CONCEPT
La Convection est le nom d’un moyen de transfert de chaleur, tel qu’il se distingue de la conduction et du rayonnement. C’est aussi un terme qui décrit les processus affectant l’atmosphère, les eaux et la terre solide. Dans l’atmosphère, l’air chaud monte sur les courants de convection, circulant et créant des nuages et des vents. De même, la convection dans l’hydrosphère fait circuler l’eau, maintenant les gradients de température des océans stables., Le terme convection fait généralement référence au mouvement des fluides, c’est-à-dire des liquides et des gaz, mais dans les sciences de la terre, la convection peut également être utilisée pour décrire les processus qui se produisent dans la terre solide. Cette convection géologique, comme on le sait, entraîne le mouvement des plaques qui est l’un des aspects clés de la tectonique des plaques.
comment cela fonctionne
Introduction à la Convection
certains concepts et phénomènes traversent les frontières disciplinaires dans les sciences de la terre, un exemple étant le processus physique de la convection., Il est tout aussi pertinent pour les scientifiques travaillant dans les sciences géologiques, atmosphériques et hydrologiques, ou les domaines d’étude concernés par la géosphère, l’atmosphère et l’hydrosphère, respectivement. La seule composante majeure du système terrestre qui n’est pas directement affectée par la convection est la biosphère, mais étant donné le degré élevé d’interconnexion entre différents sous-systèmes, la convection affecte indirectement la Biosphère dans l’air, les eaux et la terre solide.,
La Convection peut être définie comme une circulation verticale résultant de différences de densité provoquées finalement par des différences de température, et elle implique le transfert de chaleur par le mouvement du fluide chaud d’un endroit à un autre. Dans les sciences physiques, le terme fluide se réfère à toute substance qui coule et n’a donc pas de forme définie. Cela signifie généralement des liquides et des gaz, mais dans les sciences de la terre, il peut même se référer à des solides à écoulement lent., Au cours des grandes étendues de temps étudiées par les scientifiques de la terre, le flux net de solides dans certaines circonstances (par exemple, la glace dans les glaciers) peut être important.
Convection et chaleur
comme indiqué dans le paragraphe précédent, la convection est étroitement liée à la chaleur et à la température et indirectement liée à un autre phénomène, l’énergie thermique. Ce que les gens appellent normalement la chaleur est en fait l’énergie thermique, ou l’énergie cinétique (l’énergie associée au mouvement) produite par des molécules en mouvement les unes par rapport aux autres.,
la chaleur, dans son sens scientifique, est l’énergie thermique interne qui circule d’un corps de matière à un autre ou d’un système à une température plus élevée à un système à une température plus basse. La température peut donc être définie comme une mesure de l’énergie cinétique moléculaire moyenne d’un système. La température régit également la direction du flux d’énergie interne entre deux systèmes. On dit que deux systèmes à la même température sont dans un État d’équilibre thermique; lorsque cela se produit, il n’y a pas d’échange de chaleur, et donc la chaleur n’existe que dans le transfert entre deux systèmes.,
Il n’y a pas de froid, seulement l’absence de chaleur. Si la chaleur n’existe qu’en transit entre les systèmes, il s’ensuit que la direction du flux de chaleur doit toujours être d’un système à une température plus élevée à un système à une température plus basse.(Ce fait est incarné dans la deuxième loi de la thermodynamique, qui est discutée, avec d’autres sujets mentionnés ici, dans L’énergie et la Terre.) Le transfert de chaleur se fait par trois moyens: la conduction, la convection et le rayonnement.
CONDUCTION et rayonnement.,
la Conduction implique des collisions moléculaires successives et le transfert de chaleur entre deux corps en contact. Il se produit généralement dans un solide. La Convection nécessite le mouvement du fluide d’un endroit à un autre et, comme nous l’avons noté, elle peut avoir lieu dans un liquide, un gaz ou un solide proche qui se comporte comme un fluide à écoulement lent. Enfin, le rayonnement implique des ondes électromagnétiques et ne nécessite aucun milieu physique, tel que l’eau ou l’air, pour le transfert.
