Et pourtant, il s’avère que nous avons manqué une grande partie du tableau depuis le début.

Dans une série d'expériences minutieusement précises, une équipe de chercheurs du MIT a démontré que la chaleur n'est pas la seule à provoquer l'évaporation de l'eau. La lumière, frappant la surface de l'eau, là où l'air et l'eau se rencontrent, peut briser les molécules d'eau et les faire flotter dans l'air, provoquant une évaporation en l'absence de toute source de chaleur.

Cette nouvelle découverte étonnante pourrait avoir un large éventail d’implications significatives. Cela pourrait aider à expliquer les mystérieuses mesures prises au fil des années sur la façon dont la lumière du soleil affecte les nuages, et donc affecter les calculs des effets du changement climatique sur la couverture nuageuse et les précipitations. Cela pourrait également conduire à de nouvelles façons de concevoir des processus industriels tels que le dessalement ou le séchage de matériaux à l'énergie solaire.

Les résultats et les nombreuses sources de données démontrant la réalité du phénomène et les détails de son fonctionnement sont décrits aujourd'hui dans les Actes de l'Académie nationale des sciences. , dans un article rédigé par Gang Chen, professeur d'ingénierie énergétique Carl Richard Soderberg, les postdoctorants Guangxin Lv et Yaodong Tu et l'étudiant diplômé James Zhang.

Les auteurs affirment que leur étude suggère que cet effet devrait se produire largement dans la nature, des nuages ​​aux brouillards en passant par la surface des océans, des sols et des plantes, et qu'il pourrait également conduire à de nouvelles applications pratiques, notamment dans la production d'énergie et d'eau potable.

"Je pense que cela a de nombreuses applications", déclare Chen. "Nous explorons toutes ces différentes directions. Et bien sûr, cela affecte également la science fondamentale, comme les effets des nuages ​​sur le climat, car les nuages ​​constituent l'aspect le plus incertain des modèles climatiques."

Un nouveau phénomène

Les nouveaux travaux s'appuient sur des recherches publiées l'année dernière, qui ont décrit ce nouvel « effet photomoléculaire », mais uniquement dans des conditions très spécialisées :à la surface d'hydrogels spécialement préparés et imbibés d'eau. Dans la nouvelle étude, les chercheurs démontrent que l’hydrogel n’est pas nécessaire au processus; cela se produit sur toute surface d'eau exposée à la lumière, qu'il s'agisse d'une surface plane comme un plan d'eau ou d'une surface courbe comme une gouttelette de vapeur d'un nuage.

L’effet étant si inattendu, l’équipe s’est efforcée de prouver son existence avec autant d’éléments de preuve différents que possible. Dans cette étude, ils rapportent 14 types différents de tests et de mesures qu'ils ont effectués pour établir que l'eau s'évaporait effectivement, c'est-à-dire que des molécules d'eau étaient détachées de la surface de l'eau et flottantes dans l'air, à cause de la seule lumière. pas par la chaleur, qui a longtemps été considérée comme le seul mécanisme impliqué.

Un indicateur clé, qui est apparu de manière constante dans quatre types d'expériences différents dans des conditions différentes, était que lorsque l'eau commençait à s'évaporer d'un récipient d'essai sous la lumière visible, la température de l'air mesurée au-dessus de la surface de l'eau se refroidissait puis se stabilisait, montrant que l'énergie thermique n'était pas la force motrice derrière l'effet.

Parmi les autres indicateurs clés apparus figurent la manière dont l’effet d’évaporation variait en fonction de l’angle de la lumière, de la couleur exacte de la lumière et de sa polarisation. Aucune de ces caractéristiques variables ne devrait se produire car à ces longueurs d'onde, l'eau n'absorbe pratiquement pas la lumière – et pourtant les chercheurs les ont observées.

L’effet est plus fort lorsque la lumière frappe la surface de l’eau selon un angle de 45 degrés. Elle est également plus forte avec un certain type de polarisation, appelée polarisation magnétique transversale. Et elle culmine dans la lumière verte, qui, curieusement, est la couleur pour laquelle l'eau est la plus transparente et interagit donc le moins.

Chen et ses co-chercheurs ont proposé un mécanisme physique qui peut expliquer la dépendance de l'effet à l'angle et à la polarisation, montrant que les photons de lumière peuvent conférer une force nette aux molécules d'eau à la surface de l'eau, suffisante pour les détacher du sol. plan d'eau. Mais ils ne peuvent pas encore expliquer la dépendance à la couleur, qui, selon eux, nécessitera une étude plus approfondie.

Ils ont nommé cela l'effet photomoléculaire, par analogie avec l'effet photoélectrique découvert par Heinrich Hertz en 1887 et finalement expliqué par Albert Einstein en 1905. Cet effet fut l'une des premières démonstrations que la lumière possède également des caractéristiques de particules, ce qui eut des implications majeures. en physique et a conduit à une grande variété d'applications, y compris les LED. Tout comme l'effet photoélectrique libère les électrons des atomes d'un matériau en réponse à l'impact d'un photon de lumière, l'effet photomoléculaire montre que les photons peuvent libérer des molécules entières d'une surface liquide, affirment les chercheurs.

