Наука постоянно пересматривает собственные идеи, если новые эксперименты не подтверждают прежние выводы. Именно это сейчас происходит с необычной гипотезой о том, что свет якобы способен ускорять испарение воды напрямую — не за счёт её нагрева.
Если бы такой эффект действительно существовал, это означало бы открытие нового механизма испарения. Ранее учёные уже сообщали о нескольких свидетельствах так называемого фотомолекулярного эффекта и предполагали, что он может оказаться важным для прогнозирования климата и технологий опреснения воды.
Однако новое исследование, опубликованное в PNAS, ставит эту идею под сомнение. Учёные из Института исследований полимеров Общества Макса Планка в Германии попытались воспроизвести условия предыдущих экспериментов и напрямую измерить, что происходит с водой под действием света.
Сначала исследователи направляли на образец чистой воды синий, зелёный и красный свет. Специальный датчик с высокой точностью отслеживал уровень поверхности воды при включённом и выключенном освещении и при двух разных уровнях влажности.
Это позволило определить скорость испарения напрямую — просто по тому, насколько быстро опускалась поверхность воды. В некоторых предыдущих работах использовались более косвенные методы измерения.
Длины волн и углы падения лазерного света соответствовали условиям экспериментов, в которых ранее наблюдали предполагаемый фотомолекулярный эффект.
Но никакой разницы исследователи не обнаружили.
При интенсивности света, сопоставимой с солнечным излучением, видимый свет не вызвал измеримого ускорения испарения на плоской границе между водой и воздухом.
После этого учёные решили проверить происходящее уже на уровне отдельных молекул. Их интересовали самые верхние слои воды толщиной всего в несколько ангстрем — фактически два-три молекулярных слоя непосредственно на поверхности.
Для этого использовали метод, чувствительный к колебаниям связей между кислородом и водородом в молекулах воды. Он позволяет увидеть изменения ориентации молекул, прочности водородных связей и окружающего их электрического поля — именно те параметры, которые должны были бы измениться при существовании предполагаемого эффекта.
Однако и здесь результат оказался тем же: видимый свет не вызвал заметных изменений.
Структура водородных связей на поверхности воды оставалась практически неизменной, что совпадало с отсутствием изменений скорости испарения.
Особенно показательно, что никакого эффекта не обнаружили при длине волны 532 нанометра — это зелёный свет, который в предыдущих исследованиях якобы вызывал наиболее сильную реакцию.
Но исследователи пошли ещё дальше. Возможно, подумали они, обычного света просто недостаточно, а эффект проявляется только при чрезвычайно мощном электрическом поле.
Тогда мощность увеличили более чем на десять порядков.
Поверхность воды облучали сверхкороткими импульсами видимого и ближнего инфракрасного света длительностью всего от одной до трёх триллионных долей секунды. Это позволило создать огромную пиковую интенсивность света, не успевая при этом просто нагреть воду.
Но даже в таких экстремальных условиях водородные связи на границе воды и воздуха не продемонстрировали измеримых изменений.
Учёные считают, что расхождение с предыдущими исследованиями может объясняться устройством самих экспериментов.
Ранее в подобных работах могли использоваться гидрогели, пористые материалы, капли воды и другие более сложные системы. В них результат способен зависеть не только от самой воды, но и от поглощения и рассеяния света, переноса тепла, концентрации водяного пара возле поверхности или даже механического давления света.
Все эти факторы могут влиять и на косвенные показатели, которые использовались в прошлых исследованиях: изменение массы образца, спектр света над водой или форму капель.
Новое исследование показывает, что сама поверхность чистой воды оказалась чрезвычайно устойчивой к воздействию видимого света.
В изученном диапазоне длин волн, интенсивностей, влажности и длительности воздействия исследователи не нашли признаков того, что видимый свет способен напрямую изменять скорость испарения или поведение молекул воды так, как предсказывает фотомолекулярный эффект.
По мнению авторов, если в сложных материалах свет действительно значительно ускоряет испарение воды, причина, вероятнее всего, связана с нагревом или особенностями структуры этих материалов, а не с каким-то новым фундаментальным механизмом взаимодействия света с обычной жидкой водой.
