Det är den mest grundläggande av processer – avdunstningen av vatten från havs- och sjöytor, förbränningen av dimma i morgonsolen och torkningen av salta dammar som lämnar kvar fast salt. Avdunstning finns överallt omkring oss och människor har observerat och använt sig av den så länge vi har existerat.
Och ändå visar det sig att vi har missat en stor del av bilden hela tiden.
I en serie noggrant utförda experiment har ett forskarteam vid MIT visat att det inte bara är värme som får vatten att avdunsta. Ljus, som träffar vattenytan där luft och vatten möts, kan bryta loss vattenmolekyler och få dem att flyga upp i luften, vilket orsakar avdunstning utan att det finns någon värmekälla.
Den häpnadsväckande nya upptäckten kan få en lång rad betydelsefulla konsekvenser. Den kan bidra till att förklara mystiska mätningar genom åren av hur solljus påverkar moln, och därmed påverka beräkningarna av klimatförändringarnas effekter på molntäcke och nederbörd. Det kan också leda till nya sätt att utforma industriella processer som t.ex. soldriven avsaltning eller torkning av material.
Resultaten, och de många olika bevis som visar att fenomenet är verkligt och detaljerna i hur det fungerar, beskrivs idag i Proceedings of the National Academy of Sciences, i en artikel av Carl Richard Soderberg Professor of Power Engineering Gang Chen, postdoktorerna Guangxin Lv och Yaodong Tu samt doktoranden James Zhang.
Författarna säger att deras studie tyder på att effekten bör förekomma allmänt i naturen – överallt från moln och dimma till havsytor, jordar och växter – och att den också kan leda till nya praktiska tillämpningar, bland annat inom energi- och renvattenproduktion.
”Jag tror att det här har många tillämpningar”, säger Chen. ”Vi utforskar alla dessa olika riktningar. Och naturligtvis påverkar det också grundvetenskapen, som molnens effekter på klimatet, eftersom molnen är den mest osäkra aspekten i klimatmodellerna.”
Ett nyupptäckt fenomen
Det nya arbetet bygger på forskning som rapporterades förra året och som beskrev denna nya ”fotomolekylära effekt”, men endast under mycket speciella förhållanden: på ytan av speciellt framställda hydrogeler som dränkts med vatten. I den nya studien visar forskarna att hydrogelen inte är nödvändig för processen; den uppstår på vilken vattenyta som helst som utsätts för ljus, oavsett om det är en platt yta som en vattensamling eller en krökt yta som en droppe molnånga.
Eftersom effekten var så oväntad arbetade teamet med att bevisa dess existens med så många olika bevislinjer som möjligt. I den här studien rapporterar de 14 olika typer av tester och mätningar som de utförde för att fastställa att vatten verkligen avdunstade – det vill säga att vattenmolekyler slogs loss från vattenytan och fördes upp i luften – enbart på grund av ljuset, inte av värme, vilket länge antogs vara den enda mekanism som var inblandad.
En viktig indikator, 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, svalnade lufttemperaturen som uppmättes ovanför vattenytan och planade sedan ut, vilket visar att termisk energi inte var den drivande kraften bakom effekten.
Andra viktiga indikatorer som dök upp var bland annat hur avdunstningseffekten varierade beroende på ljusets vinkel, ljusets exakta färg och dess polarisation. Ingen av dessa variationer borde inträffa eftersom vatten knappt absorberar ljus alls vid dessa våglängder – och ändå observerade forskarna dem.
Effekten är som starkast när ljuset träffar vattenytan i en vinkel på 45 grader. Den är också starkast med en viss typ av polarisation, så kallad transversell magnetisk polarisation. Och den når sin topp i grönt ljus – vilket märkligt nog är den färg som vatten är mest transparent för och därmed interagerar minst.
Chen och hans medforskare har föreslagit en fysikalisk mekanism som kan förklara effektens vinkel- och polarisationsberoende, och som visar att ljusfotonerna kan utöva en nettokraft på vattenmolekylerna vid vattenytan som är tillräcklig för att slita loss dem från vattenmassan. Men de kan ännu inte redogöra för färgberoendet, som de säger kommer att kräva ytterligare studier.
De har döpt detta till den fotomolekylära effekten, i analogi med den fotoelektriska effekten som upptäcktes av Heinrich Hertz 1887 och slutligen förklarades av Albert Einstein 1905. Denna effekt var en av de första demonstrationerna av att ljus också har partikelegenskaper, vilket fick stora konsekvenser inom fysiken 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 ljusfoton, visar den fotomolekylära effekten att fotoner kan frigöra hela molekyler från en vätskeyta, säger forskarna.
”Upptäckten av avdunstning som orsakas av ljus i stället för värme ger ny, omvälvande kunskap om interaktionen mellan ljus och vatten”, säger Xiulin Ruan, professor i maskinteknik vid Purdue University, som inte deltog i studien.
