikki- ja jodiyhdisteet sekä orgaaniset höyryt.
Kuva 2. Hiukkasmuodostustapahtuma mitattuna SMEAR II -mittausasemalla Hyytiälässä. Kuvassa on esitetty yhden vuorokauden mittausdata hiukkasten lukumääräkokojakaumista (ylempi kuva) ja alle 25 nm:n hiukkasten lukumääräpitoisuudesta (alempi kuva). Kuva vaaka-akselilla on aika tunteina, pystyaksella hiukkasen koko nanometreinä (ylempi kuva) tai 3 - 25 nm hiukkasten pitoisuus (alempi kuva). Ylemmän kuvan väriasteikko kuvaa hiukkasten pitoisuutta: mitä punaisempi väri, sitä enemmän hiukkasia kyseisessä kokoluokassa on. Kuvasta näkyy, miten aamupäivällä uusia hiukkasia alkaa ilmestyä pienimpiin kokoluokkiin ja miten ne kasvavat päivän aikana suuremmiksi - jopa kokoihin, joissa niillä voi olla huomattavia ilmastovaikutuksia. Havaitut hiukkaset ovat syntyneet nukleaatiolla mittausten kokoalueen alapuolella (alle 3 nm:ssä), ja niiden kasvuu johtuu pääasiassa ilmakehän höyryjen tiivistymisestä hiukkasten pinnoille. Nykykäsityksen mukaan suuri osa näistä tiivistyvistä höyryistä on peräisin kasvillisuudesta.
Katso FAQ-kysymys Miksi silmälasit huurtuvat siirryttäessä kylmästä ulkoilmasta lämpimään sisäilmaan?
Katso FAQ-kysymys Miksi pakkassäällä uloshengityksestä tulee savua?
