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마. 자연에서 이온이 발생되는 매커니즘
1. 태양의 자외선에 의한 이온생성. 자외선은 에너지가 매우 큰 에너지이므로, 기체를 통과할 때 전자의 확산이 일어나 양이온과 음이온을 생성시킨다. 따라서 지상 수 킬로 미터에서 십 몇 킬로 미터 상공에는 강한 자외선에 의하여 열 배 가까운 이온이 생성된다. 다 만 이 이온은 다시 결합하여 소멸되거나 하여 지표에까지는 도달하지는 않는 다. 상공의 관측데이터에 의하면 양이온은 수소이온이고, 음이온은 질소이온 이라고 한다.
2. 태양의 원적외선
[중요한 대기조성분의 적외선 흡수대] [이온의 형성과정]
태양광 방사중, 파장의 긴 적외선은 대기의 조성분인 공기의 흡수대에서 흡 수되어, 특정파장인 0.26~2.5u, 3.0~5.0u, 7~14u만이 지상에 도달된다. 이 두 파장 영역을 일반적으로 대기의 창이라 부른다. 6u전후의 원적외선은 대기 중의 수증기에 의해 흡수되어 거의 지상에 도달되지 않는다. 태양광중 파장이 6u전후 파장대의 원적외선은 공기중의 수증기인 기체 상태의 물분자 집단에 충돌하여 공명 흡수작용을 하여 물을 분해시킴으로써 물의 작은 분자집단으로 전리되어 전자를 잃게 되어 전자를 잃은 물분자집단은 양이온으로 튀어나온 전 자는 작은 물분자 집단에 부착되어 음이온으로 이온화된다. 그리고 물의 작은 분자 집단에 붙어있는 가벼운 음이온인 OH-(H2O)n은 공기 중에 떠돌고 무거 운 양이온 H30+(H2O)n은 지면에 떨어지기 쉽다. 이는 가벼운 수소원자의 핵 외전자가 1개이고 주로 원자핵이 무게를 차지하며 전자는 가장 가벼운 수소원 자의 1/1840정도로 가볍기 때문이다.
3. 지중 방사성 물질에 의한 이온생성
지구의 지각에는 라듐(Ra),라돈(Rn), 토륨(Th)이라는 방사성 물질이 넓은 범위에 걸쳐 존재하며 그들이 붕괴할 때 기체, 소위 방사성가스 원소가 지각을 통하여 대기 중에 방산한다. 대기중에 방출된 방사성 가스는 다시금 붕괴하여 라듐A,B,C등의 방사성 물질로 변화하여 가는 한편, α선, β선, τ선 을 방출 하여 공기를 이온화한다. 방사성 물질이 방사하는 것은 다음의 3종류이다.
i). α선 ; 2개의 전자를 잃어버린 헬륨원자이고, 한 개의 α입자가 라듐에서 방사될 때 공기중에 4~8미터를 날아가면서 약 20만 쌍의 이온을 발생한다. ii). β선 ; 원자가 붕괴할 때 나오는 전자선이므로 대기를 음이온화시킨다. 지각 변동이 일어날 경우 많이 보인다. iii). τ선 ; X선보다 파장이 짧아 에너지가 대단히 강한 방사선으로 양이온과 음이온을 쌍으로 생성한다. 대기가 고기압에서 저기압으로 바뀔 때 땅속에서 대량의 라듐의 발산에 의하여 대기를 다량 이온화시 킨다.
4. 우주선에 의한 생성
은하계로부터 발산되는 우주선은 τ선보다 매우 투과성이 강하다. 대기의 원자와 충돌하여 높은 에너지의 입자선, 전자파를 발생시켜서 이것이 공기 이 온을 만든다.
5. 충돌에 의해 생성
대기와 지표사이의 전위차 즉, 지표상의 전장이 10kV/cm이상으로 되면 대 기중에 이미 존재하고 있는 이온이 서로 충돌하여 별종의 이온이 생성된다. 전기 분해의 양극에서 반대 전하의 분자를 끌어당기는 것과 유사한 현상이 대 기 중에서 발생한다고 생각하면 될 그러므로 뇌우일 때 이온량이 급격하게 증 대하는 것은 강력한 전장이 있기 때문이다. 전장이 강할 때, 가늘고 뾰족한 도 체를 전장 내에 놓으면 발광 현상을 볼 수 있다. 뇌우. 풍설에 따라 전장의 강 도가 커지면 주위보다 높은 곳인 사원의 탑 꼭대기, 피뢰침 등에 홍색이나 청 색의 발광을 볼 수 있다. 이러한 경우 선단의 전장은 매우 강하고, 공기중을 이동하는 이온의 속도도 가속되어 이것이 공기 분자와 충돌하여 이온화(전리) 시킨다.
