Чайник закипел — пар пошел — вода испарилась. Вроде бы все просто и логично, и человечество наблюдает этот процесс уже сотни лет. Но почему высыхает асфальт после дождя? Роса на траве? Или вода, разлитая на стол и вовремя не вытертая?
Все время альтернативный процесс был на виду, но только сейчас ученые смогли научно доказать: вода испаряется не только при кипении. Об открытии сообщает Массачусетский технологический институт (США).
«В серии тщательно выверенных экспериментов группа исследователей 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», — описывают суть открытия в институте.
Не согласуется с законами физики
В прошлом году профессор энергетики Ган Чен и его коллеги обнаружили это «световое» испарение, когда работали со специально подготовленными гидрогелями, пропитанными водой. Такой эффект был очень неожиданным. И они решили проверить: вызван он особым материалом, с которого испарялась вода, или же происходит в любых условиях?
В итоге новое исследование основано на тестах и измерениях 14 разных видов — чтобы доказательства были максимально весомыми. Все они доказывают, что молекулы воды действительно могут отделяться и устремляться вверх только благодаря свету. А тепло, которое долгое время считалось единственной причиной для испарения, в некоторых случаях может не играть вообще никакой роли.
Одним из ключевых доказательств стали эксперименты, в которых вода испарялась в закрытом контейнере, стоявшем на свету.
Несмотря на то, что другие условия были разными, температуру поддерживали стабильной — и достаточно невысокой. Она изменилась у поверхности воды только в сам момент испарения, и то не повысилась, а понизилась. Когда испарение завершилось, температура вернулась к прежнему показателю.
«Ключевые показатели, которые, как выяснилось, влияли на испарение: угол света, точный цвет света и его поляризация (процесс упорядочения колебаний вектора напряженности электрического поля световой волны при отражении или преломлении в какой-либо среде — прим. Ред.). С точки зрения имевшихся научных данных, ни один из этих параметров не должен был влиять на испарение, потому что вода вообще почти не поглощает свет с такими длинами волн. И тем не менее исследователи наблюдали их влияние», — отмечается в сообщении.
При этом испарение сильнее всего, когда свет падает на поверхность воды под углом 45°, при поперечной магнитной поляризации при зеленом цвете, для которого, как ни странно, вода наиболее прозрачна и с которым, следовательно, она меньше всего взаимодействует. Но в целом, как стало понятно, свет ведет к испарению на любой поверхности воды: плоской, как у водоема, или изогнутой, как капля облачного пара.
Почему так происходит
Авторы открытия предполагают, что угол падения света и его поляризация могут влиять на процесс, так как фотоны, то есть частицы света, возможно, воздействуют на поверхностные молекулы воды с такой силой, что «выбивают» их из общей структуры вещества — и те устремляются вверх.
Но они пока не могут объяснить, какую роль играет цвет. Это требует дальнейшего изучения. Также не до конца понятно, как вообще происходит весь процесс.
При этом в MTI подчеркивают, что этот эффект, названный фотомолекулярным, в чем-то напоминает другой — фотоэлектрический, который был открыт Генрихом Герцем в 1887 году и объяснен Альбертом Эйнштейном в 1905-м. Фотоэлектрический эффект высвобождает электроны из атомов материала в ответ на попадание фотонов, и его открытие впервые доказало, что свет также имеет характеристики частиц. Он получил широкое применение в физике, включая сферу светодиодов.
Фотомолекулярный эффект впервые показывает, что фотоны могут высвобождать целые молекулы с поверхности жидкости. И это обещает «новые революционные знания» для физиков.
Зачем нужно это открытие?
«Это может дать нам новое понимание того, как солнечный свет взаимодействует с облаками, туманом, океанами и другими естественными водоемами, влияя на погоду и климат. Он имеет значительный потенциал для практического применения: например, высокоэффективное опреснение воды с помощью солнечной энергии. Это исследование входит в редкую группу важных открытий, которые не сразу получают широкое признание сообщества и требуют времени, иногда длительного времени, для подтверждения», — утверждает Сюлин Руан, профессор машиностроения в Университете Пердью (США).
В частности, это может помочь в решении загадки облаков, над которой ученые бьются уже 80 лет. Измерения часто показывают, что они поглощают больше солнечного света, чем могут объяснить открытые сейчас физические законы. Но если рассматривать еще и фотомолекулярный эффект, то это может объяснить данное несоответствие.
Эту гипотезу авторы открытия проверили с помощью эксперимента. Они осветили светодиодами камеру Вильсона — детектор частиц, в котором для исследований используется способность ионов выполнять роль зародышей капель жидкости. И туман начал нагреваться, хотя этого не должно было произойти, поскольку вода не поглощает видимый спектр.
«Уже после публикации первой статьи к команде обратились компании, которые надеются использовать новый эффект, в том числе для выпаривания сиропа или сушки бумаги на бумажной фабрике. Наиболее вероятно, что первые применения новые данные найдут в системах солнечного опреснения или других промышленных процессах сушки, так как на нее уходит 20% всей энергии, используемой в промышленности», — добавили в институте со ссылкой на профессора Чена.