Si vous mettez une extrémité d’une tige de métal dans un incendie, et puis touchez le « cool » fin quelques minutes plus tard,, vous trouverez qu’il n’est plus cool., Ceci est un exemple de chauffage par conduction, par lequel l’énergie cinétique est transmise de la molécule à molécule de la même manière qu’un secret est transmis d’une personne à l’autre le long d’une ligne de gens debout, épaule contre épaule. Tout comme le phrasé original du secret devient brouillé, une certaine énergie cinétique est inévitablement perdue dans la série de transferts, c’est pourquoi l’extrémité de la tige à l’extérieur du feu est encore beaucoup plus froide que celle assise dans les flammes.
quant au rayonnement, il se distingue de la conduction et de la convection par le fait qu’il ne nécessite aucun milieu pour son transfert., Cela explique pourquoi l’espace est froid mais les rayons du soleil réchauffent la terre: les rayons sont une forme d’énergie électromagnétique, et ils voyagent au moyen de rayonnement à travers l’espace. L’espace, bien sûr, est la quasi-absence d’un milieu, mais en entrant dans l’atmosphère terrestre, la chaleur des rayons électromagnétiques est transférée à divers milieux dans l’atmosphère, l’hydrosphère, la géosphère et la biosphère. Cette chaleur est ensuite transférée par convection et conduction.
transfert de chaleur par CONVECTION.
comme la conduction et contrairement au rayonnement, la convection nécessite un milieu., Cependant, dans la conduction, la chaleur est transférée d’une molécule à une autre, alors que dans la convection, le fluide chauffé lui-même se déplace réellement. Comme il le fait, il élimine ou déplace l’air froid sur son passage. L’écoulement du fluide chauffé dans cette situation est appelé un courant de convection.
la Convection est de deux types: naturelle et forcée. La montée de l’air chauffé est un exemple de convection naturelle. L’air chaud a une densité inférieure à celle de l’air plus froid dans l’atmosphère au-dessus de lui et est donc flottant; comme il monte, cependant, il perd de l’énergie et se refroidit., Cet air refroidi, maintenant plus dense que l’air qui l’entoure, coule à nouveau, créant un cycle répétitif qui génère du vent.
La convection forcée se produit lorsqu’une pompe ou un autre mécanisme déplace le fluide chauffé. Des exemples d’appareils à convection forcée comprennent certains types de fours et même des réfrigérateurs ou des climatiseurs. Comme indiqué précédemment, il est possible de transférer la chaleur uniquement d’un réservoir à haute température vers un réservoir à basse température, et ainsi ces machines de refroidissement fonctionnent en éliminant l’air chaud., Le réfrigérateur tire la chaleur de son compartiment et l’expulse vers la pièce environnante, tandis qu’un climatiseur tire la chaleur d’une pièce ou d’un bâtiment et la libère vers l’extérieur.
La convection forcée n’implique pas nécessairement des machines artificielles: le cœur humain est une pompe et le sang transporte l’excès de chaleur généré par le corps vers la peau. La chaleur traverse la peau au moyen de la conduction, et à la surface de la peau, il est retiré du corps de plusieurs façons, principalement par l’évaporation de refroidissement de la transpiration.,
APPLICATIONS réelles
cellules convectives
un mécanisme important de convection, que ce soit dans l’air, l’eau ou même la terre solide, est la cellule convective, parfois appelée cellule de convection. Ce dernier peut être défini comme le motif circulaire créé par la montée du fluide réchauffé et l’enfoncement du fluide refroidi. Les cellules convectives peuvent ne mesurer que quelques millimètres ou être plus grandes que la Terre elle-même.
Ces cellules peuvent être observées sur un certain nombre d’échelles. À l’intérieur d’un bol de soupe, le liquide chauffé monte et le liquide refroidi tombe., Ces processus sont généralement difficiles à voir à moins que le plat en question se trouve être un tel que la soupe miso Japonaise. Dans ce cas, des morceaux de pâte de soja, ou miso, peuvent être observés lorsqu’ils montent lorsqu’ils sont chauffés, puis tombent à l’intérieur pour être chauffés à nouveau.
