koncept
konvektion er navnet på et middel til varmeoverførsel, som adskiller sig fra ledning og stråling. Det er også et udtryk, der beskriver processer, der påvirker atmosfæren, vandene og den faste jord. I atmosfæren stiger varm luft på konvektionsstrømme, der cirkulerer og skaber skyer og vinde. Ligeledes cirkulerer konvektion i hydrokfæren vand, hvilket holder temperaturgradienterne i oceanerne stabile., Udtrykket konvektion henviser generelt til bevægelsen af væsker, hvilket betyder væsker og gasser, men i jordvidenskaberne kan konvektion også bruges til at beskrive processer, der forekommer i den faste jord. Denne geologiske konvektion, som det er kendt, driver pladebevægelsen, der er et af de vigtigste aspekter af pladetektonik.
Sådan fungerer det
Introduktion til konvektion
nogle begreber og fænomener krydser disciplinære grænser inden for jordvidenskab, et eksempel er den fysiske konvektionsproces., Det er af samme relevans for forskere, der arbejder inden for geologiske, atmosfærisk, og hydrologiske videnskaber, eller de undersøgelsesområder, der vedrører geosfæren, atmosfære, og hydrosfære, henholdsvis. Den eneste hovedkomponent i jordsystemet, der ikke er direkte påvirket af konvektion, er biosfæren, men i betragtning af den høje grad af sammenkobling mellem forskellige delsystemer, konvektion indirekte påvirker biosfæren i luften, farvande og fast jord.,
Konvektion kan defineres som vertikal cirkulation, at resultaterne fra forskelle i massefylde i sidste ende følge af forskelle i temperatur, og det indebærer overførsel af varme via bevægelse af varm væske fra et sted til et andet. I de fysiske videnskaber henviser udtrykket væske til ethvert stof, der flyder og derfor ikke har nogen bestemt form. Dette betyder normalt væsker og gasser, men i jordvidenskaberne kan det endda henvise til langsomt flydende faste stoffer., Over de store tidsudvidelser, der studeres af jordforskere, kan netstrømmen af faste stoffer under visse omstændigheder (for eksempel is i gletsjere) være betydelig.
konvektion og varme
som angivet i det foregående afsnit er konvektion tæt forbundet med varme og temperatur og indirekte relateret til et andet fænomen, termisk energi. Hvad folk normalt kalder varme er faktisk termisk energi eller kinetisk energi (energien forbundet med bevægelse) produceret af molekyler i bevægelse i forhold til hinanden.,
varme er i sin videnskabelige betydning intern termisk energi, der strømmer fra en krop af stof til en anden eller fra et system ved en højere temperatur til et system ved en lavere temperatur. Temperatur kan således defineres som et mål for den gennemsnitlige molekylære kinetiske energi i et system. Temperatur regulerer også retningen af indre energi Flo.mellem to systemer. To systemer ved samme temperatur siges at være i en tilstand af termisk ligevægt; når dette sker, er der ingen udveksling af varme, og derfor eksisterer varme kun i Overførsel mellem to systemer.,
Der er ikke noget som koldt, kun fraværet af varme. Hvis varme kun eksisterer i transit mellem systemer, følger det, at varmestrømningsretningen altid skal være fra et system ved en højere temperatur til et system ved en lavere temperatur.(Denne kendsgerning er indeholdt i termodynamikens anden lov, som diskuteres sammen med andre emner, der er nævnt her, i energi og jord.) Varmeoverførsel sker på tre måder: ledning, konvektion og stråling.
ledning og stråling.,
Ledning involverer successive molekylære kollisioner og overførsel af varme mellem to legemer i kontakt. Det forekommer normalt i et fast stof. Konvektion kræver bevægelse af væske fra et sted til et andet, og som vi har bemærket, kan det finde sted i en væske, en gas eller et nærstof, der opfører sig som en langsomt flydende væske. Endelig involverer stråling elektromagnetiske bølger og kræver intet fysisk medium, såsom vand eller luft, til overførslen.
