Как свет может испарять воду без необходимости нагревания

Прочитано: 260 раз(а)


Это наиболее фундаментальные процессы — испарение воды с поверхности океанов и озер, выгорание тумана под утренним солнцем и высыхание соленых прудов, оставляющее после себя твердую соль. Испарение происходит повсюду вокруг нас, и люди наблюдали за ним и использовали его с тех пор, как мы существуем.

И все же, оказывается, мы все время упускали большую часть картины.

В серии тщательно точных экспериментов группа исследователей из Массачусетского технологического института продемонстрировала, что не только тепло вызывает испарение воды. Свет, падающий на поверхность воды там, где встречаются воздух и вода, может отрывать молекулы воды и поднимать их в воздух, вызывая испарение в отсутствие какого-либо источника тепла.

Удивительное новое открытие может иметь широкий спектр важных последствий. Это могло бы помочь объяснить загадочные многолетние измерения того, как солнечный свет влияет на облака, и, следовательно, повлиять на расчеты воздействия изменения климата на облачный покров и осадки. Это также может привести к появлению новых способов проектирования промышленных процессов, таких как опреснение с помощью солнечной энергии или сушка материалов.

Результаты и множество различных доказательств, демонстрирующих реальность этого явления и детали того, как оно работает, описаны сегодня в Трудах Национальной академии наук, в статье профессора энергетической инженерии Карла Ричарда Содерберга. Чен, постдоки Гуансинь Лв и Яодун Ту, а также аспирант Джеймс Чжан.

Авторы говорят, что их исследование предполагает, что этот эффект должен широко проявляться в природе — повсюду, от облаков и туманов до поверхности океанов, почв и растений — и что он также может привести к новым практическим применениям, в том числе в энергетике и производстве чистой воды.

«Я думаю, что у этого метода есть множество применений», — говорит Чен. «Мы изучаем все эти разные направления. И, конечно же, это также влияет на фундаментальную науку, например, на влияние облаков на климат, потому что облака являются наиболее неопределенным аспектом климатических моделей».

Новооткрытое явление

Новая работа основана на исследованиях, опубликованных в прошлом году , в которых описан этот новый «фотомолекулярный эффект», но только в очень специализированных условиях: на поверхности специально подготовленных гидрогелей, пропитанных водой. В новом исследовании исследователи демонстрируют, что гидрогель не является необходимым для этого процесса; это происходит на любой поверхности воды, подвергающейся воздействию света, будь то плоская поверхность, например водоем, или изогнутая поверхность, например капля облачного пара.

Поскольку эффект был настолько неожиданным, команда работала над тем, чтобы доказать его существование, используя как можно больше различных доказательств. В этом исследовании они сообщают о 14 различных видах тестов и измерений, которые они провели, чтобы установить, что вода действительно испаряется – то есть молекулы воды отрываются от поверхности воды и поднимаются в воздух – только благодаря свету. не за счет тепла, которое долгое время считалось единственным задействованным механизмом.

Одним из ключевых индикаторов, который последовательно проявлялся в четырех различных видах экспериментов в разных условиях, было то, что, когда вода начала испаряться из испытательного контейнера под видимым светом , температура воздуха , измеренная над поверхностью воды, остыла, а затем выровнялась, показывая эта тепловая энергия не была движущей силой эффекта.

Другие ключевые показатели, которые были обнаружены, включали то, как эффект испарения менялся в зависимости от угла света, точного цвета света и его поляризации. Ни одна из этих переменных характеристик не должна иметь место, потому что на этих длинах волн вода вообще практически не поглощает свет — и тем не менее исследователи наблюдали их.

Эффект наиболее силен, когда свет падает на поверхность воды под углом 45 градусов. Он также наиболее силен при определенном типе поляризации, называемом поперечной магнитной поляризацией. И его пик проявляется в зеленом свете — который, как ни странно, является цветом, для которого вода наиболее прозрачна и, следовательно, меньше всего взаимодействует.

Чен и его коллеги предложили физический механизм, который может объяснить зависимость эффекта от угла и поляризации, показывая, что фотоны света могут сообщать молекулам воды на поверхности воды суммарную силу, достаточную для того, чтобы выбить их из воды. водное пространство. Но они пока не могут объяснить цветовую зависимость, которая, по их словам, потребует дальнейшего изучения.

Они назвали это фотомолекулярным эффектом по аналогии с фотоэлектрическим эффектом, который был открыт Генрихом Герцем в 1887 году и наконец объяснен Альбертом Эйнштейном в 1905 году. Этот эффект был одной из первых демонстраций того, что свет также имеет характеристики частиц, что имело важные последствия. в физике и привело к широкому спектру применений, включая светодиоды. По словам исследователей , так же, как фотоэлектрический эффект высвобождает электроны из атомов материала в ответ на попадание фотона света, фотомолекулярный эффект показывает, что фотоны могут высвобождать целые молекулы с поверхности жидкости, говорят исследователи.