à une échelle beaucoup plus grande, les cellules convectives sont présentes dans le soleil. Ces vastes cellules apparaissent à la surface du soleil comme un motif granuleux formé par les variations de température entre les parties de la cellule., Les points lumineux sont au sommet des courants de convection ascendants, tandis que les zones sombres sont refroidies gaz sur son chemin vers l’intérieur solaire, où il sera chauffé et remonter.
un nuage de cumulonimbus, ou « tête de tonnerre », est un exemple particulièrement spectaculaire de cellule de convection. Ce sont quelques-unes des formations de nuages les plus frappantes que l’on ait jamais vues, et pour cette raison, le réalisateur Akira Kurosawa a utilisé des scènes de têtes de tonnerre roulantes pour ajouter une qualité atmosphérique (littéralement) à son épopée de 1985., En quelques minutes seulement, ces tours verticales de nuages se forment alors que l’air chaud et humide monte, puis se refroidit et tombe. Le résultat est un nuage qui semble incarner à la fois le pouvoir et l’agitation, d’où L’utilisation de nuages de cumulonimbus par Kurosawa dans une scène qui se déroule à la veille d’une bataille.
une brise de mer.
Les cellules convectives, ainsi que les courants de convection, aident à expliquer pourquoi il y a généralement une brise à la plage. Au bord de la mer, bien sûr, il y a une surface terrestre et une surface d’eau, toutes deux exposées à la lumière du Soleil., Sous une telle exposition, la température de la Terre augmente plus rapidement que celle de l’eau. La raison en est que l’eau a une capacité thermique spécifique extraordinairement élevée—c’est-à-dire la quantité de chaleur qui doit être ajoutée ou retirée d’une unité de masse pour qu’une substance donnée change sa température de 33,8°F (1°C). Ainsi, un lac, un ruisseau, ou l’océan est toujours un bon endroit pour se rafraîchir par une chaude journée d’été.
la terre a donc tendance à chauffer plus rapidement, tout comme l’air au-dessus., Cet air chauffé monte dans un courant de convection, mais comme il monte et surmonte ainsi l’attraction de la gravité, il dépense de l’énergie et commence donc à refroidir. L’air refroidi coule alors. Et il en va ainsi, avec l’air chauffé qui monte et l’air de refroidissement qui coule, formant une cellule convective qui fait circuler continuellement l’air, créant une brise.
cellules convectives sous nos pieds.,
des cellules convectives peuvent également exister dans la terre solide, où elles provoquent le déplacement des plaques (segments mobiles) de la lithosphère—La couche supérieure de l’intérieur de la Terre, y compris la croûte et la partie cassante au sommet du manteau. Ils jouent ainsi un rôle dans la tectonique des plaques, l’un des domaines d’étude les plus importants des sciences de la terre. La tectonique des plaques explique une variété de phénomènes, allant de la dérive des continents aux tremblements de terre et aux Volcans. (Voir tectonique des plaques pour beaucoup plus sur ce sujet.,)
alors que L’énergie électromagnétique du Soleil est la source de chaleur derrière la convection atmosphérique, l’énergie qui entraîne la convection géologique est géothermique, s’élevant du cœur de la Terre à la suite de la désintégration radioactive. (Voir l’Énergie et de la Terre.) La convection cellules forment dans l’asthénosphère, une région de très haute pression à une profondeur d’environ 60-215 mi. (environ 100-350 km), où les roches sont déformées par d’énormes contraintes.,
dans l’asthénosphère, la matière chauffée monte dans un courant de convection jusqu’à atteindre le fond de la lithosphère (La couche supérieure de l’intérieur de la terre, comprenant la croûte et le sommet du manteau), au-delà de laquelle elle ne peut pas s’élever. Par conséquent, il commence à se déplacer latéralement ou horizontalement, et ce faisant, il entraîne une partie de la lithosphère. En même temps, ce matériau chauffé repousse un matériau Plus frais et plus dense sur son passage. Le matériau plus froid s’enfonce plus bas dans le manteau (la couche épaisse et dense de roche, environ 1 429 mi., épais, entre la croûte terrestre et le noyau) jusqu’à ce qu’il chauffe à nouveau et finalement Monte, propageant ainsi le cycle.
