왜 물은 난로보다 햇빛 아래에서 더 빨리 증발할까
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2025-07-06 23:19:55
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- 햇빛은 물 분자 전체를 물 표면에서 분리하여 증발시킨다.
- "진동하는 햇빛 전기장이 물 클러스터를 분해하는 데 특히 효과적이라는 것"을 발견
- 같은 양의 에너지로 더 많은 물 분자가 동시에 기상으로 진입하고 증발 속도가 증가
물은 세 가지 물질 상태로 존재한다. 얼음, 액체 물, 기체 수증기다. 온도, 압력, 그리고 에너지의 영향이 물 분자의 상태와 상전이를 결정한다. 예를 들어 얼음이 실온에서 녹거나 물이 모두 증발할 때까지 난로 위에서 냄비에 물을 끓이는 모습을 볼 수 있다.
햇빛이 바다, 강, 호수 표면에 닿을 때도 비슷한 현상이 발생한다. 식물, 동물, 토양 또한 증산작용을 통해 수증기를 대기 중으로 방출한다. 지구 물의 일부는 증발하여 대기에 모여 구름을 형성하고, 식어서 다시 액체나 고체가 된 후, 마침내 강수로 지구로 돌아온다. 이로 인해 물의 상태가 끊임없이 변화하는 수문 순환이 형성된다.
햇빛의 초능력, 전기장
하지만 이상한 점은 햇빛에 비친 물은 다른 방법으로 가열된 물보다 더 빨리 증발한다는 것이다. 노스캐롤라이나 주립대학교의 사클라인 라자는 "태양은 물을 매우 효과적으로 증발시킨다. 예를 들어 난로에서 물을 데우는 것보다 훨씬 효율적이다"고 말했다. 그렇다면 햇빛의 어떤 특성이 이러한 초능력을 가능하게 할까?
라자의 동료인 준 류는 "빛은 부분적으로 진동하는 전기장으로 구성된 전자기파다"며 "이 전기장이 존재하면 물은 매우 빠르게 증발한다. 그리고 전기장이 강할수록 증발 속도는 더 빨라진다"고 설명했다. 이에 따르면, 류와 라자가 이끄는 팀이 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 발견했듯이, 바로 이 햇빛 전기장이 가열과는 무관하게 물의 상전이에 필요한 에너지를 제공한다. 햇빛의 열 또한 증발에 기여하지만, 그 자체로는 그렇게 강한 방출을 일으키지 않는다.
물 분자는 집단으로 증발한다.
그렇다면 이 입사광선은 정확히 어떻게 물 분자에 영향을 미칠까? 류는 "진동하는 햇빛 전기장이 물 클러스터를 분해하는 데 특히 효과적이라는 것을 발견했다"고 보고했다. 물 클러스터는 서로 연결되어 있지만, 수면에서 액체 상태의 나머지 물과 하나의 집단으로 분리될 수 있는 여러 물 분자의 집합이다.
햇빛 전기장은 물 분자를 진동시키고 회전시켜 큰 클러스터를 작은 클러스터로 분해하고 이후 분리하는 것을 용이하게 한다. 액체 상태의 물 복합체에서 이러한 분자 집단을 제거하는 데는 단일 분자를 분해하는 것과 같은 양의 빛 에너지가 소모된다. 그러나 같은 양의 에너지로 더 많은 물 분자가 동시에 기상으로 진입하고 증발 속도가 증가한다.
"이 현상을 광분자 효과라고 한다"고 연구팀은 설명했다. 이것이 태양이 수면에서 물을 분리하고 증발시키는 데 매우 효과적인 이유다.
참고: Materials Horizons; 2025; doi: 10.1039/D5MH00353A
출처: 노스캐롤라이나 주립대학교
- 햇빛은 물 분자 전체를 물 표면에서 분리하여 증발시킨다.
- "진동하는 햇빛 전기장이 물 클러스터를 분해하는 데 특히 효과적이라는 것"을 발견
- 같은 양의 에너지로 더 많은 물 분자가 동시에 기상으로 진입하고 증발 속도가 증가
왜 물은 난로보다 햇빛 아래에서 더 빨리 증발할까요?
물은 다른 형태의 가열보다 태양 복사열의 영향으로 더 빨리 증발한다. 왜 그럴까? 연구자들은 이제 이 의문을 명확히 밝혔다. 그들은 열뿐만 아니라 햇빛의 진동하는 전기장도 원인이라고 주장한다. 햇빛은 물 분자 전체를 물 표면에서 분리하여 증발시킨다. 이는 특히 효율적이며, 예를 들어 끓는 물보다 더 빨리 증발하게 한다.