«Обнаружение испарения, вызванного светом, а не теплом, дает новые революционные знания о взаимодействии света и воды», — говорит Сюлин Руан, профессор машиностроения в Университете Пердью, который не участвовал в исследовании.

«Это может помочь нам получить новое понимание того, как солнечный свет взаимодействует с облаками, туманом, океанами и другими естественными водоемами, влияя на погоду и климат. Оно имеет значительные потенциальные практические применения, такие как высокоэффективное опреснение воды, основанное на солнечной энергии. Это исследование относится к той редкой группе поистине революционных открытий, которые не сразу получают широкое признание в обществе, но требуют времени, иногда длительного времени, для подтверждения».

Решение облачной загадки

Это открытие может раскрыть 80-летнюю загадку климатологии. Измерения того, как облака поглощают солнечный свет, часто показывают, что они поглощают больше солнечного света, чем предполагает традиционная физика. Дополнительное испарение, вызванное этим эффектом, могло объяснить давнее расхождение, которое было предметом споров, поскольку такие измерения трудно провести.

«Эти эксперименты основаны на спутниковых данных и данных полетов», — объясняет Чен. «Они летают на самолете над облаками и под ними, а также есть данные, основанные на температуре океана и радиационном балансе. И все они приходят к выводу, что поглощение облаками больше, чем может рассчитать теория. Однако из-за сложности облака и трудности проведения таких измерений, исследователи спорят, реальны ли такие расхождения или нет. И то, что мы обнаружили, предполагает, что, эй, существует другой механизм поглощения облаков, который не был учтен, и этот механизм может объяснить расхождения. »

Чен говорит, что недавно он говорил об этом явлении на конференции Американского физического общества, и один физик, изучающий облака и климат, сказал, что никогда не думал об этой возможности, которая может повлиять на расчеты сложного воздействия облаков на климат. Команда провела эксперименты с использованием светодиодов, освещающих искусственную камеру Вильсона, и наблюдала нагрев тумана, чего не должно было произойти, поскольку вода не поглощает видимый спектр.

«Такой нагрев легче объяснить фотомолекулярным эффектом», — говорит он.

Лв говорит, что из многих доказательств «плоская область распределения температуры со стороны воздуха над горячей водой будет легче всего воспроизводиться людьми». По его словам, этот температурный профиль «является сигнатурой», которая ясно демонстрирует эффект.

Чжан добавляет: «Очень сложно объяснить, как возникает такой плоский температурный профиль, не прибегая к какому-то другому механизму», помимо общепринятых теорий термического испарения. Он продолжает: «Это связывает воедино то, о чем многие люди сообщают в своих солнечных устройствах опреснения», которые снова показывают скорость испарения, которую нельзя объяснить тепловым воздействием.

Эффект может быть существенным. По словам Льва, при оптимальных условиях цвета, угла и поляризации «скорость испарения в четыре раза превышает тепловой предел».

По словам Чэня, уже после публикации первой статьи к команде обратились компании, которые надеются использовать этот эффект, в том числе для выпаривания сиропа и сушки бумаги на бумажной фабрике. По его словам, наиболее вероятные первые применения появятся в системах солнечного опреснения или других промышленных процессах сушки.

«Сушка потребляет 20 процентов всей энергии, используемой в промышленности», — отмечает он.

Поскольку эффект настолько новый и неожиданный, Чен говорит: «Это явление должно быть очень общим, и наш эксперимент на самом деле — только начало». Эксперименты, необходимые для демонстрации и количественной оценки эффекта, отнимают очень много времени. «Существует множество переменных: от понимания самой воды до распространения на другие материалы, другие жидкости и даже твердые тела», — добавляет он.

«Наблюдения в рукописи указывают на новый физический механизм, который фундаментально меняет наши представления о кинетике испарения», — говорит Шеннон Йи, доцент кафедры машиностроения в Технологическом институте Джорджии, который не участвовал в этой работе. «Кто бы мог подумать, что мы все еще изучаем такую ​​повседневную вещь, как испарение воды?»

«Я думаю, что эта работа очень значима с научной точки зрения, поскольку она представляет новый механизм», — говорит заслуженный профессор Университета Альберты Джанет А.В. Эллиотт, которая также не участвовала в этой работе. «Это также может оказаться практически важным для технологии и нашего понимания природы, потому что испарение воды происходит повсеместно, и эффект, по-видимому, обеспечивает значительно более высокие скорости испарения, чем известный тепловой механизм. … Мое общее впечатление — эта работа выдающаяся. Судя по всему, это тщательно выполнено с использованием множества точных экспериментов, подтверждающих друг друга».

Как свет может испарять воду без необходимости нагревания



Новости партнеров