Subsidence: beau temps et nauséabond
comme pour les cellules convectives, l’affaissement peut se produire dans l’atmosphère ou la géosphère. Le terme subsidence peut se référer soit au processus d’affaissement, de la part de l’air ou de la terre solide, soit, dans le cas de la terre solide, à la formation résultante. Il est ainsi défini diversement comme le mouvement vers le bas de l’air, le naufrage du sol, ou une dépression dans la terre., Dans le contexte actuel, nous discuterons de la subsidence atmosphérique, qui est plus étroitement liée à la convection. (Pour en savoir plus sur geologicsubsidence, voir les entrées Géomorphologie et gaspillage de masse.)
dans l’atmosphère, la subsidence résulte d’une perturbation du flux ascendant normal des courants de convection. Ces courants peuvent agir pour mettre en place une cellule convective, comme nous l’avons vu, entraînant l’écoulement de la brise. La vapeur d’eau dans l’air peut se condenser en refroidissant, changeant d’état en liquide et formant des nuages., La Convection peut créer une zone de basse pression, accompagnée de vents convergents, près de la surface de la Terre, un phénomène connu sous le nom de cyclone. D’autre part, si un affaissement se produit, il se traduit par la création d’une zone de haute pression connue sous le nom d’anticyclone.
Les parcelles d’Air continuent de monter en courants convectifs jusqu’à ce que la densité de leur partie supérieure soit égale à celle de l’atmosphère environnante, point auquel la colonne d’air se stabilise., D’autre part, l’affaissement peut se produire si l’air à une altitude de plusieurs milliers de pieds devient plus dense que l’air environnant sans nécessairement être plus frais ou plus humide. En fait, cet air est exceptionnellement sec, et il peut être chaud ou froid. Sa densité le fait alors couler et, comme il le fait, il comprime l’air autour de lui. Le résultat est une pression élevée à la surface et des vents divergents juste au-dessus de la surface.
la forme de subsidence atmosphérique décrite ici produit des résultats agréables, expliquant pourquoi les systèmes à haute pression sont généralement associés à un beau temps., D’un autre côté, si l’air qui s’affaisse se dépose sur une couche d’air plus froide, cela crée ce qu’on appelle une inversion de subsidence, et les résultats sont beaucoup moins bénéfiques. Dans cette situation, une couche d’air chaud est emprisonnée entre des couches plus froides au-dessus et au-dessous, à une hauteur de plusieurs centaines, voire plusieurs milliers de pieds. Cela signifie que la pollution de l’air est également piégée, créant un danger potentiel pour la santé. Les inversions de Subsidence se produisent le plus souvent dans le Grand Nord pendant l’hiver et dans l’est des États-Unis à la fin de l’été.,
Lorsqu’un non-fluide agit comme un fluide
Jusqu’à présent, nous avons parlé principalement de convection dans l’atmosphère et la géosphère, mais elle est également importante dans les océans. L’exemple de soupe miso donné précédemment illustre le mouvement de fluide, et donc de particules, qui peut se produire lorsqu’une cellule convective est mise en place dans un liquide.
de même, dans l’océan, La convection—entraînée à la fois par la chaleur de la surface et, dans une plus grande mesure, par l’énergie géothermique au fond—maintient les eaux en circulation constante., La convection océanique entraîne le transfert de chaleur dans les profondeurs et maintient l’océan stratifié de manière stable. En d’autres termes, les strates, ou couches, correspondant à différents niveaux de température sont maintenues stables et ne fluctuent pas de manière extravagante.
Les eaux océaniques correspondent à la définition la plus courante et la plus courante du fluide, mais comme indiqué au début de cet essai, un fluide peut être tout ce qui coule—y compris un gaz ou, dans des circonstances particulières, un solide. Des roches solides ou de la glace solide, sous forme de glaciers, peuvent s’écouler si les matériaux sont suffisamment déformés., Cela se produit, par exemple, lorsque le poids d’un glacier déforme la glace au fond, provoquant ainsi le mouvement du glacier dans son ensemble. De même, l’énergie géothermique peut chauffer la roche et la faire couler, mettant en mouvement le processus convectif de la tectonique des plaques, décrit précédemment, qui déplace littéralement la terre.
où en savoir plus
Guide de L’éducateur sur la Convection (site Web). <http://www.solarviews.com/eng/edu/convect.htm>.
Erickson, Jon. Tectonique des plaques: percer les mystères de la Terre. New York: faits au dossier, 1992.
Hess, Harry., « Histoire des bassins océaniques » (site Web). <http://www-geology.ucdavis.edu/~GEL102/hess/jesse.htm>.
