A konvekció egy olyan fizikai mechanizmus, amely révén a hő, a lineáris lendület, a páratartalom stb. Átkerül egy bizonyos folyadékot (vizet vagy levegőt) alkotó tömeg mozgásán keresztül. Ez a fajta folyadék folyadékokban és gázokban fordul elő, mivel képesek szabadon mozogni és konvektívnek nevezett áramokat létrehozni.

A konvekció természetesen a légkörben keletkezik. Egy meleg, napos napon a nap felmelegíti a Föld felszínét. Ezt a hőt molekuláris (vezetési) és turbulens diffúzióval, valamint sugárzással továbbítják a felszínnel közvetlenül szomszédos légrétegbe. Feltéve, hogy a nap felmelegíti a talaj egy bizonyos részét (ez a valóságban azért történik, mert a különböző felületek hőteljesítményüktől, emissziós képességüktől stb. Függően egyenetlenül melegítenek; egyértelmű példa arra, hogy a tengerparton a homok jobban felmelegszik, mint az erdőben úgy teszik, hogy mezítláb járunk, és ne égessük el a lábunkat), ezt a hőt a fent leírt mechanizmusok továbbítják a felülettel érintkező levegőbe, aminek következtében tágul és csökken a sűrűsége. Ezt a folyamatot az ideális gázról szóló törvény szabályozza, amely leírja az ideális gáz nyomásának, térfogatának, hőmérsékletének és mennyiségének (molban kifejezve) kapcsolatát úgy, hogy PV = nRT (1), ahol:

  • P = abszolút nyomás (atmoszférában mérve)
  • V = térfogat (literben kifejezve)
  • n = mol mol
  • R = az ideális gázok univerzális állandója (0,082 atm L/mol K)
  • T = abszolút hőmérséklet

A meteorológiában ezt a hőcseremechanizmust "légköri konvekciónak", az emelkedő légcsomagokat pedig "hőáramoknak" vagy egyszerűen "termáloknak" (angolul termáloknak) nevezik. A termálokat sok nagy ragadozó használja csúszásra (1. ábra) és felkelésre (éjszaka a hőáramok gyakorlatilag eltűnnek, és ezek a madarak nem tudnak repülni). Ez az oka annak is, hogy a madarak hajlamosak átjutni az egyik kontinensről a másikra azon az átjárón keresztül, ahol a legkevesebb tengeri út létezik. A tenger kevésbé melegszik, mint a szárazföld, ezért a termálok intenzitása jelentősen csökken. Ez történik például a Gibraltári-szorosban. A madarak, amikor télen dél felé, nyáron pedig északon keresztezik az optimális hőmérsékletet és táplálékot keresve, átkelnek ezen a szoroson, mert ez a terület a legrövidebb tengeri útvonalon Európa és Afrika között. Felemelkednek a szoros egyik oldalára, és a termáloknak köszönhetően felemelkednek, elindulnak a tengeren át, és amikor ismét elérik a partot, általában alacsonyabb magasságban vannak, sőt sokszor a vizet is lesiklik a szárazföldre. Termálok nélkül ezek a madarak nem tudtak repülni.

meteorológia

1. ábra: Tarifa (Cádiz) szélerőmű termikus áramlatokon felszálló gólyák csoportja, hogy átkeljenek a gibraltári szoroson afrikai vándorútjuk során.

A fent leírt mechanizmusok alapján megmagyarázunk néhány, a konvekcióval kapcsolatos légkörben lejátszódó jelenséget:

KUMULIFORM HÁZAK KIALAKULÁSA: A gomolyfelhőket a levegő konvektív mozgása képezi. A nap felmelegíti a Föld felszínét, ugyanakkor a környező levegőt felmelegíti, konvekcióval megemelkedve. Figyelembe véve az ideális gázegyenletet (1), kifejezhetjük (dQ = C v dT + pdV) (2) vagy (dQ = C p dT - Vdp) (3), és az adiabatikus feltételeket (dQ = 0) figyelembe véve két analóg egyenletek, amelyek megmutatják a függőlegesen mozgó buborék vagy légcsomag nyomásának, térfogatának és hőmérsékletváltozásának kapcsolatát. Ily módon egy emelkedő légcsomagban csökken a nyomás (növekszik a térfogat), ami lehűléshez vezet.