"La découverte de l'évaporation provoquée par la lumière plutôt que par la chaleur fournit de nouvelles connaissances perturbatrices sur l'interaction lumière-eau", déclare Xiulin Ruan, professeur de génie mécanique à l'Université Purdue, qui n'a pas participé à l'étude.

"Cela pourrait nous aider à mieux comprendre comment la lumière du soleil interagit avec les nuages, le brouillard, les océans et d'autres plans d'eau naturels pour affecter le temps et le climat. Elle présente d'importantes applications pratiques potentielles telles que le dessalement de l'eau à haute performance alimenté par l'énergie solaire. Cette recherche fait partie du groupe rare de découvertes véritablement révolutionnaires qui ne sont pas immédiatement acceptées par la communauté mais qui mettent du temps, parfois beaucoup de temps, à être confirmées."

Résoudre un problème lié au cloud

Cette découverte pourrait résoudre un mystère vieux de 80 ans dans la science du climat. Les mesures de la manière dont les nuages ​​absorbent la lumière du soleil ont souvent montré qu’ils absorbent plus de lumière solaire que ce que la physique conventionnelle le permet. L'évaporation supplémentaire provoquée par cet effet pourrait expliquer l'écart de longue date, qui a fait l'objet de controverses car de telles mesures sont difficiles à effectuer.

"Ces expériences sont basées sur des données satellitaires et des données de vol", explique Chen. "Ils font voler un avion au-dessus et au-dessous des nuages, et il existe également des données basées sur la température des océans et le bilan radiatif. Et ils concluent tous qu'il y a plus d'absorption par les nuages ​​que ce que la théorie pourrait calculer. Cependant, en raison de la complexité de Les nuages ​​​​et les difficultés liées à la réalisation de telles mesures, les chercheurs se demandent si de telles divergences sont réelles ou non. Et ce que nous avons découvert suggère qu'il existe un autre mécanisme d'absorption des nuages, qui n'a pas été pris en compte, et ce mécanisme pourrait expliquer les divergences. "

Chen dit qu'il a récemment parlé de ce phénomène lors d'une conférence de l'American Physical Society, et un physicien qui étudie les nuages ​​et le climat a déclaré qu'il n'avait jamais pensé à cette possibilité, qui pourrait affecter les calculs des effets complexes des nuages ​​sur le climat. L'équipe a mené des expériences en utilisant des LED éclairant une chambre à brouillard artificielle et a observé un réchauffement du brouillard, ce qui n'était pas censé se produire puisque l'eau n'absorbe pas dans le spectre visible.

"Un tel échauffement peut être expliqué plus facilement par l'effet photomoléculaire", dit-il.

Lv dit que parmi les nombreux éléments de preuve, "la région plate dans la répartition de la température côté air au-dessus de l'eau chaude sera la plus facile à reproduire pour les gens". Ce profil de température "est une signature" qui démontre clairement l'effet, dit-il.

Zhang ajoute :« Il est assez difficile d'expliquer comment ce type de profil de température plat se produit sans invoquer un autre mécanisme » au-delà des théories acceptées de l'évaporation thermique. Il poursuit :"Cela relie ce que beaucoup de gens rapportent dans leurs appareils de dessalement solaire", qui montrent encore une fois des taux d'évaporation qui ne peuvent pas être expliqués par l'apport thermique.

L'effet peut être substantiel. Dans des conditions optimales de couleur, d'angle et de polarisation, dit Lv, "le taux d'évaporation est quatre fois supérieur à la limite thermique".

Déjà, depuis la publication du premier article, l'équipe a été approchée par des entreprises qui espèrent exploiter cet effet, explique Chen, notamment pour l'évaporation du sirop et le séchage du papier dans une usine de papier. Les premières applications les plus probables viendront dans les domaines des systèmes de dessalement solaire ou d'autres processus de séchage industriels, dit-il.

"Le séchage consomme 20 % de toute la consommation d'énergie industrielle", souligne-t-il.

Parce que l'effet est si nouveau et inattendu, Chen dit :"Ce phénomène devrait être très général, et notre expérience n'est en réalité qu'un début." Les expériences nécessaires pour démontrer et quantifier l’effet prennent beaucoup de temps. "Il existe de nombreuses variables, depuis la compréhension de l'eau elle-même jusqu'à son extension à d'autres matériaux, d'autres liquides et même des solides", ajoute-t-il.

"Les observations contenues dans le manuscrit mettent en évidence un nouveau mécanisme physique qui modifie fondamentalement notre réflexion sur la cinétique de l'évaporation", explique Shannon Yee, professeure agrégée de génie mécanique à Georgia Tech, qui n'était pas associée à ces travaux. "Qui aurait pensé que nous apprenons encore quelque chose d'aussi quotidien que l'évaporation de l'eau ?"

"Je pense que ce travail est très important sur le plan scientifique car il présente un nouveau mécanisme", déclare Janet A.W. Elliott, qui n'était pas non plus associé à ce travail. "Cela pourrait également s'avérer important sur le plan pratique pour la technologie et notre compréhension de la nature, car l'évaporation de l'eau est omniprésente et son effet semble produire des taux d'évaporation nettement plus élevés que le mécanisme thermique connu. … Mon impression générale est que ce travail est exceptionnel. Cela semble avoir été réalisé avec soin, avec de nombreuses expériences précises qui se soutiennent mutuellement."