این اساسی‌ترین فرآیند است – تبخیر آب از سطوح اقیانوس‌ها و دریاچه‌ها، سوزاندن مه در آفتاب صبحگاهی، و خشک شدن دریاچه‌های نمک و باقی ماندن نمک جامد. بخار در اطراف ما وجود دارد و از زمانی که ما وجود داشته ایم مردم آن را مشاهده کرده و استفاده می کنند.
با این حال به نظر می رسد که ما بخش بزرگی از تصویر را در تمام مدت از دست داده ایم.
تیمی از محققان MIT در یک سری آزمایش‌های دقیق و پرزحمت نشان دادند که گرما تنها عامل تبخیر آب نیست. برخورد نور به سطح آب، جایی که هوا و آب به هم می رسند، می تواند مولکول های آب را بشکند و آنها را به هوا ببرد و در غیاب منبع گرمایی باعث تبخیر شود.
کشف جدید شگفت‌انگیز می‌تواند طیف گسترده‌ای از پیامدهای مهم داشته باشد. این می‌تواند به توضیح اندازه‌گیری‌های اسرارآمیز در طول سال‌ها از چگونگی تأثیر نور خورشید بر ابرها کمک کند و بنابراین بر محاسبات تأثیرات تغییرات آب و هوایی بر پوشش ابر و بارش تأثیر بگذارد. همچنین می تواند به راه های جدیدی برای طراحی فرآیندهای صنعتی مانند نمک زدایی خورشیدی یا خشک کردن مواد منجر شود.
یافته‌ها و چندین مدارک مختلف که واقعیت این پدیده و جزئیات نحوه عملکرد آن را نشان می‌دهند، امروز در مجله شرح داده شده‌اند. PNAS، که در کاغذ توسط کارل ریچارد سودربرگ، استاد مهندسی انرژی گانگ چن، همکاران فوق دکتری Guangxin Lv و Yaodong Tu، و دانشجوی فارغ التحصیل جیمز ژانگ.
نویسندگان می گویند که مطالعه آنها نشان می دهد که این اثر باید به طور گسترده در طبیعت رخ دهد – در همه جا از ابرها گرفته تا مه گرفته تا سطوح اقیانوس ها، خاک ها و گیاهان – و همچنین می تواند منجر به کاربردهای عملی جدید، از جمله در تولید انرژی و آب پاک شود. چن می گوید: «من فکر می کنم این کاربردهای زیادی دارد. ما در حال بررسی همه این جهت های مختلف هستیم. و البته بر علوم پایه نیز تأثیر می گذارد، مانند تأثیر ابرها بر آب و هوا، زیرا ابرها نامشخص ترین جنبه مدل های آب و هوایی هستند.
پدیده ای تازه کشف شده
کار جدید مبتنی بر تحقیقات است سال گذشته گزارش شده است، که این “اثر فوتومولکولی” جدید را توصیف می کند، اما فقط در شرایط بسیار تخصصی: روی سطح هیدروژل های آماده شده مخصوص خیس شده در آب. در مطالعه جدید، محققان نشان دادند که هیدروژل برای این فرآیند ضروری نیست. روی هر سطح آبی که در معرض نور قرار می گیرد رخ می دهد، خواه سطح صافی مانند یک توده آب باشد یا یک سطح منحنی مانند قطرات بخار ابر.
از آنجایی که این اثر بسیار غیرمنتظره بود، تیم تلاش کرد تا وجود آن را با بیشترین تعداد مدارک مختلف اثبات کند. در این مطالعه، آنها 14 نوع مختلف آزمایش و اندازه‌گیری را گزارش کردند که انجام دادند تا ثابت کنند که آب واقعاً تبخیر می‌شود – یعنی. مولکول‌های آب از سطح آب جدا می‌شوند و در هوا پخش می‌شوند – فقط به دلیل نور، نه از طریق گرما، که مدت‌ها تصور می‌شد تنها مکانیسم درگیر آن است.
یکی از شاخص‌های کلیدی که به طور مداوم در چهار نوع آزمایش مختلف در شرایط مختلف نشان داده شد، این بود که وقتی آب از یک ظرف آزمایشی در زیر نور مرئی شروع به تبخیر کرد، دمای هوای اندازه‌گیری شده در بالای سطح آب سرد شد و سپس کاهش یافت انرژی حرارتی نیروی محرکه این اثر نیست.
