Konveksjonscelle - Convection cell
Innen væskedynamikk er en konveksjonscelle fenomenet som oppstår når tetthetsforskjeller eksisterer i en kropp av væske eller gass . Disse tetthetsforskjellene resulterer i stigende og / eller fallende strømmer, som er nøkkelegenskapene til en konveksjonscelle. Når et volum væske blir oppvarmet, utvider det seg og blir mindre tett og dermed mer flytende enn det omkringliggende fluidet. Den kaldere, tettere delen av væsken kommer ned for å legge seg under den varmere, mindre tette væsken, og dette får den varmere væsken til å stige. En slik bevegelse kalles konveksjon , og den flytende væskekroppen blir referert til som en konveksjonscelle . Denne spesielle typen konveksjon, der et horisontalt væskelag varmes opp nedenfra, er kjent som Rayleigh – Bénard-konveksjon . Konveksjon krever vanligvis et gravitasjonsfelt, men i mikrogravitasjonseksperimenter har termisk konveksjon blitt observert uten gravitasjonseffekter.
Væsker er generalisert som materialer som har strømningsegenskapene ; denne oppførselen er imidlertid ikke unik for væsker. Væskeegenskaper kan også observeres i gasser og til og med i partikler i faste partikler (som sand, grus og større gjenstander under fjellsklier ).
En konveksjonscelle er mest bemerkelsesverdig i dannelsen av skyer med frigjøring og transport av energi. Når luft beveger seg langs bakken, absorberer den varme, mister tetthet og beveger seg opp i atmosfæren. Når den tvinges ut i atmosfæren, som har et lavere lufttrykk, kan den ikke inneholde så mye væske som i lavere høyde, så den frigjør den fuktige luften og produserer regn. I denne prosessen avkjøles den varme luften; den får tetthet og faller mot jorden, og cellen gjentar syklusen.
Konveksjonceller kan dannes i hvilken som helst væske, inkludert jordens atmosfære (der de kalles Hadley-celler ), kokende vann, suppe (hvor cellene kan identifiseres av partiklene de transporterer, for eksempel riskorn), havet eller overflaten av solen . Størrelsen på konveksjonsceller bestemmes i stor grad av væskens egenskaper. Konveksjonceller kan til og med oppstå når oppvarming av en væske er jevn.
Prosess
En stigende væskemasse mister vanligvis varme når den møter en kald overflate når den utveksler varme med kaldere væske gjennom direkte utveksling, eller i eksemplet med jordens atmosfære når den utstråler varme. På et eller annet tidspunkt blir væsken tettere enn væsken under den, som fremdeles stiger. Siden den ikke kan synke ned gjennom den stigende væsken, beveger den seg til den ene siden. På en viss avstand overvinner dens nedadgående kraft den stigende kraften under den, og væsken begynner å synke ned. Når den senker seg, varmer den opp igjen gjennom overflatekontakt eller ledningsevne, og syklusen gjentas.
Innenfor jordens troposfære
Tordenvær
Varm luft har lavere tetthet enn kjølig luft, så varm luft stiger i kjøligere luft, i likhet med varmluftsballonger . Skyer dannes som relativt varmere luft som fører fuktighet, stiger i kjøligere luft. Når den fuktige luften stiger, avkjøles den, noe som får noe av vanndampen i den stigende luftpakken til å kondensere . Når fuktigheten kondenserer, frigjør den energi kjent som den latente fordampningsvarmen, som gjør at den stigende luftpakken kan avkjøles mindre enn den omgivende luften, og fortsetter skyens oppstigning. Hvis det er nok ustabilitet i atmosfæren, vil denne prosessen fortsette lenge nok til at det dannes cumulonimbus-skyer , som støtter lyn og torden. Generelt krever tordenvær at det dannes tre forhold: fuktighet, en ustabil luftmasse og en løftekraft (varme).
Alle tordenvær, uavhengig av type, går gjennom tre stadier: et 'utviklingsstadium', et 'modent stadium' og et 'spredende stadium'. Den gjennomsnittlige tordenværet har en diameter på 24 km. Avhengig av forholdene i atmosfæren, tar disse tre trinnene i gjennomsnitt 30 minutter å gjennomgå.
Adiabatiske prosesser
Oppvarming forårsaket av kompresjon av nedadgående luft er ansvarlig for slike vinterfenomener som chinook (som det er kjent i det vestlige Nord-Amerika) eller Föhn (i Alpene).
Innenfor solen
Solens fotosfære består av konveksjonsceller kalt granulat , som er stigende kolonner med overopphetet (5800 ° C) plasma med en gjennomsnittlig diameter på rundt 1000 kilometer. Plasmaet avkjøles når det stiger og synker ned i de trange rom mellom granulatene.