2. ábra: Egy jól fejlett cumulonimbus képe (Meteorológiai jelentés, 2011 AME).

A konvekció olyan fizikai jelenség, amelynek révén hő, lendület, nedvesség stb. egy adott folyadékot (vizet vagy levegőt) tartalmazó tömeg mozgása miatt szállítják. Ez a fajta folyadék folyadékokban és gázokban fordul elő, mivel szabadon mozog, és beállítja az úgynevezett konvekciós áramokat.

A konvekció természetes módon keletkezik a légkörben. Meleg és napsütéses napon a nap úgy melegíti fel a Föld felszínét, hogy a felszínnel közvetlenül szomszédos légréteget a sugárzás mellett molekuláris diffúzió (vezetés) és turbulencia is melegíti. Feltéve, hogy a nap felmelegíti a talaj egy bizonyos részét (a különböző felületek hőteljesítményétől, sugárzóképességétől stb. Függően egyenlőtlenül fűtenek; példa arra, hogy a tengerpart homokja melegebb, mint az erdő, amelyen járnunk kell, mert nem égette el a talajt láb), a hőt az előbb leírt mechanizmusok továbbítják a felülettel érintkező levegőbe, így tágítva és csökkentve annak sűrűségét. Ezt a folyamatot az ideális gáztörvény szabályozza, amely leírja a nyomás, a térfogat, a hőmérséklet és az ideális gáz mennyiségének (molban) viszonyát úgy, hogy PV = nRT (1), ahol:

  • P = abszolút nyomás (atmoszférában mérve)
  • V = térfogat (literben kifejezve)
  • n = a gáz móljainak száma
  • R = univerzális gázállandó (0,082 atm l/mol K)
  • T = abszolút hőmérséklet (K)

A fenti (1) egyenletből kiindulva, ha az adott nyomásszintnél elhelyezkedő légrészben a hőmérséklet növekszik, állandó nyomást feltételezve, annak térfogata nő, ezáltal csökken a sűrűsége (sűrűség = tömeg/térfogat). A légcsomagban lévő levegő, forróbb, kevésbé sűrű és nagyobb térfogatú, mint a körülötte lévő levegő, hajlamos a felhajtóerővel emelkedni, ugyanúgy, mint a héliumgömb a légkörben (a hélium a sűrűségnél kisebb sűrűségű gáz). Ily módon a légtömeg függőleges felhajtóerejét a környező levegőnél kisebb sűrűség (felfelé irányuló mozgások) vagy nagyobb (lefelé irányuló mozgások) okozza. Így konvekciónak tekintjük a felhasznált (lég vagy víz) felső vagy alsó folyadéktömeg által történő hőtranszportot. Ily módon, amikor a vizet melegítik egy edényben (nézze meg a videót), az edény alján lévő hőforrással érintkező térfogat felfelé irányuló mozgást tapasztal, amely felfelé haladva hűlést okoz, így egyszer a felső felületen ( határvíz-levegő) lefelé mozog a forró víztömeg által hagyott helyet elfoglalva.

