Det är den mest grundläggande av processer - avdunstning av vatten från ytorna på hav och sjöar, avbränning av dimma i morgonsolen och torkning av saltvattendammar som lämnar fast salt efter sig. Avdunstning finns runt omkring oss, och människor har observerat den och använt den så länge vi har funnits.
Och ändå visar det sig att vi har saknat en stor del av bilden hela tiden.
I en serie mödosamt exakta experiment har ett team av forskare vid MIT visat att värme inte är ensam om att få vatten att avdunsta. Ljus, som träffar vattenytan där luft och vatten möts, kan bryta bort vattenmolekyler och sväva upp dem i luften, vilket orsakar avdunstning i frånvaro av någon värmekälla.
Den häpnadsväckande nya upptäckten kan ha en lång rad betydande konsekvenser. Det skulle kunna hjälpa till att förklara mystiska mätningar genom åren av hur solljus påverkar molnen, och därför påverka beräkningar av klimatförändringarnas effekter på molntäcke och nederbörd. Det kan också leda till nya sätt att designa industriella processer som solcellsdriven avsaltning eller torkning av material.
Fynden och de många olika bevisen som visar fenomenets verklighet och detaljerna i hur det fungerar, beskrivs idag i Proceedings of the National Academy of Sciences , i en artikel av Carl Richard Soderberg professor i kraftteknik Gang Chen, postdocs Guangxin Lv och Yaodong Tu, och doktorand James Zhang.
Författarna säger att deras studie tyder på att effekten bör ske brett i naturen – överallt från moln till dimma till ytorna på hav, jordar och växter – och att det också kan leda till nya praktiska tillämpningar, inklusive energi- och rentvattenproduktion.
"Jag tror att det här har många tillämpningar," säger Chen. "Vi utforskar alla dessa olika riktningar. Och naturligtvis påverkar det också den grundläggande vetenskapen, som molnens effekter på klimatet, eftersom moln är den mest osäkra aspekten av klimatmodeller."
Det nya arbetet bygger på forskning som rapporterades förra året, som beskrev denna nya "fotomolekylära effekt" men endast under mycket specialiserade förhållanden:på ytan av speciellt framställda hydrogeler indränkta med vatten. I den nya studien visar forskarna att hydrogelen inte är nödvändig för processen; det förekommer på vilken vattenyta som helst som utsätts för ljus, oavsett om det är en plan yta som en vattenkropp eller en krökt yta som en droppe molnånga.
Eftersom effekten var så oväntad arbetade teamet för att bevisa dess existens med så många olika bevis som möjligt. I den här studien rapporterar de 14 olika typer av tester och mätningar som de utfört för att fastställa att vatten verkligen förångade – det vill säga att vattenmolekyler slogs loss från vattenytan och svepte upp i luften – enbart på grund av ljuset, inte genom värme, vilket länge antogs vara den enda inblandade mekanismen.
En nyckelindikator, som visade sig konsekvent i fyra olika typer av experiment under olika förhållanden, var att när vattnet började avdunsta från en testbehållare under synligt ljus, kyldes lufttemperaturen uppmätt ovanför vattenytan och planade sedan ut, vilket visar att termisk energi inte var drivkraften bakom effekten.
Andra nyckelindikatorer som dök upp var hur förångningseffekten varierade beroende på ljusets vinkel, ljusets exakta färg och dess polarisering. Ingen av dessa varierande egenskaper bör hända eftersom vattnet vid dessa våglängder knappt absorberar ljus alls – och ändå observerade forskarna dem.
Effekten är starkast när ljus träffar vattenytan i en vinkel på 45 grader. Den är också starkast med en viss typ av polarisation, kallad transversell magnetisk polarisation. Och den toppar i grönt ljus – vilket konstigt nog är den färg för vilken vattnet är mest genomskinligt och därmed interagerar minst.
Chen och hans medforskare har föreslagit en fysisk mekanism som kan förklara effektens vinkel och polarisationsberoende, vilket visar att ljusets fotoner kan ge en nettokraft på vattenmolekylerna vid vattenytan som är tillräcklig för att slå loss dem från vattenmassa. Men de kan ännu inte redogöra för färgberoendet, vilket de säger kommer att kräva ytterligare studier.
De har kallat detta för den fotomolekylära effekten, i analogi med den fotoelektriska effekten som upptäcktes av Heinrich Hertz 1887 och slutligen förklarades av Albert Einstein 1905. Den effekten var en av de första demonstrationerna av att ljus också har partikelegenskaper, vilket fick stora implikationer inom fysik och ledde till en mängd olika tillämpningar, inklusive lysdioder. Precis som den fotoelektriska effekten frigör elektroner från atomer i ett material som svar på att de träffas av en foton av ljus, visar den fotomolekylära effekten att fotoner kan frigöra hela molekyler från en vätskeyta, säger forskarna.
