Конвекционная ячейка

Высококучевое облако, вид с космического корабля "Шаттл". Высококучевые облака образуются в результате конвективной деятельности.

В гидродинамике конвекционная ячейка — это явление, которое возникает, когда существуют различия в плотности внутри тела жидкости или газа . Эти различия в плотности приводят к увеличению и/или уменьшению конвекционных потоков , которые являются ключевыми характеристиками конвекционной ячейки. Когда объем жидкости нагревается, он расширяется и становится менее плотным и, следовательно, более плавучим, чем окружающая жидкость. Более холодная и плотная часть жидкости опускается ниже более теплой и менее плотной жидкости, в результате чего более теплая жидкость поднимается. Такое движение называется конвекцией , а движущееся тело жидкости — конвекционной ячейкой . Этот особый тип конвекции, при котором горизонтальный слой жидкости нагревается снизу, известен как конвекция Рэлея – Бенара . Для конвекции обычно требуется гравитационное поле, но в экспериментах по микрогравитации наблюдалась тепловая конвекция без гравитационных эффектов. ^{[ 1 ]}

Жидкости обобщаются как материалы, обладающие свойством текучести ; однако такое поведение характерно не только для жидкостей. Свойства жидкости также можно наблюдать в газах и даже в твердых частицах (таких как песок, гравий и более крупные объекты во время оползней ).

Конвекционная ячейка наиболее заметна при формировании облаков с выделением и транспортировкой энергии. Двигаясь по земле, воздух поглощает тепло, теряет плотность и поднимается в атмосферу. Когда он выбрасывается в атмосферу, где давление воздуха ниже, он не может содержать столько жидкости, сколько на меньшей высоте, поэтому он выпускает влажный воздух, вызывая дождь. При этом теплый воздух охлаждается; он набирает плотность и падает на землю, и клетка повторяет цикл.

Конвекционные ячейки могут образовываться в любой жидкости, включая атмосферу Земли (где они называются клетками Хэдли ), кипящую воду, суп (где клетки можно идентифицировать по частицам, которые они переносят, например, зерна риса), океан или поверхность Солнца . Размер конвекционных ячеек во многом определяется свойствами жидкости. Конвекционные ячейки могут возникать даже при равномерном нагреве жидкости.

Процесс

Поднимающееся тело жидкости обычно теряет тепло, когда оно сталкивается с холодной поверхностью, когда оно обменивается теплом с более холодной жидкостью посредством прямого обмена, или, как в случае с атмосферой Земли , когда оно излучает тепло. В какой-то момент жидкость становится плотнее, чем жидкость под ней, которая все еще поднимается. Поскольку он не может спуститься сквозь поднимающуюся жидкость, он отклоняется в сторону. На некотором расстоянии его направленная вниз сила преодолевает поднимающуюся под ним силу, и жидкость начинает опускаться вниз. По мере спуска он снова нагревается за счет контакта с поверхностью или проводимости, и цикл повторяется.

В тропосфере Земли

Грозы

Теплый воздух имеет меньшую плотность, чем холодный, поэтому теплый воздух поднимается вверх вместе с более холодным воздухом. ^{[ 2 ]} похожи на воздушные шары . ^{[ 3 ]} Облака образуются, когда относительно более теплый воздух, несущий влагу, поднимается в более прохладном воздухе. По мере того как влажный воздух поднимается вверх, он охлаждается, в результате чего часть водяного пара в поднимающемся пакете воздуха конденсируется . ^{[ 4 ]} Когда влага конденсируется, она высвобождает энергию, известную как скрытая теплота испарения, которая позволяет поднимающемуся пакету воздуха охлаждаться меньше, чем окружающий его воздух. ^{[ 5 ]} продолжая восхождение облака. Если достаточная нестабильность в атмосфере присутствует кучево-дождевые облака , этот процесс будет продолжаться достаточно долго, чтобы образовались , поддерживающие молнии и гром. Обычно для формирования грозы необходимы три условия: влага, нестабильная воздушная масса и подъемная сила (тепло).

Все грозы, независимо от типа, проходят три стадии: «стадию развития», «стадию зрелости» и «стадию затухания». ^{[ 6 ]} Средняя гроза имеет диаметр 24 км (15 миль). ^{[ 7 ]} В зависимости от условий в атмосфере прохождение этих трех этапов занимает в среднем 30 минут. ^{[ 8 ]}

Адиабатические процессы

Нагревание, вызванное сжатием нисходящего воздуха, ответственно за такие зимние явления, как чавыча (как ее называют на западе Северной Америки) или фен (в Альпах).

