Фундаментальное открытие: Свет может испарять воду без тепла.

Удивительный «фотомолекулярный эффект», обнаруженный исследователями Массачусетского технологического института, может повлиять на расчеты изменения климата и привести к улучшению процессов опреснения и сушки.

В ходе серии кропотливых и точных экспериментов группа исследователей из Массачусетского технологического института продемонстрировала, что не только тепло заставляет воду испаряться. Свет, падающий на поверхность воды в месте соприкосновения воздуха и воды, может разрывать молекулы воды и поднимать их в воздух, вызывая испарение в отсутствие какого-либо источника тепла.

Новое удивительное открытие может иметь целый ряд важных последствий. Оно может помочь объяснить загадочные многолетние измерения того, как солнечный свет влияет на облака, и, следовательно, повлиять на расчеты последствий изменения климата для облачного покрова и осадков. Оно также может привести к появлению новых способов разработки промышленных процессов, таких как опреснение или сушка материалов с помощью солнечной энергии.

Результаты исследования и множество различных доказательств, подтверждающих реальность этого явления и детали его работы, опубликованы в журнале PNAS в прошлом месяце. Новая работа основана на результатах исследования, опубликованного в прошлом году, в котором описывался этот новый “фотомолекулярный эффект”, но только в очень специализированных условиях: на поверхности специально подготовленных гидрогелей, пропитанных водой. В новом исследовании ученые демонстрируют, что гидрогель не обязателен для этого процесса; он происходит на любой поверхности воды, подверженной воздействию света, будь то плоская поверхность, как у водоема, или изогнутая поверхность, как у капли облачного пара.

Когда падающий свет попадает на поверхность воды, он поглощается молекулами воды. Эта энергия заставляет молекулы воды вибрировать, что приводит к разрыву водородных связей между ними. В результате молекулы воды освобождаются и переходят в газообразное состояние, то есть вода испаряется.  Подобно тому, 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.

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

По словам авторов, их исследование позволяет предположить, что этот эффект широко распространен в природе – от облаков и туманов до поверхности океанов, почв и растений – и что он может привести к новым практическим применениям, в том числе в энергетике и производстве чистой воды.

“Я думаю, что это имеет множество применений”, – говорит один из авторов работы Джеймс Чен. “Мы исследуем все эти различные направления. И, конечно, это также влияет на фундаментальную науку, например, на влияние облаков на климат, потому что облака – это самый неопределенный аспект климатических моделей”.

Открытие может решить 80-летнюю загадку климатологии. Измерения того, как облака поглощают солнечный свет, часто показывали, что они поглощают больше солнечного света, чем это возможно с точки зрения обычной физики. Дополнительное испарение, вызванное этим эффектом, может объяснить давнее расхождение, которое было предметом споров, поскольку такие измерения трудно провести.

“Эти эксперименты основаны на спутниковых данных и данных полетов”, – объясняет Чен. “Они пролетают на самолете над и под облаками, также есть данные, основанные на температуре океана и радиационном балансе. И все они приходят к выводу, что облака поглощают больше, чем можно было бы рассчитать в теории. Однако из-за сложности облаков и трудностей с проведением подобных измерений исследователи долгое время спорили, реальны ли такие расхождения или нет. А то, что мы обнаружили, говорит о том, что существует еще один механизм поглощения облаками, который не был учтен, и этот механизм может объяснить расхождения”.

Исследование Guangxin Lv, Yaodong Tu, James H. Zhang, Gang Chen. Photomolecular effect: Visible light interaction with air–water interface. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2024. https://doi.org/10.1073/pnas.2320844121 | Источник: MIT.