Физики внезапно выяснили, что свет способен испарять воду без передачи тепла

В то время как космические телескопы заглядывают в эпоху зарождения Вселенной, а в лабораториях воспроизводят явления квантового мира, оказалось, что мы пропустили кое-что важное у себя под носом. Неожиданный эксперимент показал, что свет оказался способен испарять воду без передачи тепла и делает это с большей эффективностью, чем нагрев. Это может привести к появлению лучших опреснителей воды и даже способно изменить климатические модели Земли.

Источник изображения: Pixabay

Как всем известно ещё со школы, испарение воды происходит, когда молекулы у поверхности жидкости поглощают достаточно энергии, чтобы улетучиться в воздух в газообразной форме — в виде водяного пара. Учёные из Массачусетского технологического института (MIT) выяснили, что тепло вовсе необязательно использовать для испарения. Испарять воду можно с помощью света, причём даже более эффективно, чем с помощью тепла.

К исследованию этого вопроса подтолкнули многочисленные наблюдения последних лет, когда эксперименты с гидрогелями показали несоответствие скорости испарения и используемого для этого тепла. На практике испарение происходило заметно интенсивнее, чем допускал нагрев. С физикой процесса что-то явно шло не так, и учёные заинтересовались скрытыми механизмами этого, казалось бы, досконально изученного за сотни лет явления.

Базовые эксперименты показали, что причиной интенсивного испарения воды может быть свет, а не переносимое им тепло (энергия). При этом вода прозрачна для видимого света, что противоречит наблюдаемому результату. Для проверки гипотезы учёные поместили образец гидрогеля в контейнер на весах и последовательно облучали его светом с разными длинами волн, в процессе чего измеряли количество массы, которую он терял со временем в результате испарения. Образец был тщательно изолирован от оборудования и ламп для предотвращения передачи тепловой энергии воде.

Измерения показали, что вода действительно испарялась со скоростью, значительно превышающей допустимую по тепловому пределу. Степень испарения также зависела от длины волны света, достигая максимума при длине волны, соответствующей зелёному свету. Эта зависимость от цвета дополнительно подтверждает, что скорость испарения не связана с передачей тепла.

Этот же эксперимент был повторен в темноте с подогревом образца гидрогеля электричеством. Сила тока и мощность в итоге была такой же, как при облучении образца светом. В этот раз известная нам физика не подвела — объём испарённой воды остался в пределах известной нам со школы термодинамики и он был заметно ниже того, который испарился при облучении одним лишь светом.

Авторы исследования назвали новое явление «фотомолекулярным эффектом» и предположили, что фотоны света могут как бы отщеплять кластеры молекул воды у поверхности жидкости. Вероятно, нечто подобное происходит в природе, хотя физики никогда не подозревали о таком процессе. Тем самым наши климатические модели могут неправильно оценивать воздействие солнечных лучей на океаны и облачный покров. Интенсивность испарения может оказаться выше, и это будет иметь свои последствия.

Доказавшие эффект учёные получили грант на дальнейшие исследования явления. У него есть также практические перспективы. Например, таким образом можно создать более энергоэффективные опреснители, чем уже имеющиеся на основе теплового испарения.