Hvordan lys kan fordampe vand uden behov for varme

Det er den mest fundamentale af processer - fordampning af vand fra overfladerne af oceaner og søer, afbrænding af tåge i morgensolen og udtørring af saltede damme, der efterlader fast salt. Fordampning er overalt omkring os, og mennesker har observeret det og gjort brug af det, så længe vi har eksisteret.

Og alligevel, viser det sig, at vi hele tiden har manglet en stor del af billedet.

I en række omhyggeligt præcise eksperimenter har et team af forskere ved MIT vist, at varme ikke er alene om at få vand til at fordampe. Lys, der rammer vandoverfladen, hvor luft og vand mødes, kan bryde vandmolekyler væk og flyde dem op i luften, hvilket forårsager fordampning i fravær af nogen varmekilde.

Den forbløffende nye opdagelse kan have en lang række væsentlige konsekvenser. Det kunne være med til at forklare mystiske målinger gennem årene af, hvordan sollys påvirker skyer, og derfor påvirke beregninger af klimaændringernes effekt på skydække og nedbør. Det kan også føre til nye måder at designe industrielle processer på, såsom solcelledrevet afsaltning eller tørring af materialer.

Resultaterne og de mange forskellige beviser, der viser fænomenets virkelighed og detaljerne om, hvordan det virker, er beskrevet i dag i Proceedings of the National Academy of Sciences , i et papir af Carl Richard Soderberg, professor i Power Engineering Gang Chen, postdocs Guangxin Lv og Yaodong Tu, og kandidatstuderende James Zhang.

Forfatterne siger, at deres undersøgelse tyder på, at effekten bør ske vidt omkring i naturen - overalt fra skyer til tåger til overfladerne af oceaner, jord og planter - og at det også kan føre til nye praktiske anvendelser, herunder i energi- og rentvandsproduktion.

"Jeg tror, ​​det her har mange applikationer," siger Chen. "Vi udforsker alle disse forskellige retninger. Og selvfølgelig påvirker det også den grundlæggende videnskab, ligesom skyernes effekt på klimaet, fordi skyer er det mest usikre aspekt af klimamodeller."

Et nyfundet fænomen

Det nye arbejde bygger på forskning rapporteret sidste år, som beskrev denne nye "fotomolekylære effekt", men kun under meget specialiserede forhold:på overfladen af ​​specielt fremstillede hydrogeler gennemvædet med vand. I det nye studie påviser forskerne, at hydrogelen ikke er nødvendig for processen; det forekommer på enhver vandoverflade, der udsættes for lys, uanset om det er en flad overflade som en vandmasse eller en buet overflade som en dråbe skydamp.

Fordi effekten var så uventet, arbejdede holdet på at bevise dets eksistens med så mange forskellige bevislinjer som muligt. I denne undersøgelse rapporterer de 14 forskellige slags test og målinger, de har udført for at fastslå, at vand faktisk fordampede - det vil sige, at vandmolekyler blev slået løs fra vandoverfladen og slynget op i luften - alene på grund af lyset, ikke ved varme, hvilket længe blev antaget at være den eneste involverede mekanisme.

En nøgleindikator, som viste sig konsekvent i fire forskellige slags eksperimenter under forskellige forhold, var, at da vandet begyndte at fordampe fra en testbeholder under synligt lys, kølede lufttemperaturen målt over vandoverfladen ned og udjævnede sig, hvilket viser at termisk energi ikke var drivkraften bag effekten.

Andre nøgleindikatorer, der dukkede op, omfattede måden, hvorpå fordampningseffekten varierede afhængigt af lysets vinkel, lysets nøjagtige farve og dets polarisering. Ingen af ​​disse varierende egenskaber bør ske, fordi vand ved disse bølgelængder næsten ikke absorberer lys overhovedet - og alligevel observerede forskerne dem.

Effekten er stærkest, når lys rammer vandoverfladen i en vinkel på 45 grader. Den er også stærkest med en bestemt type polarisering, kaldet tværgående magnetisk polarisering. Og det topper i grønt lys - hvilket mærkeligt nok er den farve, som vand er mest gennemsigtigt for og dermed interagerer mindst.

Chen og hans medforskere har foreslået en fysisk mekanisme, der kan forklare vinklen og polarisationsafhængigheden af ​​effekten, og viser, at lysets fotoner kan give en nettokraft på vandmolekyler ved vandoverfladen, der er tilstrækkelig til at slå dem løs fra krop af vand. Men de kan endnu ikke redegøre for farveafhængigheden, som de siger vil kræve yderligere undersøgelse.

De har kaldt dette den fotomolekylære effekt, analogt med den fotoelektriske effekt, der blev opdaget af Heinrich Hertz i 1887 og endelig forklaret af Albert Einstein i 1905. Den effekt var en af ​​de første demonstrationer af, at lys også har partikelkarakteristika, hvilket havde store implikationer i fysik og førte til en lang række applikationer, herunder LED'er. Ligesom den fotoelektriske effekt frigør elektroner fra atomer i et materiale som reaktion på at blive ramt af en foton af lys, viser den fotomolekylære effekt, at fotoner kan frigøre hele molekyler fra en væskeoverflade, siger forskerne.