Hvis du sætter den ene ende af en metalstang i en ild og derefter berører den “seje” ende et par minutter senere, vil du opdage, at den ikke længere er cool., Dette er et eksempel på opvarmning ved ledning, hvorved kinetisk energi overføres fra molekyle til molekyle på samme måde som en hemmelighed overføres fra en person til en anden langs en linje af mennesker, der står skulder ved skulder. Ligesom den oprindelige formulering af hemmeligheden bliver forvrænget, går noget kinetisk energi uundgåeligt tabt i rækken af overførsler, hvorfor enden af stangen uden for ilden stadig er meget køligere end den, der sidder i flammerne.
hvad angår stråling, skelnes det fra ledning og konvektion på grund af det faktum, at det ikke kræver noget medium til overførsel., Dette forklarer, hvorfor rummet er koldt, men solens stråler varme jorden: strålerne er en form for elektromagnetisk energi, og de rejser ved hjælp af stråling gennem rummet. Rummet er selvfølgelig det virtuelle fravær af et medium, men når man kommer ind i Jordens atmosfære, overføres varmen fra de elektromagnetiske stråler til forskellige medier i atmosfæren, hydrokfæren, geosfæren og biosfæren. Denne varme overføres derefter ved hjælp af konvektion og ledning.
varmeoverførsel gennem konvektion.
som ledning og i modsætning til stråling kræver konvektion et medium., Ved ledning overføres varmen imidlertid fra et molekyle til et andet, mens den opvarmede væske i konvektion faktisk bevæger sig. Som det gør, fjerner eller fortrænger det kold luft i sin vej. Strømmen af opvarmet væske i denne situation kaldes en konvektionsstrøm.
konvektion er af to typer: naturlig og tvungen. Opvarmet luftstigning er et eksempel på naturlig konvektion. Varm luft har en lavere densitet end den køligere luft i atmosfæren over den og er derfor flydende; når den stiger, mister den imidlertid energi og afkøles., Denne afkølede luft, nu tættere end luften omkring den, synker igen og skaber en gentagende cyklus, der genererer vind.
tvungen konvektion opstår, når en pumpe eller anden mekanisme bevæger den opvarmede væske. Eksempler på tvungne konvektionsapparater inkluderer nogle typer ovne og endda køleskabe eller klimaanlæg. Som tidligere nævnt er det kun muligt at overføre varme fra et højtemperaturreservoir til en lav temperatur, og således fungerer disse kølemaskiner ved at fjerne varm luft., Køleskabet trækker varme fra sit rum og udviser det til det omkringliggende rum, mens et klimaanlæg trækker varme fra et rum eller en bygning og frigiver det udefra.
tvungen konvektion involverer ikke nødvendigvis menneskeskabte maskiner: det menneskelige hjerte er en pumpe, og blod bærer overskydende varme genereret af kroppen til huden. Varmen passerer gennem huden ved hjælp af ledning, og på overfladen af huden fjernes den fra kroppen på en række måder, primært ved afkøling af sved.,
virkelige applikationer
konvektive celler
en vigtig konvektionsmekanisme, hvad enten det er i luften, vandet eller endda den faste jord, er den konvektive celle, undertiden kendt som konvektionscellen. Sidstnævnte kan defineres som det cirkulære mønster skabt af stigningen af opvarmet væske og forliset af afkølet væske. Konvektive celler kan kun være et par millimeter på tværs, eller de kan være større end Jorden selv.
disse celler kan observeres på en række skalaer. Inde i en skål suppe stiger opvarmet væske, og afkølet væske falder., Disse processer er normalt svære at se, medmindre den pågældende skål tilfældigvis er en som japansk misosuppe. I dette tilfælde kan stykker sojabønnepasta eller miso observeres, når de stiger, når de opvarmes, og derefter falder ned i det indre, der skal opvarmes igen.
i langt større skala er konvektive celler til stede i solen. Disse store celler vises på Solens overflade som et kornet mønster dannet afvariationer i temperatur mellem cellens dele., De lyse pletter er toppen af stigende konvektionsstrømme, mens de mørke områder er afkølet gas på vej til solens indre, hvor det vil blive opvarmet og stige igen.
en cumulonimbus sky eller “thunderhead” er et særligt dramatisk eksempel på en konvektionscelle. Dette er nogle af de mest slående skyformationer, man nogensinde ser, og af denne grund brugte instruktøren Akira Kurosa .a scener afrolling thunderheads for at tilføje en atmosfærisk kvalitet (helt bogstaveligt) til hans episke løb fra 1985., I løbet af få minutter danner disse lodrette tårne af skyform som opvarmet, fugtig luft stiger, køler derefter og falder. Resultatet er en sky, der synes at legemliggøre både magt og rastløshed, og derfor Kurosawa ‘ s brug af cumulonimbusskyer i en scene, der finder sted på tærsklen til en kamp.
