光是如何不需要加热就能蒸发水的?热并不是导致水蒸发的唯一原因

麻省理工学院的研究人员发现了一种新现象:光可以使水从表面蒸发而不需要加热。这张图片是一个实验室设备,设计用来测量"光分子效应",利用激光束。来源:布莱斯·维克马克

　　这是最基本的过程--海洋和湖泊表面的水的蒸发,早晨阳光下雾的燃烧,以及留下固体盐的盐水池塘的干燥。蒸发就在我们周围,人类一直在观察它,并利用它,只要我们存在。

　　不过,事实证明,我们一直没有看到这张照片的主要部分。

　　在一系列精心设计的精确实验中,麻省理工学院的一个研究小组已经证明,热并不是导致水蒸发的唯一原因。光线撞击水与空气和水相遇的水面,可以将水分子分解,使其漂浮到空气中,在没有任何热源的情况下引起蒸发。

　　这一惊人的新发现可能具有广泛的意义。它可能有助于解释多年来太阳能如何影响云层的神秘测量,从而影响对气候变化云盖以及沉淀。它还可能导致设计工业流程的新方法,如太阳能海水淡化或材料干燥。

　　这些研究结果以及许多不同的证据表明了这一现象的现实情况及其运作方式的细节。描述今天在国家科学院院刊在一篇论文中,由卡尔理查德索德伯格能源工程教授陈星强,博士后李光新和陶耀东,以及研究生张日成。

　　作者说,他们的研究表明,这种影响应该在自然界广泛发生--从云层到雾,到海洋、土壤和植物的表面--而且它也可能导致新的实际应用,包括在能源和清洁水生产方面。

　　"我认为这有很多应用,"陈说。"我们正在探索所有这些不同的方向。当然,它也影响到基础科学,比如云对气候的影响,因为云是气候模型中最不确定的方面。"

　　一种新发现的现象

　　新的工作建立在去年的研究报告它描述了这种新的"光分子效应",但只是在非常特殊的情况下:在专门制备的水凝胶表面浸水。在新的研究中,研究人员证明水凝胶并不是这个过程所必需的;它发生在任何暴露在光线下的水面上,无论它是一个平坦的表面,就像一个身体的水,还是一个弯曲的表面,就像一个云蒸气的液滴。

　　由于效果是如此的意外,研究小组努力用尽可能多的不同的证据来证明它的存在。在这项研究中,他们报告了14种不同的测试和测量结果,以确定水确实在蒸发--也就是说,水的分子从水面上被撞散,并飘散到空气中--仅仅由于光线而不是热,长期以来,人们认为这是唯一的机制。

　　一个关键指标是,当水开始从试验容器中蒸发时,在不同的条件下,在四种不同的实验中是一致的。可见光……气温测量在水面以上的水面冷却,然后稳定,表明热能不是影响的推动力。

　　其他显示的关键指标包括蒸发效果的变化方式取决于光线的角度、光线的准确颜色及其极化度。这些不同的特性都不应该发生,因为在这些波长中,水几乎不吸收光--但是研究人员观察到了它们。

　　当光线以45度的角度照射水面时,效果最强。它也是最强的与某种类型的极化,称为横向磁极化。它在绿光中达到顶峰--奇怪的是,它是水最透明的颜色,因此相互作用最少。

　　陈和他的共同研究人员提出了一种物理机制,可以解释这种效应的角度和极化依赖性,这表明光光子能够向地球表面传递净力。水分子在水面上,足以将它们从水面上撞出。但是他们还不能解释颜色的依赖性,他们说这需要进一步的研究.

　　他们把这种光分子效应命名为光分子效应,这与海因里希·赫兹在1887年发现的光电效应相似,最后由爱因斯坦在1905年解释。这种效应是光也具有粒子特性的第一批演示之一,它在物理学中具有重要的意义,并导致了各种各样的应用,包括发光二极管。就像光电效应研究人员说,光分子效应表明,光子可以从液体表面释放出整个分子。

　　"光而不是热引起的蒸发的发现提供了关于轻水相互作用的新的破坏性知识,"普渡大学机械工程学教授阮秀林说,他没有参与这项研究。

　　"它可以帮助我们获得新的理解,了解阳光如何与云、雾、海洋和其他自然水体相互作用,以影响天气和气候。它具有很大的潜在实际应用潜力,如由太阳能驱动的高性能海水淡化。这项研究是一组罕见的真正革命性的发现,这些发现没有被社会立即广泛接受,但需要时间,有时需要很长时间才能得到证实。"

　　解决云的难题

　　这一发现可能会解决80年来气候科学中的一个神秘问题。对云层如何吸收阳光的测量经常表明,它们吸收的太阳光比传统物理学所规定的要多。这种效应造成的进一步蒸发可能是长期存在的差异的原因,这一直是一个争议的问题,因为难以进行这种测量。

　　"这些实验是基于卫星数据以及飞行数据。"他们在云层上方和下方飞行一架飞机,还有海洋温度和辐射平衡数据。他们都得出结论,云的吸收比理论计算的要多。然而,由于云层的复杂性和进行这种测量的困难,研究人员一直在争论这种差异是否真实。我们的发现表明,还有另一种吸收云的机制,这个机制可能解释了这些差异。"

　　陈说,他最近在美国物理社会会议上谈到了这一现象,一位研究云和气候的物理学家说,他们从未考虑过这一可能性,这可能会影响云对气候的复杂影响的计算。研究小组用发光二极管对一个人造云室进行了实验,他们观察到雾的加热,这是不可能发生的,因为水不吸收可见光谱。

　　"这种加热可以更容易地根据光分子效应来解释,"他说。

　　LV说,在众多的证据中,"热水上方空气温度分布的平坦区域将是人们最容易繁殖的区域。他说,"温度曲线"是一个清楚地表明这种影响的标志。

　　张补充说:"很难在不援引其他机制的情况下解释这种平坦的温度曲线是如何形成的",这超出了公认的热蒸发理论。他继续说,"这将许多人在他们的太阳能海水淡化设备中所报告的情况联系在一起,"这再次显示出蒸发率,无法用热输入来解释。

　　效果可能是实质性的。在颜色、角度和极化的最佳条件下,左说:"蒸发速率是热极限的四倍。"

　　陈说,自第一份论文发表以来,已经有希望利用这种效果的公司与该研究小组接触,包括在造纸厂蒸发糖浆和干燥纸。他说,最有可能的第一批应用将出现在太阳能脱盐系统或其他工业干燥过程中。

　　"干燥消耗了20%的工业能源,"他指出。

　　由于这种效果是如此的新鲜和意外,陈说,"这种现象应该是非常普遍的,我们的实验实际上只是开始。"证明和量化效果所需的实验非常耗时。他补充道:"从了解水本身到扩展到其他材料、其他液体甚至固体,有许多变量。"

　　"手稿中的观察表明,一种新的物理机制在基础上改变了我们对蒸发动力学的思考,"佐治亚理工大学机械工程副教授香农·易说,他与这项工作无关。"谁会想到我们还在学习水蒸发这样的日常知识呢?"

　　"我认为这项工作在科学上非常重要,因为它提出了一种新的机制,"艾伯塔大学杰出的教授珍妮特·A.W说。艾略特,他也没有参与这项工作。"这对技术和我们对自然的理解也可能是非常重要的,因为水的蒸发是无处不在的,其效果似乎比已知的热机制提供更高的蒸发率。……我的总体印象是这项工作非常出色。它似乎是通过许多精确的实验来进行的,相互支持。"

　　更多信息:光分子效应:可见光与空气-水界面的相互作用,国家科学院院刊(2024).