”Det kan hjälpa oss att få en ny förståelse för hur solljuset samverkar med moln, dimma, hav och andra naturliga vattendrag för att påverka väder och klimat. Det har betydande potentiella praktiska tillämpningar, t.ex. högpresterande avsaltning av vatten som drivs av solenergi. Den här forskningen tillhör den sällsynta grupp av verkligt revolutionerande upptäckter som inte accepteras allmänt av samhället på en gång utan tar tid, ibland lång tid, att bekräfta.”
Lösning på en molngåta
Upptäckten kan lösa ett 80 år gammalt mysterium inom klimatvetenskapen. Mätningar av hur moln absorberar solljus har ofta visat att de absorberar mer solljus än vad som enligt konventionell fysik är möjligt. Den extra avdunstning som orsakas av denna effekt skulle kunna förklara den långvariga avvikelsen, som har varit föremål för tvist eftersom sådana mätningar är svåra att göra.
”Experimenten baseras på satellitdata och flygdata”, förklarar Chen. ”De flyger ett flygplan ovanpå och under molnen, och det finns också data som baseras på havstemperaturen och strålningsbalansen. Och de drar alla slutsatsen att molnen absorberar mer än vad teorin kunde beräkna. Men på grund av molnens komplexitet och svårigheterna med att göra sådana mätningar har forskarna diskuterat om sådana avvikelser är verkliga eller inte. Det vi upptäckte tyder på att det finns en annan mekanism för molnabsorption som inte har räknats med, och att denna mekanism kan förklara avvikelserna.”
Chen berättar att han nyligen talade om fenomenet vid en konferens för American Physical Society, och en fysiker som studerar moln och klimat där sa att de aldrig hade tänkt på denna möjlighet, vilket skulle kunna påverka beräkningarna av molnens komplexa effekter på klimatet. Teamet genomförde experiment med hjälp av lysdioder som lyste på en konstgjord molnkammare, och de observerade uppvärmning av dimman, vilket inte var tänkt att hända eftersom vatten inte absorberar i det synliga spektrumet.
”En sådan uppvärmning kan lättare förklaras utifrån den fotomolekylära effekten”, säger han.
Lv säger att av de många bevisen kommer ”den platta regionen i temperaturfördelningen på luftsidan ovanför varmt vatten att vara den 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 den här typen av platt temperaturprofil uppstår utan att åberopa någon annan mekanism” utöver de vedertagna teorierna om termisk avdunstning. Han fortsätter: ”Det stämmer överens med vad många människor rapporterar från sina avsaltningssystem med solenergi”, som återigen visar på avdunstningshastigheter som inte kan förklaras av den termiska tillförseln.
Effekten kan vara betydande. Under optimala förhållanden med avseende på färg, vinkel och polarisation, säger Lv, ”är avdunstningshastigheten fyra gånger högre än den termiska gränsen”.
Redan sedan den första artikeln publicerades har teamet kontaktats av företag som hoppas kunna utnyttja effekten, säger Chen, bland annat för att avdunsta sirap och torka papper i ett pappersbruk. De mest sannolika första tillämpningarna kommer att komma inom områdena avsaltningssystem med solenergi eller andra industriella torkningsprocesser, säger han.
”Torkning förbrukar 20 procent av all industriell energianvändning”, påpekar han.
Eftersom effekten är så ny och oväntad, säger Chen: ”Detta fenomen bör vara mycket generellt, och vårt experiment är egentligen bara början.” De experiment som krävs för att påvisa och kvantifiera effekten är mycket tidskrävande. ”Det finns många variabler, från att förstå själva vattnet till att utvidga det till andra material, andra vätskor och till och med fasta ämnen”, tillägger han.
”Observationerna i manuskriptet pekar på en ny fysikalisk mekanism som på ett grundläggande sätt förändrar vårt sätt att tänka kring avdunstningens kinetik”, säger Shannon Yee, docent i maskinteknik vid Georgia Tech, som inte var associerad med detta arbete. ”Vem skulle ha trott att vi fortfarande lär oss om något så vardagligt som att vatten avdunstar?”
”Jag tycker att det här arbetet är mycket betydelsefullt ur vetenskaplig synvinkel eftersom det presenterar en ny mekanism”, säger Janet A.W. Elliott, Distinguished Professor vid University of Alberta, som inte heller var associerad med arbetet. ”Det kan också visa sig vara praktiskt viktigt för tekniken och vår förståelse av naturen, eftersom avdunstning av vatten förekommer överallt och effekten verkar ge betydligt högre avdunstningshastigheter än den kända termiska mekanismen. … Mitt övergripande intryck är att detta arbete är enastående. Det verkar vara noggrant utfört med många exakta experiment som ger stöd åt varandra.”
Ytterligare 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