en havbrise.
konvektive celler sammen med konvektionsstrømme hjælper med at forklare, hvorfor der normalt er en brise på stranden. Ved havet er der selvfølgelig en jordoverflade og en vandoverflade, begge udsat for solens lys., Under en sådan eksponering stiger temperaturen på jord hurtigere end vandets. Årsagen er, at vand har en ekstraordinært høj specifik varmekapacitet—det vil sige den mængde varme, der skal tilsættes eller fjernes fra en masseenhed for et givet stof for at ændre dets temperatur med 33, 8 F F (1.c). Således er en sø, strøm eller hav altid et godt sted at køle ned på en varm sommerdag.
landet har tendens til at varme op hurtigere, ligesom luften over det., Denne opvarmede luft stiger i en konvektionsstrøm, men når den stiger og dermed overvinder tyngdekraften, bruger den energi og begynder derfor at afkøle. Den afkølede luft synker derefter. Og sådan går det, med den opvarmede luft stiger og køleluften synker, der danner en konvektiv celle, der kontinuerligt cirkulerer luft, hvilket skaber en brise.
konvektive celler under vores fødder.,
Konvektive celler også kan findes i den faste jord, hvor de forårsager plader (løsøre segmenter) af lithosfæren—det øverste lag af Jordens indre, herunder skorpe og skørt del i toppen af kappen—til at flytte. De spiller således en rolle i pladetektonik, et af de vigtigste studieområder inden for jordvidenskab. Pladetektonik forklarer en række fænomener, lige fra kontinental drift til jordskælv og vulkaner. (Se pladetektonik for meget mere om dette emne.,mens solens elektromagnetiske energi er kilden til varme bag atmosfærisk konvektion, er den energi, der driver geologisk konvektion, geotermisk, der stiger op fra Jordens kerne som følge af radioaktivt henfald. (Se energi og jord.) De konvektive celler danner i asthenosfæren, et område med ekstremt højt tryk i en dybde på omkring 60-215 mi. 100-350 km), hvor klipper deformeres af enorme belastninger.,
i asthenosfæren stiger opvarmet materiale i en konvektionsstrøm, indtil det rammer bunden af litosfæren (det øverste lag af Jordens indre, der omfatter skorpen og toppen af mantlen), ud over hvilket det ikke kan stige. Derfor begynder den at bevæge sig sideværts eller vandret, og når den gør det, trækker den en del af litosfæren. Samtidig skubber dette opvarmede materiale væk køligere, tættere materiale i sin vej. Det køligere materiale synker lavere ind i kappen (det tykke, tætte lag af sten, cirka 1,429 mi., skorpe og kerne), indtil den opvarmes igen og i sidste ende stiger op, hvilket forplantes cyklussen.
bundfald: godt vejr og dårligt
Som med konvektive celler kan bundfald forekomme i atmosfæren eller geosfæren. Udtrykket sænkning kan enten henvise til processen med at aftage fra luft eller fast jord eller, i tilfælde af fast jord, til den resulterende formation. Det defineres således forskelligt som den nedadgående bevægelse af luft, forliset af jorden eller en depression i jorden., I den nuværende sammenhæng vil vi diskutere atmosfærisk nedsynkning, som er tættere forbundet med konvektion. (For mere om geologicsubsidence, se posterne geomorfologi og masse spilde.)
i atmosfæren skyldes nedsynkning en forstyrrelse i den normale opadgående strøm af konvektionsstrømme. Disse strømme kan virke for at oprette en konvektiv celle, som vi har set, hvilket resulterer i strømmen af brise. Vanddampen i luften kan kondensere som det køler, skiftende tilstand til en væske og danner skyer., Konvektion kan skabe et område med lavt tryk, ledsaget af konvergerende vinde, nær jordens overflade, et fænomen kendt som en cyklon. På den anden side, hvis der forekommer bundfald, resulterer det i oprettelsen af et højtryksområde kendt som en anticyklon.
luftpakker fortsætter med at stige i konvektive strømme, indtil tætheden af deres øvre del er lig med den af den omgivende atmosfære, på hvilket tidspunkt luftkolonnen stabiliserer., På den anden side kan nedsynkning forekomme, hvis luft i en højde af flere tusinde fod bliver tættere end den omgivende luft uden nødvendigvis at være køligere eller fugtig. Faktisk er denne luft usædvanlig tør, og det kan være varmt eller koldt. Dens tæthed gør det så synke, og som det gør det komprimererluften omkring den. Resultatet er højt tryk på overfladen og divergerende vinde lige over overfladen.