سایر شاخص های کلیدی که ظاهر شدند عبارتند از اینکه چگونه اثر تبخیر با زاویه نور، رنگ دقیق نور و قطبش آن تغییر می کند. هیچ یک از این ویژگی های مختلف نباید رخ دهد زیرا در این طول موج ها، آب به سختی نور را جذب می کند – و با این حال محققان آنها را مشاهده می کنند.
زمانی که نور با زاویه 45 درجه روی سطح آب بیفتد، این اثر قوی‌تر است. همچنین با نوع خاصی از قطبش به نام قطبش مغناطیسی عرضی قوی‌تر است. و در نور سبز به اوج خود می رسد – که، به اندازه کافی عجیب، رنگی است که آب برای آن شفاف ترین است و بنابراین کمترین تعامل را دارد.
چن و همکارانش یک مکانیسم فیزیکی پیشنهاد کرده‌اند که می‌تواند زاویه و وابستگی قطبی شدن اثر را توضیح دهد و نشان می‌دهد که فوتون‌های نور می‌توانند نیروی خالصی را به مولکول‌های آب در سطح آب وارد کنند که برای جدا کردن آنها از استخر آب کافی است. اما هنوز نمی توانند وابستگی رنگ را توضیح دهند، که به گفته آنها نیاز به مطالعه بیشتر دارد.
آنها این را اثر فوتومولکولی نامیدند، که به قیاس با اثر فوتوالکتریک کشف شده توسط هاینریش هرتز در سال 1887 و در نهایت توسط آلبرت انیشتین در سال 1905 توضیح داده شد و منجر به کاربردهای بسیار متنوعی از جمله LED شده است. محققان می گویند همانطور که اثر فوتوالکتریک الکترون ها را از اتم های یک ماده در پاسخ به برخورد فوتون نور آزاد می کند، اثر فوتومولکولی نشان می دهد که فوتون ها می توانند کل مولکول ها را از سطح مایع آزاد کنند.
Xiulin Ruan، استاد مهندسی مکانیک در دانشگاه پوردو که در این مطالعه شرکت نداشت، گفت: “کشف تبخیر ناشی از نور به جای گرما، دانش جدید مخربی را در مورد برهمکنش نور-آب ارائه می دهد.” این می تواند به ما کمک کند تا درک جدیدی از نحوه تعامل نور خورشید با ابرها، مه، اقیانوس ها و دیگر آب های طبیعی برای تأثیرگذاری بر آب و هوا و آب و هوا به دست آوریم. کاربردهای عملی بالقوه قابل توجهی مانند نمک زدایی آب با انرژی خورشیدی بسیار کارآمد دارد. این تحقیق در میان گروه نادری از اکتشافات واقعاً انقلابی است که بلافاصله توسط جامعه پذیرفته نشده است، اما تأیید آن زمان، گاهی اوقات طولانی است.
حل پازل ابر
این یافته می تواند یک معمای 80 ساله در علم آب و هوا را حل کند. اندازه گیری نحوه جذب ابرها از نور خورشید اغلب نشان می دهد که آنها نور خورشید را بیشتر از آنچه فیزیک معمولی حکم می کند امکان پذیر است. تبخیر اضافی ناشی از این اثر ممکن است اختلاف طولانی مدت را توضیح دهد، که محل بحث است زیرا انجام چنین اندازه گیری ها دشوار است.
چن توضیح می دهد: «این آزمایش ها بر اساس داده های ماهواره ای و داده های پرواز است. آنها در حال پرواز با هواپیما در بالا و زیر ابرها هستند و همچنین داده هایی بر اساس دمای اقیانوس و تعادل تشعشعات وجود دارد. و همه آنها به این نتیجه رسیدند که جذب ابرها بیشتر از آنچه نظریه می تواند توضیح دهد وجود دارد. با این حال، به دلیل پیچیدگی ابرها و دشواری انجام چنین اندازه‌گیری‌هایی، محققان در مورد واقعی بودن یا نبودن چنین اختلافاتی بحث می‌کنند. و آنچه ما پیدا کردیم نشان می دهد که، هی، مکانیزم دیگری برای جذب ابر وجود دارد که در نظر گرفته نشده است، و این مکانیسم ممکن است اختلافات را توضیح دهد.
