حل لغز عمره 80 عامًا في علم المناخ.. الضوء يسبب تبخر الماء دون الحاجة للحرارة
فتح الباب أمام تطبيقات عملية محتملة كبيرة مثل تحلية المياه عالية الأداء باستخدام الطاقة الشمسية
تبخر الماء هو عملية أساسية تحدث في كل مكان حولنا، من أسطح المحيطات والبحيرات إلى احتراق الضباب في ضوء الصباح من الشمس.
لعدة قرون، لاحظ البشر هذه الظاهرة واستخدموها، مفترضين أن الحرارة هي السبب الوحيد للتبخر، ومع ذلك، كشف اكتشاف رائد حقًا قام به فريق من العلماء أن هناك ما هو أكثر من التبخر مما تراه العين.
كيف يكسر الضوء جزيئات الماء
في سلسلة من التجارب الدقيقة، أثبت فريق بقيادة جانج تشن، أستاذ هندسة الطاقة في معهد كارل ريتشارد سودربيرج في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، إلى جانب باحثي ما بعد الدكتوراه جوانجكسين إل وياودونج تو، وطالب الدراسات العليا جيمس تشانج، أن الضوء يمكن أن يتسبب أيضًا في تبخر الماء ، حتى في غياب الحرارة.
وتشير النتائج التي توصلوا إليها، والتي نشرت في مجلة PNAS ، إلى أن هذا التأثير، الذي أطلقوا عليه اسم التأثير الجزيئي الضوئي، يمكن أن يكون له آثار بعيدة المدى في مجالات مختلفة، من علوم المناخ إلى التطبيقات الصناعية.
أطلق الباحثون على هذه الظاهرة اسم التأثير الجزيئي الضوئي، وذلك بالمقارنة مع التأثير الكهروضوئي الذي اكتشفه هاينريش هيرتز في عام 1887 وشرحه ألبرت أينشتاين لاحقًا في عام 1905.
وكما يوضح التأثير الكهروضوئي، أن فوتونات الضوء يمكنها تحرير الإلكترونات من الذرات الموجودة في المادة، فإن التأثير الجزيئي الضوئي يوضح أن الفوتونات يمكنها أيضًا تحرير جزيئات كاملة من سطح سائل.
حل لغز عمره 80 عامًا في علم المناخ
قد يحمل هذا الاكتشاف المفتاح لحل لغز عمره 80 عامًا في علم المناخ ، والذي حيّر العلماء لعقود من الزمن.
أظهرت قياسات امتصاص السحابة لأشعة الشمس في كثير من الأحيان تناقضات، حيث تمتص السحب كمية أكبر من ضوء الشمس مما تمليه الفيزياء التقليدية.
ويوضح جانج تشن: “تعتمد هذه التجارب على بيانات الأقمار الصناعية وبيانات الرحلة، إنهم يطيرون بالطائرة فوق وتحت السحب، وهناك أيضًا بيانات تعتمد على درجة حرارة المحيط وتوازن الإشعاع”لقد استنتجوا جميعًا أن هناك امتصاصًا للسحب أكبر مما يمكن أن تحسبه النظرية”
ويضيف “ومع ذلك، ونظرًا لتعقيد السحب وصعوبات إجراء مثل هذه القياسات، فقد كان الباحثون يناقشون ما إذا كانت هذه التناقضات حقيقية أم لا، وما اكتشفناه يشير إلى أن هناك آلية أخرى لامتصاص السحابة، والتي لم يتم أخذها في الاعتبار، وهذه الآلية قد تفسر التناقضات.
اختبارات وأدلة صارمة
ونظرًا للطبيعة غير المتوقعة للتأثير، أجرى فريق البحث 14 نوعًا مختلفًا من الاختبارات والقياسات لإثبات أن الماء يتبخر بالفعل بسبب الضوء وحده، وليس الحرارة.
أحد المؤشرات الرئيسية، التي تمت ملاحظتها باستمرار في أربع تجارب مختلفة في ظل ظروف مختلفة، كان تبريد وتسوية درجة حرارة الهواء فوق سطح الماء، حيث بدأ التبخر تحت الضوء المرئي، تشير هذه النتيجة إلى أن الطاقة الحرارية لم تكن القوة الدافعة وراء هذا التأثير.
يسلط إل في، وهو أحد باحثي ما بعد الدكتوراه المشاركين في الدراسة، الضوء على أنه من بين الأدلة العديدة، “ستكون المنطقة المسطحة في توزيع درجة حرارة جانب الهواء فوق الماء الساخن هي الأسهل على الناس للتكاثر”.
