Hiukkasten ja valon vuorovaikutus

Kirjoitettu Torstaina 23. Lokakuuta klo 14:50. Tagit:

Osuessaan hiukkaseen näkyvä valo joko siroaa tai absorboituu (kuva 1). Sironta tarkoittaa kappaleen edelleen lähettämää valoa. Se käsittää myös optiikasta tutut heijastuneet, taipuneet ja taittuneet valonsäteet. Valon osuessa absorboivasta aineesta koostuvaan hiukkaseen osa energiasta muuttuu toiseen muotoon, esimerkiksi lämpöenergiaksi tai kemialliseksi energiaksi. Kaikki hiukkaset sirottavat valoa, mutta absorption tapahtuminen riippuu hiukkasen koostumuksesta.

Valon vuorovaikutus hiukkasen kanssa riippuu voimakkaasti hiukkasen koon suhteesta valon aallonpituuteen. Huomattavasti valon aallonpituutta pienempi hiukkanen (< 50 nm) käyttäytyy tässä suhteessa kuten kaasumolekyyli. Tällä ns. Rayleigh-alueella valoa siroaa symmetrisesti eteen- ja taaksepäin. Hiukkasen halkaisijan ollessa samaa kokoluokkaa valon aallonpituuden kanssa (Mie-sironnan alueella) eteenpäin sironta dominoi vahvasti. Geometrisen sironnan alueella (hiukkasen halkaisija > 1 μm) hiukkasen muodolla ja asennolla tulevaan valonsäteeseen nähden on suuri merkitys sironneen valon määrään.

Sironnan ja absorption aiheuttamaa valon intensiteetin vaimenemista kutsutaan ekstinktioksi. Ekstinktio kuvaa siis kuinka paljon valoa häviää reitiltä matkalla lähteestä havainnoitsijalle. Alailmakehässä tämän voi helposti havaita näkyvyyden heikkenemisenä, autereena. Optinen tiheys kuvaa aerosolin kykyä vaimentaa valoa. Kuva 2 on otettu Helsingin Aleksanterinkadulla kesällä 2006, kun Venäjän metsäpalojen savua levisi pääkaupunkiseudulle heikentäen näkyvyyttä ja ilmanlaatua.

Hiukkasten optiset ominaisuudet riippuvat siis sekä koosta että koostumuksesta. Monet valoilmiöt, kuten halot ja iltarusko ovat seurausta valon sironnasta ilmakehän kaasumolekyyleistä ja pienhiukkasista. Sironta vaikuttaa myös maapallon säteilytaseeseen ja sitä kautta ilmastoon. Valon sironta ja ekstinktio ovat myös yleisesti käytettyjä tapoja mitata aerosolihiukkasia.

Kuva 1. Hiukkasten ja valon vuorovaikutus