چن می گوید که اخیراً در مورد این پدیده در یک کنفرانس انجمن فیزیک آمریکا صحبت کرده است و یک فیزیکدان آنجا که ابرها و آب و هوا را مطالعه می کند، گفت که آنها هرگز به این امکان فکر نکرده بودند، که می تواند بر محاسبات اثرات پیچیده ابرها بر آب و هوا تأثیر بگذارد. این تیم آزمایش‌هایی را با استفاده از ال‌ای‌دی‌هایی که روی یک دوربین ابری مصنوعی می‌تابید، انجام دادند و گرم شدن مه را مشاهده کردند، که نباید اتفاق می‌افتاد زیرا آب در طیف مرئی جذب نمی‌شود. او می‌گوید: «چنین گرمایی را می‌توان به راحتی بر اساس اثر فوتومولکولی توضیح داد.
Lv می‌گوید که از میان شواهد فراوان، “یک ناحیه مسطح در توزیع دما در سمت هوا در بالای آب گرم، ساده‌ترین منطقه برای انسان برای تولید مثل خواهد بود.” او می گوید که این مشخصات دما “یک امضا” است که به وضوح این اثر را نشان می دهد.
ژانگ می‌افزاید: «بسیار دشوار است که توضیح دهیم چگونه این نوع مشخصات دمای مسطح بدون استفاده از مکانیسم دیگری رخ می‌دهد» فراتر از تئوری‌های پذیرفته‌شده تبخیر حرارتی. «این به آنچه بسیاری از مردم در واحدهای نمک‌زدایی خورشیدی خود گزارش می‌دهند مرتبط است» که باز هم نرخ تبخیر را نشان می‌دهد که نمی‌توان با ورودی گرما توضیح داد.
اثر می تواند قابل توجه باشد. Lv می گوید در شرایط رنگ، زاویه و قطبش بهینه، “نرخ تبخیر چهار برابر حد حرارتی است.”
چن می‌گوید از زمان انتشار اولین مقاله، شرکت‌هایی با این تیم تماس گرفتند که امیدوار بودند از این اثر استفاده کنند، از جمله برای تبخیر شربت و خشک کردن کاغذ در کارخانه کاغذ. او می‌گوید محتمل‌ترین کاربردها در حوزه‌های سیستم‌های نمک‌زدایی خورشیدی یا سایر فرآیندهای خشک‌کردن صنعتی خواهند بود. وی خاطرنشان می کند: خشک کردن 20 درصد کل مصرف انرژی صنعتی را مصرف می کند.
از آنجایی که این اثر بسیار جدید و غیرمنتظره است، چن می‌گوید: «این پدیده باید بسیار کلی باشد و آزمایش ما در واقع آغاز کار است. او می گوید: «متغیرهای زیادی وجود دارد، از درک خود آب گرفته تا انبساط به مواد دیگر، مایعات دیگر و حتی جامدات.
شانون یی، دانشیار مهندسی مکانیک در جورجیا تک که به این کار وابسته نبود، می‌گوید: «مشاهدات موجود در نسخه خطی به مکانیسم فیزیکی جدیدی اشاره می‌کند که اساساً تفکر ما را در مورد سینتیک تبخیر تغییر می‌دهد. او می افزاید: چه کسی فکر می کرد که ما هنوز در مورد چیزی به اندازه تبخیر آب یاد می گیریم؟
پروفسور جنت الیوت، پروفسور برجسته دانشگاه آلبرتا، که با این کار ارتباطی نداشت، گفت: «فکر می‌کنم این کار از نظر علمی بسیار مهم است، زیرا مکانیسم جدیدی را ارائه می‌کند. همچنین ممکن است ثابت شود که اهمیت عملی برای فناوری و درک ما از طبیعت دارد، زیرا تبخیر آب در همه جا وجود دارد و به نظر می رسد که این اثر نرخ تبخیر بسیار بالاتری را نسبت به مکانیسم حرارتی شناخته شده ارائه می دهد. … تصور کلی من این است که این کار فوق العاده است. به نظر می رسد با آزمایش های بسیار دقیقی که از یکدیگر پشتیبانی می کنند، با دقت ساخته شده است.
این کار تا حدی توسط جایزه MIT Bose حمایت شد.
