Почему Солнце более эффективно испаряет воду?

Среда

Редакция сайта «Технологические инновации» — 9 июля 2025 г.

Иллюстрация испарения воды, находящейся в гидрогеле, в темноте (слева) и под действием солнечного света (справа). Увеличенный фрагмент демонстрирует связанное (оранжевое), промежуточное (коричневое) и свободное (синее и белое) состояния воды, образующиеся в гидрогеле. [Изображение: Saqlain Raza et al. - 10.1039/D5MH00353A]

Почему солнце так хорошо испаряет воду?

Исследователи, возможно, выяснили, почему солнечное излучение более эффективно, чем другие формы энергии, вызывает испарение воды.

И это не просто академическое любопытство: это явление имеет важные экологические последствия и широкое промышленное применение везде, где есть испарение воды, от выработки электроэнергии и пара в промышленности до очистки воды для потребления.

«Доказано, что Солнце исключительно эффективно испаряет воду — эффективнее, чем, например, нагревает воду на плите», — сказал профессор Саклен Раза из Университета штата Северная Каролина в США. «Однако до сих пор не ясно, почему именно. Наша работа подчеркивает роль электрических полей в этом процессе».

Чтобы исследовать тему более гибко, исследователи обратились к компьютерному моделированию, которое позволяет им изменять различные параметры, связанные с подводимой энергией, чтобы наблюдать, как каждая характеристика влияет на испарение.

Анализируя эффективность солнечного света при испарении воды, команда поняла важность электрической составляющей солнечного излучения.

«Свет — это электромагнитная волна, которая частично состоит из осциллирующего электрического поля», — пояснил исследователь Цзюнь Лю. «Мы обнаружили, что если убрать осциллирующее электрическое поле из уравнения, солнечному свету потребуется больше времени для испарения воды. Но при наличии поля вода испаряется очень быстро. И чем сильнее электрическое поле, тем быстрее испаряется вода. Наличие этого электрического поля отличает свет от тепла, когда речь идёт об испарении воды».

Схематическое изображение солнечного излучения как переменного электрического поля, приложенного к воде в области жидкости и поверхности раздела. Синусоидальное электрическое поле обеспечивает энергию и способствует разрушению кластеров воды в области поверхности раздела жидкость-пар, что способствует их испарению. Тот же принцип применим и к отдельным молекулам воды в области поверхности раздела. [Изображение: Saqlain Raza et al. - 10.1039/D5MH00353A]

Электрическое поле и скопления молекул

Моделирование показало, что эффективность солнечного света при испарении воды зависит от поведения самих молекул воды перед лицом этого электрического компонента.

«Во время испарения происходит одно из двух», — пояснил Раза. «Испарение либо высвобождает отдельные молекулы воды, которые отделяются от основной массы жидкой воды, либо высвобождает кластеры воды. Кластеры воды — это конечные группы молекул воды, которые связаны друг с другом, но могут отделяться от основной массы жидкой воды, даже если они остаются связанными между собой. Обычно оба эти процесса происходят в разной степени».

Но что именно делает осциллирующее электрическое поле, заставляя воду испаряться быстрее?

«Мы обнаружили, что осциллирующее электрическое поле особенно эффективно разрушает кластеры воды», — сказал Лю. «Это эффективнее, поскольку для разрушения кластера воды, состоящего из множества молекул, требуется не больше энергии, чем для разрушения одной молекулы».

Это стало ясно, когда команда сравнила солнечный свет, падающий на чистую воду и на гидрогель.

«В чистой воде мы не обнаруживаем большого количества кластеров воды вблизи поверхности, где может происходить испарение», — сказал Раза. «Но во второй модели кластеров воды много, потому что они образуются там, где вода контактирует с гидрогелем. Поскольку во второй модели кластеров воды у поверхности больше, испарение происходит быстрее. По сути, осциллирующее поле может отделить больше кластеров воды от жидкой воды».

Другие новости о:

Больше тем