"Opdagelsen af ​​fordampning forårsaget af lys i stedet for varme giver ny forstyrrende viden om lys-vand-interaktion," siger Xiulin Ruan, professor i maskinteknik ved Purdue University, som ikke var involveret i undersøgelsen.

"Det kan hjælpe os med at få ny forståelse af, hvordan sollys interagerer med skyer, tåge, oceaner og andre naturlige vandområder for at påvirke vejr og klima. Det har betydelige potentielle praktiske anvendelser såsom højtydende vandafsaltning drevet af solenergi. Denne forskning er blandt den sjældne gruppe af virkelig revolutionære opdagelser, som ikke er bredt accepteret af samfundet med det samme, men som tager tid, nogle gange lang tid, at blive bekræftet."

Løsning af en cloud-gåde

Fundet kan løse et 80 år gammelt mysterium inden for klimavidenskab. Målinger af, hvordan skyer absorberer sollys, har ofte vist, at de absorberer mere sollys, end konventionel fysik dikterer muligt. Den yderligere fordampning forårsaget af denne effekt kan forklare den langvarige uoverensstemmelse, som har været genstand for uenighed, da sådanne målinger er vanskelige at foretage.

"Disse eksperimenter er baseret på satellitdata og flyvedata," forklarer Chen. "De flyver en flyvemaskine oven på og under skyerne, og der er også data baseret på havets temperatur og strålingsbalance. Og de konkluderer alle, at der er mere absorption af skyer, end teorien kunne beregne. Men på grund af kompleksiteten af skyer og vanskelighederne ved at foretage sådanne målinger, har forskere diskuteret, om sådanne uoverensstemmelser er reelle eller ej. Og det, vi opdagede, tyder på, at hey, der er en anden mekanisme til skyabsorption, som der ikke blev taget højde for, og denne mekanisme kan forklare uoverensstemmelserne. "

Chen siger, at han for nylig talte om fænomenet på en American Physical Society-konference, og en fysiker der, som studerer skyer og klima, sagde, at de aldrig havde tænkt over denne mulighed, som kunne påvirke beregninger af de komplekse virkninger af skyer på klimaet. Holdet udførte eksperimenter med lysdioder, der skinnede på et kunstigt skykammer, og de observerede opvarmning af tågen, hvilket ikke skulle ske, da vand ikke absorberes i det synlige spektrum.

"En sådan opvarmning kan lettere forklares ud fra den fotomolekylære effekt," siger han.

Lv siger, at af de mange bevislinjer, "vil det flade område i luftsidens temperaturfordeling over varmt vand være det nemmeste for folk at reproducere." Den temperaturprofil "er en signatur", der tydeligt demonstrerer effekten, siger han.

Zhang tilføjer:"Det er ret svært at forklare, hvordan denne form for flad temperaturprofil opstår uden at påberåbe sig en anden mekanisme" ud over de accepterede teorier om termisk fordampning. Han fortsætter, "Det binder sammen, hvad en hel masse mennesker rapporterer i deres solafsaltningsenheder," som igen viser fordampningshastigheder, der ikke kan forklares med det termiske input.

Effekten kan være betydelig. Under de optimale betingelser for farve, vinkel og polarisering, siger Lv, "fordampningshastigheden er fire gange den termiske grænse."

Allerede siden udgivelsen af ​​det første papir er holdet blevet kontaktet af virksomheder, der håber at udnytte effekten, siger Chen, herunder for at fordampe sirup og tørre papir i en papirmølle. De mest sandsynlige første anvendelser vil komme inden for områderne solafsaltning eller andre industrielle tørreprocesser, siger han.

"Tørring bruger 20 procent af alt industrielt energiforbrug," påpeger han.

Fordi effekten er så ny og uventet, siger Chen:"Dette fænomen burde være meget generelt, og vores eksperiment er egentlig kun begyndelsen." De nødvendige eksperimenter for at demonstrere og kvantificere effekten er meget tidskrævende. "Der er mange variabler, fra at forstå selve vandet, til at udvide til andre materialer, andre væsker og endda faste stoffer," tilføjer han.

"Observationerne i manuskriptet peger på en ny fysisk mekanisme, der grundlæggende ændrer vores tankegang om fordampningskinetikken," siger Shannon Yee, en lektor i maskinteknik ved Georgia Tech, som ikke var forbundet med dette arbejde. "Hvem ville have troet, at vi stadig lærer om noget så almindeligt som vand, der fordamper?"

"Jeg tror, ​​at dette arbejde er meget væsentligt videnskabeligt, fordi det præsenterer en ny mekanisme," siger University of Alberta Distinguished Professor Janet A.W. Elliott, som heller ikke var forbundet med dette arbejde. "Det kan også vise sig at være praktisk vigtigt for teknologien og vores forståelse af naturen, fordi fordampning af vand er allestedsnærværende, og effekten ser ud til at levere væsentligt højere fordampningshastigheder end den kendte termiske mekanisme. ... Mit overordnede indtryk er, at dette arbejde er enestående. Det ser ud til at være omhyggeligt udført med mange præcise eksperimenter, der giver støtte til hinanden."

Flere oplysninger: Guangxin Lv et al., Fotomolekylær effekt:Interaktion med synligt lys med luft-vand-grænseflade, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2320844121

Journaloplysninger: Proceedings of the National Academy of Sciences

Leveret af Massachusetts Institute of Technology

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.