den her beskrevne form for atmosfærisk nedsynkning giver behagelige resultater og forklarer, hvorfor højtrykssystemer normalt er forbundet med godt vejr., På den anden side, hvis den aftagende luft sætter sig ned på et køligere luftlag, skaber det det, der er kendt som en sænkning af inversion, og resultaterne er meget mindre gavnlige. I denne situation bliver et varmt luftlag fanget mellem køligere lag over og under det, i en højde af flere hundrede eller endda flere tusinde fod. Det betyder, at luftforurening også er fanget, hvilket skaber en potentiel sundhedsfare. Subsidence inversioner forekommer oftest i det fjerne nord om vinteren og i det østlige USA i sensommeren.,
når en ikke-væske virker som en væske
indtil dette punkt har vi primært talt om konvektion i atmosfæren og geosfæren, men det er også vigtigt i oceanerne. Miso suppe eksemplet givet tidligere illustrerer bevægelsen af væske, og dermed af partikler, der kan opstå, når en konvektiv celle er sat op i en væske.
ligeledes holder havets konvektion—drevet både af varme fra overfladen og i større grad af geotermisk energi i bunden—vandet i konstant cirkulation., Oceanisk konvektion resulterer i overførsel af varme gennem dybderne og holder havet stabilt stratificeret. Med andre ord holdes lagene eller lagene svarende til forskellige temperaturniveauer stabile og svinger ikke vildt.
havvand passer til den mest almindelige, daglige definition af væske, men som bemærket i begyndelsen af dette essay kan en væske være alt, hvad der strømmer—herunder en gas eller under særlige omstændigheder et fast stof. Faste klipper eller fast is, i form af gletsjere, kan gøres til at flyde, hvis materialerne deformeres tilstrækkeligt., Dette sker f.eks., når vægten af en gletsjer deformerer is i bunden, hvilket får gletscheren som helhed til at bevæge sig. På samme måde kan geotermisk energi varme rock og få den til at strømme og sætte den konvektive proces af pladetektonik, der er beskrevet tidligere, i bevægelse, som bogstaveligt talt bevæger jorden.
hvor kan man lære mere
Underviservejledning til konvektion (Webebsted). <http://www.solarviews.com/eng/edu/convect.htm>.
Erickson, Jon. Pladetektonik: optrevling af Jordens mysterier. Ne.York: fakta om filen, 1992.Hess, Harry., “Havbassinernes historie” (Webebsted). <http://www-geology.ucdavis.edu/~GEL102/hess/jesse.htm>.Jones, Helen. Åbent hav Dyb konvektion: et felt Guide (hjemmeside). <http://puddle.mit.edu/~helen/oodc.html>.
Ocean Oasis Teacher ‘ s Guide Activity 4 (Webebsted). <http://www.oceanoasis.org/teachersguide/activity4.html>.Santrey, Laurence og Lloyd Birmingham. Opvarmning. MAh ,ah, NJ: Troll Associates, 1985.målscorer, R. S. og Arjen Verkaik. Rummelig Himmel. Newton Abbot, England: David og Charles, 1989.Sigurdsson, Haraldur., Smeltning af jorden: ideernes historie om vulkanudbrud. Ne, York: O .ford University Press, 1999.Smith, David G. The Cambridge Encyclopedia of Earth Sciences. Ne.York: Cambridge University Press, 1981.
nøgleord
asthenosfæren:
et område med ekstremt højt tryk under litosfæren, hvor klipper deformeres af enorme belastninger. Asthenosfæren liggerpå en dybde på omkring 60-215 mi. (ca. 100-350 km).
atmosfære:
generelt er en atmosfære et tæppe af gasser, der omgiver en planet., Medmindre andet er identificeret, men udtrykket refererer til den atmosfære af Jorden, som består af nitrogen (78%), ilt (21%), argon (0.93%), og andre stoffer, der indeholder vanddamp, kuldioxid, ozon og ædle gasser som krypton, der tilsammen udgør 0.07%.
