光如何在不需要热量的情况下蒸发水

海洋和湖泊表面的水蒸发、早晨阳光下的雾气燃烧以及咸水池塘的干涸留下固体盐。蒸发就在我们周围，自从我们存在以来，人类就一直在观察和利用它。

然而，事实证明，我们一直忽略了这幅图景的主要部分。

麻省理工学院的一组研究人员通过一系列精心设计的实验证明，热量并不是导致水蒸发的唯一因素。光线照射到空气和水接触的水面时，可以分解水分子并使其漂浮在空气中，在没有任何热源的情况下导致蒸发。

这一惊人的新发现可能会产生广泛的重大影响。它可以帮助解释多年来阳光如何影响云层的神秘测量结果，从而影响气候变化对云量和降水影响的计算。它还可能带来设计工业流程的新方法，例如太阳能海水淡化或材料干燥。

卡尔·理查德·索德伯格( Carl Richard Soderberg ) 动力工程教授陈刚 (Gang Chen) 教授、博士后吕光新 (Guangxin Lv)和 屠耀东和研究生张詹姆斯。

作者表示，他们的研究表明，这种效应应该在自然界中广泛发生——从云层到雾气，再到海洋表面、土壤和植物——而且它还可能带来新的实际应用，包括能源和清洁水生产。 “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，它也会影响基础科学，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。”

一个新发现的现象

这项新研究以去年报告的研究为基础 ，该研究描述了这种新的“光分子效应”，但仅限于非常特殊的条件下：在浸泡在水中的特殊制备的水凝胶表面上。在这项新研究中，研究人员证明水凝胶对于该过程并非必需;它发生在任何暴露在光线下的水面上，无论是像水体这样的平面还是像云蒸气滴这样的曲面。

由于这种效果出乎意料，因此团队努力用尽可能多的不同证据来证明其存在。在这项研究中，他们报告了他们进行的 14 种不同的测试和测量，以确定水确实在蒸发——也就是说，水分子从水面上脱落并飘到空气中——仅由于光的作用，不是通过热量，长期以来，热量被认为是唯一涉及的机制。

一个关键指标在不同条件下的四种不同类型的实验中一致出现，那就是当水在可见光下开始从测试容器中蒸发时，在水面上测得的空气温度冷却下来然后趋于平稳，这表明热能不是这种效应背后的驱动力。

其他出现的关键指标包括蒸发效果随光的角度而变化的方式、光的确切颜色及其偏振。这些不同的特征都不应该发生，因为在这些波长下，水几乎不吸收光——但研究人员观察到了它们。

当光线以 45 度角照射水面时，效果最强。它也以某种类型的极化(称为横向磁极化)最强。它在绿光下达到峰值——奇怪的是，在绿光下水的透明度最高，因此相互作用最少。

陈和他的同事提出了一种物理机制，可以解释该效应的角度和偏振依赖性，表明光的光子可以对水面的水分子施加净力，足以将它们从水面上敲下来。水体。但他们还无法解释颜色依赖性，他们说这需要进一步研究。

他们将这种现象命名为光分子效应，类似于海因里希·赫兹 (Heinrich Hertz) 于 1887 年发现并最终由阿尔伯特·爱因斯坦 (Albert Einstein) 于 1905 年解释的光电效应。这种效应是光也具有粒子特性的最早证明之一，具有重大意义物理学领域的研究成果并导致了包括 LED 在内的广泛应用。研究人员表示，正如光电效应会在受到光子撞击时从材料中的原子中释放电子一样，光分子效应表明光子可以从液体表面释放整个分子。

“由光而不是热引起的蒸发的发现提供了光与水相互作用的新的颠覆性知识，”普渡大学机械工程教授阮秀林(未参与这项研究)说。 “它可以帮助我们对阳光如何与云、雾、海洋和其他自然水体相互作用从而影响天气和气候有新的了解。它具有巨大的潜在实际应用价值，例如太阳能驱动的高性能海水淡化。这项研究是罕见的真正革命性的发现之一，这些发现并没有立即被社会广泛接受，而是需要时间，有时甚至很长时间才能得到证实。”

解决云难题

这一发现可能会解开气候科学中一个长达 80 年之久的谜团。对云如何吸收阳光的测量经常表明，它们吸收的阳光比传统物理学规定的可能要多。这种效应引起的额外蒸发可能是造成长期差异的原因，但由于这种测量很难进行，这一直是一个有争议的话题。

“这些实验基于卫星数据和飞行数据，”陈解释道。 “他们在云层之上和之下驾驶飞机，还有基于海洋温度和辐射平衡的数据。他们都得出结论，云的吸收量比理论计算的要多。然而，由于云的复杂性和进行此类测量的困难，研究人员一直在争论这种差异是否真实。我们的发现表明，嘿，还有另一种云吸收机制，但没有考虑在内，这种机制可能可以解释这些差异。”

陈说，他最近在美国物理学会的一次会议上谈到了这一现象，一位研究云和气候的物理学家表示，他们从未考虑过这种可能性，这可能会影响云对气候复杂影响的计算。该团队使用 LED 照射人造云室进行了实验，他们观察到雾的加热，这是不应该发生的，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。

吕说，在众多证据中，“热水上方空气侧温度分布的平坦区域将是最容易被人们重现的。”他说，温度曲线“是一个标志”，可以清楚地展示效果。

张补充道：“在不援引公认的热蒸发理论之外的其他机制的情况下，很难解释这种平坦的温度分布是如何产生的。” “它将很多人在太阳能海水淡化装置中报告的内容联系在一起”，这再次显示了无法用热输入解释的蒸发率。

效果可能是巨大的。 Lv 说，在颜色、角度和偏振的最佳条件下，“蒸发速率是热极限的四倍。”

陈说，自第一篇论文发表以来，希望利用这种效应的公司已经与该团队接洽，包括在造纸厂蒸发糖浆和干燥纸张。他说，最有可能的首批应用将出现在太阳能海水淡化系统或其他工业干燥过程领域。 “干燥消耗了所有工业能源消耗的 20%，”他指出。

由于这种效果是如此新颖和出乎意料，陈说，“这种现象应该非常普遍，我们的实验实际上只是一个开始。”证明和量化效果所需的实验非常耗时。 “从了解水本身，到扩展到其他材料、其他液体甚至固体，有很多变量，”他说。

这项工作得到了麻省理工学院 Bose 奖的部分支持。