"Fyndet av avdunstning orsakad av ljus istället för värme ger ny störande kunskap om ljus-vatten-interaktion", säger Xiulin Ruan, professor i maskinteknik vid Purdue University, som inte var involverad i studien.
"Det kan hjälpa oss att få ny förståelse för hur solljus interagerar med moln, dimma, hav och andra naturliga vattenkroppar för att påverka väder och klimat. Det har betydande potentiella praktiska tillämpningar som högpresterande vattenavsaltning driven av solenergi. Denna forskning är bland den sällsynta gruppen av verkligt revolutionära upptäckter som inte är allmänt accepterade av samhället direkt, men som tar tid, ibland lång tid, för att bekräftas."
Fyndet kan lösa ett 80 år gammalt mysterium inom klimatvetenskap. Mätningar av hur moln absorberar solljus har ofta visat att de absorberar mer solljus än vad den konventionella fysiken kräver. Den ytterligare avdunstning som orsakas av denna effekt kan förklara den långvariga avvikelsen, som har varit föremål för tvist eftersom sådana mätningar är svåra att göra.
"De här experimenten är baserade på satellitdata och flygdata", förklarar Chen. "De flyger ett flygplan ovanpå och under molnen, och det finns också data baserade på havstemperaturen och strålningsbalansen. Och de drar alla slutsatsen att det finns mer absorption av moln än vad teorin kan beräkna. Men på grund av komplexiteten i moln och svårigheterna med att göra sådana mätningar, forskare har diskuterat om sådana avvikelser är verkliga eller inte. Och vad vi upptäckte tyder på att det finns en annan mekanism för molnabsorption, som inte togs med i beräkningen, och denna mekanism kan förklara avvikelserna. "
Chen säger att han nyligen talade om fenomenet på en American Physical Society-konferens, och en fysiker där som studerar moln och klimat sa att de aldrig hade tänkt på denna möjlighet, som kan påverka beräkningar av molnens komplexa effekter på klimatet. Teamet genomförde experiment med lysdioder som lyser på en konstgjord molnkammare, och de observerade uppvärmning av dimman, vilket inte var tänkt att ske eftersom vatten inte absorberas i det synliga spektrumet.
"En sådan uppvärmning kan lättare förklaras utifrån den fotomolekylära effekten", säger han.
Lv säger att av de många bevisen kommer "det platta området i temperaturfördelningen på luftsidan ovanför varmvatten att vara det enklaste för människor att reproducera." Den temperaturprofilen "är en signatur" som tydligt visar effekten, säger han.
Zhang tillägger, "Det är ganska svårt att förklara hur denna typ av platt temperaturprofil uppstår utan att åberopa någon annan mekanism" utöver de accepterade teorierna om termisk avdunstning. Han fortsätter, "Det knyter samman vad en hel massa människor rapporterar i sina solavsaltningsanordningar," som återigen visar avdunstningshastigheter som inte kan förklaras av den termiska ingången.
Effekten kan bli betydande. Under de optimala förhållandena för färg, vinkel och polarisation, säger Lv, "avdunstningshastigheten är fyra gånger den termiska gränsen."
Redan sedan publiceringen av den första tidningen har teamet kontaktats av företag som hoppas kunna utnyttja effekten, säger Chen, bland annat för att indunsta sirap och torka papper i ett pappersbruk. De mest troliga första applikationerna kommer inom områdena solavsaltningssystem eller andra industriella torkprocesser, säger han.
"Torkningen förbrukar 20 procent av all industriell energianvändning", påpekar han.
Eftersom effekten är så ny och oväntad säger Chen:"Det här fenomenet borde vara väldigt allmänt, och vårt experiment är egentligen bara början." Experimenten som behövs för att demonstrera och kvantifiera effekten är mycket tidskrävande. "Det finns många variabler, från att förstå vattnet självt till att sträcka sig till andra material, andra vätskor och till och med fasta ämnen," tillägger han.
"Observationerna i manuskriptet pekar på en ny fysisk mekanism som i grunden förändrar vårt tänkande om förångningskinetiken", säger Shannon Yee, docent i maskinteknik vid Georgia Tech, som inte var förknippad med detta arbete. "Vem skulle ha trott att vi fortfarande lär oss om något så ofta som att vatten avdunstar?"
"Jag tror att detta arbete är mycket betydelsefullt vetenskapligt eftersom det presenterar en ny mekanism", säger University of Alberta Distinguished Professor Janet A.W. Elliott, som inte heller var förknippad med detta arbete. "Det kan också visa sig vara praktiskt viktigt för tekniken och vår förståelse av naturen, eftersom avdunstning av vatten är allestädes närvarande och effekten verkar leverera betydligt högre avdunstning än den kända termiska mekanismen. ... Mitt övergripande intryck är att detta arbete är enastående. Det verkar vara noggrant gjort med många exakta experiment som ger stöd åt varandra."
Mer information: Guangxin Lv et al, Photomolecular effect:Visible light interaction with air-water interface, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2320844121
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av Massachusetts Institute of Technology
Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