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| ▲ 햇빛 아래의 물은 냄비 속의 물보다 더 빨리 증발한다. pixabay |
물은 세 가지 물질 상태로 존재한다. 얼음, 액체 물, 기체 수증기다. 온도, 압력, 그리고 에너지의 영향이 물 분자의 상태와 상전이를 결정한다. 예를 들어 얼음이 실온에서 녹거나 물이 모두 증발할 때까지 난로 위에서 냄비에 물을 끓이는 모습을 볼 수 있다.
햇빛이 바다, 강, 호수 표면에 닿을 때도 비슷한 현상이 발생한다. 식물, 동물, 토양 또한 증산작용을 통해 수증기를 대기 중으로 방출한다. 지구 물의 일부는 증발하여 대기에 모여 구름을 형성하고, 식어서 다시 액체나 고체가 된 후, 마침내 강수로 지구로 돌아온다. 이로 인해 물의 상태가 끊임없이 변화하는 수문 순환이 형성된다.
햇빛의 초능력, 전기장
하지만 이상한 점은 햇빛에 비친 물은 다른 방법으로 가열된 물보다 더 빨리 증발한다는 것이다. 노스캐롤라이나 주립대학교의 사클라인 라자는 "태양은 물을 매우 효과적으로 증발시킨다. 예를 들어 난로에서 물을 데우는 것보다 훨씬 효율적이다"고 말했다. 그렇다면 햇빛의 어떤 특성이 이러한 초능력을 가능하게 할까?
라자의 동료인 준 류는 "빛은 부분적으로 진동하는 전기장으로 구성된 전자기파다"며 "이 전기장이 존재하면 물은 매우 빠르게 증발한다. 그리고 전기장이 강할수록 증발 속도는 더 빨라진다"고 설명했다. 이에 따르면, 류와 라자가 이끄는 팀이 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 발견했듯이, 바로 이 햇빛 전기장이 가열과는 무관하게 물의 상전이에 필요한 에너지를 제공한다. 햇빛의 열 또한 증발에 기여하지만, 그 자체로는 그렇게 강한 방출을 일으키지 않는다.
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| ▲ 어두운 환경(왼쪽)과 태양 복사(오른쪽) 하에서 하이드로젤 내에 갇힌 물의 증발을 보여주는 그림. 확대된 부분은 하이드로젤에서 형성된 결합된 물(주황색), 중간 물(갈색), 그리고 자유 물(파란색과 흰색) 상태를 나타낸다. 하이드로젤 구조로 인한 물의 수소 결합 네트워크의 붕괴는 에너지원에 관계없이 계면 영역에 더 많은 물 클러스터를 형성한다. 태양 복사는 계면 영역에서 단일 물 분자와 클러스터를 분리하는 데 도움을 주어 증발 속도를 향상시킨다. (출처:Oscillations in incident electric field enhances interfacial water evaporation / Materials Horizons) |
물 분자는 집단으로 증발한다.
그렇다면 이 입사광선은 정확히 어떻게 물 분자에 영향을 미칠까? 류는 "진동하는 햇빛 전기장이 물 클러스터를 분해하는 데 특히 효과적이라는 것을 발견했다"고 보고했다. 물 클러스터는 서로 연결되어 있지만, 수면에서 액체 상태의 나머지 물과 하나의 집단으로 분리될 수 있는 여러 물 분자의 집합이다.
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| ▲ 물 증발에 대한 전기장의 영향. (a) 액체 및 계면 영역의 물에 인가되는 교류 전기장으로 태양 복사를 나타낸 모식도. 사인파 전기장은 에너지를 제공하고 액체-증기 계면 영역의 물 클러스터가 늘어나 증발하도록 도와 증발 속도를 향상시킨다. 동일한 원리가 계면 영역의 단일 물 분자에도 적용된다. (출처:Oscillations in incident electric field enhances interfacial water evaporation / Materials Horizons) |
햇빛 전기장은 물 분자를 진동시키고 회전시켜 큰 클러스터를 작은 클러스터로 분해하고 이후 분리하는 것을 용이하게 한다. 액체 상태의 물 복합체에서 이러한 분자 집단을 제거하는 데는 단일 분자를 분해하는 것과 같은 양의 빛 에너지가 소모된다. 그러나 같은 양의 에너지로 더 많은 물 분자가 동시에 기상으로 진입하고 증발 속도가 증가한다.
"이 현상을 광분자 효과라고 한다"고 연구팀은 설명했다. 이것이 태양이 수면에서 물을 분리하고 증발시키는 데 매우 효과적인 이유다.
참고: Materials Horizons; 2025; doi: 10.1039/D5MH00353A
출처: 노스캐롤라이나 주립대학교
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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