6. 우레방전에 의해 생성
우레등 대기중의 방전에 의한 공기의 전리로 이온이 발생한다. 우레는 온도 차가 큰 대기중을 구름이 움직이면 구름속의 전기가 차차 분리되어 상부는 양, 하부는 음의 전기를 지녀서 충전된 상태로 된다. 이것은 뇌운이라고 하며, 구 름의 상부와 지상사이에는 100만V의 고전압이 발생되어 1/10초 정도의 사이에 불꽃을 흩뜨리면서 10만A정도의 전류가 흐른다. 이와 같이 지구로부터 구름으 로 향하여 대량으로 전자가 흐르는 방전현상이 뇌이다. 상공을 흐르고 있는 대 기중으로부터 거대한 전기에너지가 생기게 되지만 공기중을 번개가 통하면 전 기적인 충격으로 원자로부터 전자가 튀어나와 입자의 수가 증가되므로 공기의 압력이 급격히 증가된다. 이것이 뇌명이다. 뇌는 자연계가 낳은 고전압의 정전 기이다. 여름철 뇌우가 오기 전 수분전은 공기는 무덥고 불쾌감을 느끼게 한 다. 이는 양이온이 충만된 공기가 떠돌기 때문이다. 지표 부근에 양이온만으로 충만된 경우 음이온의 덩어리인 뇌가 떨어지게 된다. 낙뢰 중 창가의 음이온이 3,000여개를 넘는다고 한다.
7. 레너드 효과에 의한 음이온의 생성
기체에 떠 있는 물방울이 표면적을 바꿀 때, 즉 작은 물방울로 분열하려면 분열을 위한 에너지에 의하여 전자를 잃고 양이온으로 대전되며, 주위의 공기 는 전자를 흡착하여 음이온으로 대전된다. 이 현상은 폭포나 물살이 급한 강, 빛줄기가 강할 때 일어난다. 물속에서 기 포가 물 표면에서 터질때 음이온화시키는 원리도 같다고 알려져 있다.
8. 가시광선(광자)에 의한 음이온 생성
금속은 어떤 파장의 빛을 받으면 표면에서 전자가 튀어 나온다. 이 현상을 광전효과라고 한다. 이 때 주위를 음이온으로 대전시키지만 지표에는 광전 효 과가 거의 없다.
9. 광물자원에 위한 이온생성
일반적으로 숯은 가만히 놓아둔 상태에서는 전혀 음이온이 검출되지 않는다. 그런데 바람이 불면 음이온이 검출된다는 사실을 알게 되었다. 이 사실에 착안 하여 숯을 흔들면서 음이온 검출을 하였더니 흔드는 강도에 따라 음이온 검출 수치가 커짐을 알게 되었다. 이 사실에 자극을 받아 암석도 흔들면 숯과 똑같 이 가만히 놓아둔 상태에서는 전혀 검출되지 않던 음이온이 검출됨을 확인할 수 있었다.
[ 천연석의 원적외선 복사율과 음이온 방출 능력 ]
10. 기후와 이온 생성
하늘이 갠날(고기압)에서는 우선 태양광이 지표를 태우고 그 열로 지표부근 의 공기의 온도가 높아져서 가볍게 되므로, 상공으로 이동한다(상승기류). 그 때문에 공기중의 오염물질(양이온), 거대한 중이온 등의 미립자도 상공으로 올 라가고 바람등에 의해 운반되어 분산된다. 갠하늘에 공기가 맑은 것은 이 때 문이다. 또한 기압이 높으면 구름이 되기 힘든 것은 대기에 하강류가 생기기 때문이며, 고기압은 실제로 지표 부근의 대기를 압축하여 밀도를 높이는 작용 이 있다. 따라서 기체농도가 높아지고, 공기이온 농도가 높아진다. 맑은 날 기 분이 좋아지는 것은 이 때문이다.
11. 대기의 이온밸런스
이와 같이 지표의 대기는 여러 자연 현상에 의하여 이온화되지만, 대부분 양이온과 음이온을 쌍(1:1)으로 만든다. 그러나 대기중에는 양이온만을 생성 시키는 경우는 지중의 방사선의 붕괴된 기체인 에마나티온같이 저기압으로 지표에 도달한 경우 말고는 거의 없음에 반하여, 레너드 효과나 β선에 의하 여 음이온만이 생성되는 경우가 있어, 자연은 음이온이 양이온보다 많아야 한 다. 그 비율은 (음:양=1.2:1)로 밸런스가 유지되도록 되어 있다. 그러나 대기 오염과 같은 현대 문명에 의하여 음이온이 소실되어 양이온만 이 많이 생성되고 있어, 그 비율(음:양=1:1.2)로 반전되는 현상이 발생되고 있어 심각한 것이다.
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