大気イオン

大気イオンについての詳細

大気イオン（たいきイオン）とは、大気中に存在する気相のイオンを指し、気象学における大気電気学の重要な分野を占めています。大気は通常絶縁体と考えられますが、大気イオンが存在するために微弱な電気伝導が可能です。大気イオンは、外部の電界に対して移動し、その速度は「v = kE」という式で表現され、ここでkは電気的移動度と呼ばれます。また、大気イオンの濃度は、単位体積あたりのイオンの個数で示されます。

大気イオンの歴史

大気イオンの研究は1752年に雷が電気現象であると確認された際に始まりました。この研究により、大気の電気的性質に関連する様々な現象が観測されるようになりました。1890年代には、Elster、Geitel、Wilsonにより、分子サイズの帯電粒子としての大気イオンの存在が確認されました。1905年には、P. Langevinが大イオンという名称を付け、これにより小イオンの概念が整理されました。

大気イオンの分類

大気イオンはその半径によって、「小イオン」（半径6×10⁻⁴μm未満）、「中イオン」（1×10⁻³μmから2.5×10⁻²μm）、「大イオン」（2.5×10⁻²μm以上）に分類され、特に5.5×10⁻²μm未満の大イオンを「ランジュバンイオン」と呼びます。小イオンはその移動度が高いため、他の分子と反応しやすく、これがクラスターイオンの形成を助けます。一般的に、「大気イオン」は「空気イオン」とも称され、正イオンと負イオンに分けられます。

大気イオンの生成と寿命

大気イオンは、様々な電離作用によって生成されますが、生成後は中性気体との反応やイオン間の再結合を通じて消失します。イオンの寿命は周囲のエアロゾルの濃度に依存し、高濃度の環境では数十秒、清浄で低濃度の環境では約1,000秒以上存在することがあります。

電離作用

大気における電離作用には、放射線によるものが含まれ、宇宙線や放射性物質から発生するガンマ線、アルファ線が、特に重要です。宇宙線の電離効果は高度とともに増加し、土壌の性質に応じたガンマ線の影響もあります。これらの放射線による電離量は、地表付近で異なるものを持つことが観測されています。

分析方法

大気イオンの濃度測定法として、ゲルジェン法が広く利用されています。これは、特定の移動度を持つイオンが電場を利用して内筒に誘導されることで、電流を測定し濃度を計算します。また、移動度スペクトルを測定する手法もあり、ドリフトチューブ法などがあります。さらに、質量分析法も非常に有効で、1990年頃から発展したこの手法により自然環境におけるイオンの組成が同定可能です。

大気中のイオンの組成

大気のイオンは、主に正イオンとしてN2⁺やO2⁺が生成され、次いでH3O⁺などが生成されます。負イオンではO2⁻が最初に生成され、その後多様な負イオンに変化します。また、コロナ放電など異なる発生機構からも異なるイオン組成が観察されることが報告されています。

大気イオンの応用

大気イオンは我々の生活にさまざまな形で影響を及ぼしています。コロナ放電を利用した空気清浄機や帯電除去装置などの技術は、特にクリーンルームなどでの利用が進んでいます。これにより、居住空間や産業環境での空気質を改善する役割を担っています。

大気イオンの研究は、理解を深め、さまざまな応用分野での課題解決へと繋がっています。

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