Видео солнечной фотосферы, наблюдаемое с помощью шведского 1-метрового солнечного телескопа (SST) на острове Ла-Пальма, Испания. В фильме показана солнечная грануляция, которая является результатом конвективных движений пузырьков горячего газа, поднимающихся из недр Солнца. Когда эти пузырьки достигают поверхности, газ охлаждается и снова стекает вниз по темным дорожкам между яркими ячейками. В этих так называемых межзеренных полосах мы также можем видеть мелкие яркие точки и более протяженные яркие вытянутые структуры. Это регионы с сильными магнитными полями.

Внутри Солнца

Солнца Фотосфера состоит из конвекционных ячеек, называемых гранулами , которые представляют собой поднимающиеся столбы перегретой (5800 °C) плазмы, средний диаметр которых составляет около 1000 километров. Плазма охлаждается, поднимаясь и опускаясь в узких пространствах между гранулами.

Ссылки

^ Yu. A.Gaponenko and V. E. Zakhvataev, Nonboussinesq Thermal Convection in Microgravity under Nonuniform Heating
^ Альберт Ирвин Фрай (1913). Карманник инженера-строителя: справочник для инженеров-подрядчиков . Компания Д. Ван Ностранда. п. 462 . Проверено 31 августа 2009 г.
^ Йикне Денг (2005). Древние китайские изобретения . Китайская международная пресса. стр. 112–13. ISBN 978-7-5085-0837-5 . Проверено 18 июня 2009 г.
^ ФМИ (2007). «Туман и слоистый воздух – метеорологические физические предпосылки» . Центральный институт метеорологии и геодинамики . Проверено 7 февраля 2009 г.
^ Крис С. Муни (2007). Мир штормов: ураганы, политика и битва за глобальное потепление . Хоутон Миффлин Харкорт. п. 20 . ISBN 978-0-15-101287-9 . Проверено 31 августа 2009 г.
^ Майкл Х. Могил (2007). Экстремальная погода . Нью-Йорк: Black Dog & Leventhal Publisher. стр. 210–211. ISBN 978-1-57912-743-5 .
^ Питер Фолджер (10 апреля 2011 г.). Сильные грозы и торнадо в США . Издательство ДИАНА. п. 16. ISBN 978-1-4379-8754-6 .
^ Национальная лаборатория сильных штормов (15 октября 2006 г.). «Учебник по суровой погоде: вопросы и ответы о грозах» . Национальное управление океанических и атмосферных исследований . Архивировано из оригинала 25 августа 2009 г. Проверено 1 сентября 2009 г.

Внешние ссылки

Mountainnature.com - Чинук. Архивировано 14 февраля 2014 г. в Wayback Machine.

[1] Yu. A.Gaponenko and V. E. Zakhvataev, Nonboussinesq Thermal Convection in Microgravity under Nonuniform Heating

[2] Альберт Ирвин Фрай (1913). Карманник инженера-строителя: справочник для инженеров-подрядчиков . Компания Д. Ван Ностранда. п. 462 . Проверено 31 августа 2009 г.

[3] Йикне Денг (2005). Древние китайские изобретения . Китайская международная пресса. стр. 112–13. ISBN 978-7-5085-0837-5 . Проверено 18 июня 2009 г.

[4] ФМИ (2007). «Туман и слоистый воздух – метеорологические физические предпосылки» . Центральный институт метеорологии и геодинамики . Проверено 7 февраля 2009 г.

[5] Крис С. Муни (2007). Мир штормов: ураганы, политика и битва за глобальное потепление . Хоутон Миффлин Харкорт. п. 20 . ISBN 978-0-15-101287-9 . Проверено 31 августа 2009 г.

[Extreme_Weather-6] Майкл Х. Могил (2007). Экстремальная погода . Нью-Йорк: Black Dog & Leventhal Publisher. стр. 210–211. ISBN 978-1-57912-743-5 .

[Folger2011-7] Питер Фолджер (10 апреля 2011 г.). Сильные грозы и торнадо в США . Издательство ДИАНА. п. 16. ISBN 978-1-4379-8754-6 .

[tsbasics-8] Национальная лаборатория сильных штормов (15 октября 2006 г.). «Учебник по суровой погоде: вопросы и ответы о грозах» . Национальное управление океанических и атмосферных исследований . Архивировано из оригинала 25 августа 2009 г. Проверено 1 сентября 2009 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]