Конвекція - це фізичний механізм, за допомогою якого тепло, лінійний імпульс, вологість тощо транспортуються через рух маси, що утворює певну рідину (воду або повітря). Цей вид транспорту відбувається в рідинах і газах завдяки їх здатності вільно рухатися і встановлювати струми, які ми називаємо конвективними.

Конвекція виникає природним чином в атмосфері. У теплий сонячний день сонце нагріває поверхню Землі. Це тепло передається повітряному шару, що безпосередньо прилягає до поверхні, за допомогою молекулярної (провідності) та турбулентної дифузії, а також випромінювання. Якщо припустити, що сонце нагріває певну частину землі (це відбувається насправді, оскільки різні поверхні нагріваються нерівномірно залежно від їх теплоємності, випромінювальної здатності тощо; наочний приклад - те, як пісок на пляжі нагрівається більше, ніж ліс, який вони ставлять так, щоб ми ходили босоніж і не обпікали ноги), це тепло передається повітрю, контактуючи з поверхнею за механізмами, описаними вище, змушуючи його розширюватися і зменшувати свою щільність. Цей процес регулюється Законом про ідеальний газ, який описує взаємозв'язок між тиском, об'ємом, температурою та кількістю (в молях) ідеального газу, такий що PV = nRT (1), де:

  • P = абсолютний тиск (вимірюється в атмосферах)
  • V = об'єм (виражений у літрах)
  • n = моль газу
  • R = універсальна константа ідеальних газів (0,082 атм L/моль К)
  • Т = абсолютна температура

У метеорології цей механізм теплообміну називається "атмосферною конвекцією", а посилювані повітряні посилки називаються "тепловими потоками" або просто "термічними" (англійською мовою). Терміки використовуються багатьма великими хижаками для ковзання (малюнок 1) і підняття (протягом ночі теплові струми практично зникають, і ці птахи не можуть літати). Це також причина, чому птахи, як правило, перетинаються з одного континенту на інший через прохід, де існує найменший морський шлях. Море нагрівається менше, ніж суша, так що теплові енергії значно зменшують свою інтенсивність. Так відбувається, наприклад, у Гібралтарській протоці. Птахи, перетинаючись на південь взимку та на північ влітку в пошуках оптимальних температур та їжі, перетинають цю протоку, оскільки це область з найкоротшим морським шляхом між Європою та Африкою. Вони піднімаються на одну сторону протоки і піднімаються завдяки термалам, вони починають шлях через море, і коли вони знову досягають узбережжя, вони, як правило, знаходяться на меншій висоті, навіть багато разів вони досягають суші, "скидаючи воду". Без існування терміків ці птахи не могли втекти.

конвекція

Рисунок 1. Група лелек, що ширяють на теплових течіях у вітровій електростанції Таріфа (Кадіс), щоб перетнути Гібралтарську протоку під час міграційного шляху до Африки.

На основі описаних вище механізмів пояснюються деякі явища, що відбуваються в атмосфері, пов'язані з конвекцією:

УТВОРЕННЯ СУМІСТНИХ ХМАР: Купчасті хмари утворюються конвективними рухами повітря. Сонце нагріває поверхню Землі, одночасно змушуючи навколишнє повітря нагріватися, змушуючи його підніматися конвекцією. Розглядаючи рівняння ідеального газу (1), ми можемо висловити (dQ = C v dT + pdV) (2) або (dQ = C p dT - Vdp) (3) і, враховуючи адіабатичні умови (dQ = 0), отримаємо два аналогічних рівняння, що показують взаємозв'язок між варіаціями тиску, об'єму та температури в бульбашці або на ділянці повітря, що рухається вертикально. Таким чином, в посилці повітря, що піднімається, відбувається зниження тиску (збільшення об’єму), що призводить до охолодження.

Рисунок 2. Зображення добре розвиненого купчасто-дощового (Метеорологічний звіт 2011 AME).

Конвекція - це фізичне явище, за допомогою якого тепло, імпульс, волога тощо. транспортується за рахунок руху маси, що містить певну рідину (воду або повітря). Цей вид транспорту відбувається в рідинах і газах завдяки своїй здатності вільно рухатися і встановлює так звані конвективні струми.

Конвекція виникає природним чином в атмосфері. У теплий і сонячний день сонце нагріває поверхню Землі так, що шар повітря, що безпосередньо прилягає до поверхні, нагрівається на додаток до випромінювання молекулярною дифузією (провідністю) і турбулентністю. Якщо припустити, що сонце нагріває певну частину ґрунту (різні поверхні нагріваються нерівномірно залежно від його теплоємності, випромінювальної здатності тощо; прикладом є те, як пісок пляжу спекотніший за ліс, по якому нам слід ходити, щоб не спалити наш футів), тепло передається повітрю, що контактує з поверхнею за допомогою раніше описаних механізмів, розширюючи і зменшуючи його щільність. Цей процес регулюється законом ідеального газу, який описує взаємозв'язок між тиском, об'ємом, температурою та кількістю (в молях) ідеального газу так, що PV = nRT (1), де:

  • P = абсолютний тиск (вимірюється в атмосферах)
  • V = об'єм (виражений у літрах)
  • n = кількість молей газу
  • R = універсальна газова постійна (0,082 атм л/моль К)
  • T = абсолютна температура (K)