ويقول، إن ملف درجة الحرارة هذا “هو علامة” توضح التأثير بوضوح.
يضيف تشانج، وهو طالب دراسات عليا في الفريق: “من الصعب جدًا تفسير كيفية ظهور هذا النوع من درجات الحرارة المسطحة دون استدعاء آلية أخرى” تتجاوز النظريات المقبولة للتبخر الحراري.
أربعة أضعاف الحد الحراري
يمكن أن يكون للتأثير الجزيئي الضوئي تأثير كبير على معدلات التبخر، وفي ظل الظروف المثلى من حيث اللون والزاوية والاستقطاب، يقول ليف: “يبلغ معدل التبخر أربعة أضعاف الحد الحراري”.
يقول تشين: “أعتقد أن لهذا الأمر الكثير من التطبيقات”، “نحن نستكشف كل هذه الاتجاهات المختلفة، وبطبيعة الحال، فإنه يؤثر أيضًا على العلوم الأساسية، مثل تأثيرات السحب على المناخ، لأن السحب هي الجانب الأكثر غموضًا في النماذج المناخية.
منذ نشر الورقة الأولى حول هذا الموضوع، تواصلت الشركات مع الفريق على أمل تسخير التأثير لتطبيقات مختلفة، بما في ذلك تبخير الشراب وتجفيف الورق في مصنع للورق.
وفقًا لتشانج، “إنها تربط ما يقوله عدد كبير من الأشخاص في أجهزة تحلية المياه بالطاقة الشمسية الخاصة بهم”، والتي تظهر مرة أخرى معدلات التبخر التي لا يمكن تفسيرها بالمدخلات الحرارية.
يعتقد تشين أن التطبيقات الأولى المحتملة ستأتي في مجالات أنظمة تحلية المياه بالطاقة الشمسية أو عمليات التجفيف الصناعية الأخرى، ويشير إلى أن “التجفيف يستهلك 20 بالمائة من إجمالي استخدامات الطاقة الصناعية”.
حدود جديدة في تفاعلات الماء الخفيف والتبخر
وبما أن التأثير الجزيئي الضوئي هو ظاهرة جديدة وغير متوقعة، يؤكد تشين أن “هذه الظاهرة يجب أن تكون عامة جدًا، وتجربتنا هي في الواقع مجرد البداية”.
التجارب اللازمة لإثبات التأثير وقياسه تستغرق وقتًا طويلاً للغاية، وهناك العديد من المتغيرات التي يجب استكشافها، بدءًا من فهم الماء نفسه إلى توسيع نطاق البحث ليشمل مواد أخرى، والسوائل، وحتى المواد الصلبة.
وقال شيولين روان، أستاذ الهندسة الميكانيكية في جامعة بوردو ، والذي لم يشارك في الدراسة: “إن اكتشاف التبخر الناجم عن الضوء بدلاً من الحرارة يوفر معرفة جديدة للتفاعل بين الماء الخفيف، “يمكن أن يساعدنا ذلك في اكتساب فهم جديد لكيفية تفاعل ضوء الشمس مع السحاب والضباب والمحيطات وغيرها من المسطحات المائية الطبيعية للتأثير على الطقس والمناخ”.
وأوضح ” لها تطبيقات عملية محتملة كبيرة مثل تحلية المياه عالية الأداء باستخدام الطاقة الشمسية، يعد هذا البحث من بين مجموعة نادرة من الاكتشافات الثورية الحقيقية التي لم يتم قبولها على نطاق واسع من قبل المجتمع على الفور، ولكنها تستغرق وقتًا، وأحيانًا وقتاً طويلاً، لتأكيدها.
كيف يمكن أن يغير عالمنا
باختصار، يمثل التأثير الجزيئي الضوئي نقلة نوعية في فهمنا لتبخر الماء والتفاعل بين الماء الخفيف.
يتحدى هذا الاكتشاف الرائد حقًا الذي قام به جانج تشن وفريقه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الافتراضات القديمة ويفتح ثروة من الاحتمالات للبحث والتطبيقات المستقبلية.
ومع استمرار العلماء في استكشاف المتغيرات والآثار المترتبة على هذه الظاهرة، قال روان:” يمكننا أن نتوقع عصراً جديداً من الإبداع في مجالات تتراوح بين علوم المناخ والعمليات الصناعية، يذكرنا التأثير الجزيئي الضوئي أنه حتى العمليات الأساسية، والمفهومة جيدًا في الطبيعة لا تزال تحمل مفاجآت، وأن السعي وراء المعرفة العلمية هو رحلة مستمرة من الاكتشاف والعجب”.