BIOSFÆRE:
En kombination af alle levende ting på Jorden—planter, dyr, fugle, marine liv, insekter, vira, encellede organismer, og så videre—så godt som alle tidligere levende ting, der endnu ikke er nedbrudt.
ledning:
overførsel af varme ved successive molekylære kollisioner., Ledning er det vigtigste middel til varmeoverførsel i faste stoffer, især metaller.
konvektion:
lodret cirkulation, der skyldes forskelle i densitet, der i sidste ende skyldes forskelle i temperatur. Konvektion indebærer overførsel af varme gennem bevægelse af varm væske fra et sted til et andet og er af to typer, naturlig og tvunget. (Se naturlig konvektion, tvungen konvektion. )
KONVEKTIONSSTRØM:
strømmen af materiale opvarmet ved hjælp af konvektion.,
konvektiv celle:
det cirkulære mønster skabt af stigningen af opvarmet væske og forliset af afkølet væske. Dette kaldes undertiden en konvektionscelle.
kerne:
Jordens centrum, et område, der udgør omkring 16% af planetens volumen og 32% af dens masse. Lavet primært af jern og en anden, lettere element (muligvis svovl), er det delt mellem en fast indre kerne med en radius på omkring 760 mi.(1.220 km) og en flydende ydre kerne ca.1.750 mi. (2.820 km) tyk.,
skorpe:
den øverste opdeling af den faste jord, der repræsenterer mindre end 1% af dens volumen og varierer i dybde fra 3 til 37 mi. (5 til 60 km). Under skorpen er mantlen.
væske:
i de fysiske videnskaber henviser udtrykket væske til ethvert stof, der flyder og derfor ikke har nogen bestemt form. Væsker kan være både væsker og gasser. I jordvidenskaberne flyder lejlighedsvis stoffer, der ser ud til at være faste (for eksempel is i gletschere), faktisk langsomt.,
tvungen konvektion:
konvektion, der er resultatet af virkningen af en pumpe eller anden mekanisme (hvad enten det er menneskeskabt eller naturligt), der leder opvarmet væske mod en bestemt destination.
GEOSPHERE:
den øverste del af Jordens kontinentale skorpe eller den del af den faste jord, som mennesker lever på, og som giver dem det meste af deres mad og naturressourcer.
varme:
intern termisk energi, der strømmer fra en krop af stof til en anden.,
hydrosfære:
hele jordens vand, undtagen vanddamp i atmosfæren, men inklusive alle oceaner, søer, vandløb, grundvand, sne og is.
kinetisk energi:
den energi, som et objekt besidder i kraft af dets bevægelse.
litosfære:
det øverste lag af Jordens indre, herunder skorpen og den sprøde del øverst på kappen.
kappe:
det tætte lag af sten, cirka 1,429 mi. (2.300 km) tyk, mellem jordskorpen og dens kerne.,
naturlig konvektion:
konvektion, der skyldes opdrift af opvarmet væske, hvilket får det til at stige.
pladetektonik:
navnet på både en teori og en specialisering af tektonik. Som et studieområde beskæftiger pladetektonik sig med de store træk ved litho-sfæren og de kræfter, der former dem. Som ateori forklarer det de processer, der har formet jorden med hensyn til plader og deres bevægelse.
plader:
store, bevægelige segmenter af litosfæren.,
stråling:
overførsel af energi ved hjælp af elektromagnetiske bølger, som ikke kræver noget fysisk medium (for eksempel vand eller luft) til overførslen. Jorden modtager solens energi via det elektromagnetiske spektrum ved hjælp af stråling.
bundfald:
et udtryk, der enten refererer til processen med at aftage fra luft eller fast jord eller, i tilfælde af fast jord, til den resulterende formation. Nedsynkning således defineres forskelligt som den nedadgående bevægelse af luft, forlis af jorden, eller en depression i jordskorpen.,
SYSTEM:
ethvert sæt interaktioner, der kan adskilles mentalt fra resten af universet med henblik på undersøgelse, observation og måling.
tektonik:
undersøgelsen af tektonisme, herunder dens årsager og virkninger, især bjergbygning.
TEKTONISME:
deformationen af litosfæren.
temperatur:
retningen af den indre energistrøm mellem to systemer, når varme overføres. Temperaturen måler den gennemsnitlige molekylære kinetiske energi i transit mellem disse systemer.,
termisk energi:
varmeenergi, en form for kinetisk energi produceret ved bevægelse af atom-eller molekylære partikler i forhold til hinanden. Jo større den relative bevægelse af disse partikler er, desto større er den termiske energi.