З рівняння, наведеного вище (1), якщо температура підвищується в частині повітря, що знаходиться на даному рівні тиску, при умові постійного тиску, його об’єм збільшується, зменшуючи тим самим його щільність (щільність = маса/об’єм). Повітря, що міститься в посилці повітря, гарячіше, менш щільне і більше об’єму, ніж повітря навколо, як правило, піднімається плавучістю так само, як гелієва куля піднімається в атмосфері (гелій - газ з меншою щільністю, ніж повітря). Таким чином, вертикальна плавучість повітряної маси обумовлена ​​меншою щільністю, ніж навколишнє повітря (руху вгору), або більшою (рухами вниз). Таким чином, ми розглядаємо як конвекцію теплотранспорт, що розглядається вищою або нижньою течією рідинних мас (повітря або вода). Таким чином, коли вода нагрівається в посудині (перегляньте відео), об'єм, що контактує з джерелом тепла в основі посудини, відчуває рух вгору, що викликає охолодження під час підйому, так що потрапляючи на верхню поверхню ( межі вода-повітря) вона рухається вниз, займаючи місце, залишене гарячою водою.

У метеорологічному контексті цей механізм теплообміну називається «атмосферною конвекцією», а посилки повітря, що піднімаються, - «тепловими». Багато хижаків використовують теплові пристрої, щоб літати, не махаючи крилами (рис. 1), і підніматися (протягом ночі теплові теплоносії практично зникають, а хижаки не можуть літати). Це також причина, чому птахи, як правило, перетинаються з одного континенту на інший, використовуючи маршрути, на яких менше морських подорожей. Море нагрівається менше, ніж суша, так що теплові енергії значно зменшують свою інтенсивність. Так відбувається, наприклад, у Гібралтарській протоці, де птахи використовують цей шлях для перетину на південь взимку та на північ влітку в пошуках оптимальних температур та їжі, перетинаючи цю вузьку, оскільки це область з менш існуючим морським шляхом між Європою та Африкою . Птахи піднімаються в сторону протоки через теплові системи, потім перетинають море і, коли знову досягають берега, вони зазвичай розташовуються на меншій висоті, навіть “торкаючись води”. Без існування терміків ці птахи не могли втекти.

Рисунок 1. Група лелек на тепловій електростанції, що піднімається в Таріфі (Кадіс), що перетинає Гібралтарську протоку під час міграційного шляху до Африки

Пояснюються деякі явища, що відбуваються в атмосфері на основі раніше описаних механізмів:

СФОРМУВАННЯ КУМУЛЬНОГО ОБЛАКА: Купчасті хмари утворені конвективними рухами повітря. Сонце нагріває поверхню Землі, викликаючи одночасно нагрівання сусіднього повітря і змушуючи його підніматися конвекцією. Розглядаючи рівняння ідеальних газів (1), ми можемо висловити (dQ = CvdT + pdV) (2) або (dQ = CpdT - Vdp) (3) і, враховуючи адіабатичні умови (dQ = 0), отримаємо два подібних рівняння, які показують взаємозв'язок між варіаціями тиску, об'єму та температури в бульбашці або повітряному посилці, що рухається по вертикалі. Таким чином, на посиленій посилці відбувається зниження тиску (об’єму), що несе охолодження.

Рисунок 2. Зображення добре розвиненого купчастого дощу (Meteoreport 2011 AME).

Повітря містить водяну пару в різних пропорціях залежно від маси повітря, що розглядається. Потужність повітря утримувати водяну пару змінюється залежно від температури, так що чим холодніше повітря, тим менша кількість водяної пари може надходити. Коли досягається верхня межа водяної пари, яку може підтримувати повітряна маса, утворюється конденсат. Повітря, що піднімається, має певну відносну вологість і зростаючим, воно знижує свою температуру і збільшує відносну вологість до 100% (насичення). Таким чином, існує певний рівень, коли внаслідок температури, при якій він знаходиться, відбувається конденсація крапель води і починають утворюватися хмари.

Цей рівень відомий як рівень підйому конденсату (LCL). У міру того, як теплові енергії продовжують підніматися, ці краплі води все ще утворюються у вертикалі і зростають, тому вона становить хмару вгору (її також називають хмарами вертикального розвитку). Таким чином, виходить багато типів купчасто-хмарних, найменших і завдяки сонячній погоді називають «купчасто-погодні». Якщо висхідні потоки сильніші і містять більше вологи, ми отримуємо "купчасті хмари у формі башти", а якщо ці течії ще сильніші і несуть більше вологи, утворюватимуться "купчасто-дощові" (малюнок 2), які представляють собою хмари з великою вертикаллю розвиток, в межах якого витяжні потоки є досить важкими, так що водяна пара перетворюється на краплі, а ці краплі в краплях дощу та граді (коли кристали льоду захоплюють краплі, замерзаючи воду на рівнях, де температура значно нижче 0 ° C). Ці хмари виробляють дощ, який іноді може бути бурхливим та інтенсивним, і має верхній білий колір та форму цвітної капусти. Часто ці хмари досягають тропопаузи, і їх підйом гальмується, тому вони розширюються в горизонтальній площині, приймаючи форму ковадла.