A meteorológiai kontextusban ezt a hőcseremechanizmust "légköri konvekciónak", az emelkedő légcsomagokat pedig "termáloknak" nevezik. A termálokat sok ragadozó használja szárnycsapódás nélküli repüléshez (1. ábra) és felemelkedéshez (az éjszakai termálok gyakorlatilag eltűnnek, és a raptorok nem képesek repülni). Ez az oka annak is, hogy a madarak hajlamosak az egyik kontinensről a másikra átjutni olyan útvonalakon, amelyeken kevesebb a tengeri utazás. A tengert kevésbé melegítik, mint a szárazföldet, így a termálok jelentősen csökkentik intenzitásukat. Ez történik például a Gibraltári-szorosban, ahol a madarak ezt az utat használják télen délre, nyáron pedig északra az optimális hőmérséklet és táplálék keresésére, átkelve ezen a keskenyen, mert ez az a terület, ahol kevésbé létezik tengeri útvonal Európa és Afrika között. . A madarak termálokon keresztül emelkednek a szoros egyik oldalára, majd átkelnek a tengeren, és amikor ismét a partra érnek, általában alacsonyabb magasságban helyezkednek el, még a vizet is érintik. Termálok nélkül ezek a madarak nem tudtak repülni.

1. ábra A gólyák csoportja a Tarifa (Cádiz) termikusan emelkedő szélerőműparkjában, átkelve a Gibraltári-szoroson afrikai vándorútjukon

Néhány, az atmoszférában lejátszódó jelenséget a korábban leírt mechanizmusok alapján ismertetünk:

CUMULUS-FELHASZNÁLÁS: A gomolyfelhőket konvektív légmozgások képezik. A nap felmelegíti a Föld felszínét, ezzel egyidejűleg felmelegíti a szomszédos levegőt, és konvekcióval megemelkedik. Az ideális gázok (1) egyenletét figyelembe véve kifejezhetjük (dQ = CvdT + pdV) (2) vagy (dQ = CpdT - Vdp) (3), és figyelembe véve az adiabatikus feltételeket (dQ = 0) két hasonló egyenletet kapunk, amelyek megmutatják a függőleges irányban mozgó buborék vagy légcsomag nyomásának, térfogatának és hőmérsékletének változásai közötti kapcsolat. Így egy emelkedő csomagon a nyomás (térfogat) csökkenése következik be, amely hűtést hordoz.

2. ábra: Egy jól fejlett cumulonimbus képe (Meteoreport 2011 AME).

A levegő a figyelembe vett légtömegnek megfelelően különböző arányban tartalmaz vízgőzt. A levegő vízgőztartó képessége a hőmérséklettől függően változik, így minél hidegebb a levegő, annál kisebb mennyiségű vízgőz juthat be. Amikor a légtömeg által támogatható vízgőz felső határát elérjük, kondenzáció keletkezik. Az emelkedő levegő bizonyos relatív páratartalmú és felemelkedő, csökkenti a hőmérsékletét és 100% -ig növeli a relatív páratartalmat (telítettség). Így van egy bizonyos szint, ahol a hőmérséklet miatt, amelyen van, vízcseppek kondenzálódnak, és felhők kezdenek kialakulni.

Ezt a szintet emelő kondenzációs szintnek (LCL) nevezik. Amint a termálok tovább emelkednek, ezek a vízcseppek még mindig függőlegesen képződnek és növekednek, így felhőt alkot (függőleges fejlődési felhőknek is nevezzük). Így sokféle gomolyfelhőt kapunk, a legkisebbeket és a napos időjárás miatt "szép időjárású gomoly" -nak nevezzük. Ha az utómunkálatok erősebbek és több nedvességet tartalmaznak, "alakú torony gomolyfelhőket" kapunk, és ha ezek az áramlatok még súlyosabbak és több nedvességet hordoznak, akkor "cumulonimbus" (2. ábra) képződik, amelyek nagy függőleges felhők olyan fejlődés, amelyen belül a felfrissülés meglehetősen nehéz, így a vízgőz cseppekké alakul át, és ezek a cseppek esőcseppekben és jégesőben (amikor a jégkristályok elkapják a cseppeket, a vizet olyan szinten fagyasztják le, ahol a hőmérséklet jóval 0 ° C alatt van). Ezek a felhők olyan esőt eredményeznek, amely néha viharos és nagy intenzitású, felső fehér színű és karfiol alakú. Gyakran ezek a felhők elérik a tropopauzát, és emelkedésük gátolt, ezért a vízszintesen tágulnak, üllő tetejét formálva.