Jones, Helen. Convection profonde En plein Océan: Guide de terrain (site Web). <http://puddle.mit.edu/~helen/oodc.html>.
Guide de L’enseignant de L’Oasis Océanique activité 4 (site Web). <http://www.oceanoasis.org/teachersguide/activity4.html>.
Santrey, Laurence et Lloyd Birmingham. Chaleur. Il s’agit d’un jeu vidéo de type « Troll Associates », sorti en 1985.
buteur, R. S., et Arjen Verkaik. Ciel Spacieux. Newton Abbot, Angleterre: David et Charles, 1989.
Sigurdsson, Haraldur., Fondre la Terre: L’histoire des idées sur les éruptions volcaniques. New York: Oxford University Press, 1999.il s’agit de la première édition de L’Encyclopédie des sciences de la Terre. New York: Cambridge University Press, 1981.
termes clés
asthénosphère:
région de très haute pression sous-jacente à la lithosphère, où les roches sont déformées par d’énormes contraintes. L’asthénosphère lieà une profondeur d’environ 60-215 mi. (environ100-350 km).
atmosphère:
en général, une atmosphère est une couverture de gaz entourant une planète., Sauf indication contraire, cependant, le terme se réfère à l’atmosphère de la Terre, qui se compose d’azote (78%), d’oxygène (21%), d’argon (0,93%) et d’autres substances qui comprennent la vapeur d’eau, le dioxyde de carbone, l’ozone et les gaz nobles tels que le néon, qui représentent ensemble 0,07%.
biosphère:
Une combinaison de tous les êtres vivants sur Terre—plantes, animaux, oiseaux, vie marine, insectes, virus, organismes unicellulaires, etc.-ainsi que de tous les êtres vivants qui ne se sont pas encore décomposés.
CONDUCTION:
transfert de chaleur par collisions moléculaires successives., La Conduction est le principal moyen de transfert de chaleur dans les solides, en particulier les métaux.
CONVECTION:
circulation verticale qui résulte de différences de densité finalement provoquées par des différences d’intempérature. La Convection implique le transfert de chaleur par le mouvement du fluide chaud d’un endroit à un autre et est de deux types, naturel et forcé. (Voir convection naturelle, convection forcée. )
courant de CONVECTION:
le flux de matériau chauffé par convection.,
cellule CONVECTIVE:
le motif circulaire créé par la montée du fluide réchauffé et l’enfoncement du fluide refroidi. Ceci est parfois appelé une cellule de convection.
noyau:
le centre de la Terre, une zone constituant environ 16% du volume de la planète et 32% de sa masse. Fait principalement de fer et d’un autre élément plus léger (éventuellement du soufre), il est divisé entre un noyau interne solide d’un rayon d’environ 760 mi.(1 220 km) et un noyau externe liquide d’environ 1 750 mi. (2 820 km) d’épaisseur.,
croûte:
la division la plus haute de la terre solide, représentant moins de 1% de son volume et variant en profondeur de 3 à 37 mi. (5 à 60 km). Au-dessous de la croûte et le manteau.
fluide:
dans les sciences physiques, le terme fluide désigne toute substance qui coule et n’a donc pas de forme définie. Les fluides peuvent être à la fois liquides et gazeux. Dans les sciences de la terre, il arrive que des substances qui semblent solides (par exemple, la glace dans les glaciers) coulent lentement.,
CONVECTION forcée:
Convection qui résulte de l’action d’une pompe ou d’un autre mécanisme (artificiel ou naturel), dirigeant le fluide chauffé vers une destination particulière.
géosphère:
la partie supérieure de la croûte continentale de la terre, ou la partie de la terre solide sur laquelle vivent les êtres humains et qui leur fournit la plupart de leur nourriture et de leurs ressources naturelles.
chaleur:
énergie thermique interne qui circule d’un corps de matière à un autre.,
hydrosphère:
l’ensemble de l’eau de la Terre, à l’exclusion de la vapeur d’eau dans l’atmosphère, mais incluant tous les océans, lacs, cours d’eau, eaux souterraines, neige et glace.
énergie cinétique:
l’énergie qu’un objet possède en vertu de son mouvement.
lithosphère:
la couche supérieure de l’intérieur de la Terre, y compris la croûte et la partie cassante au sommet du manteau.
manteau:
la couche dense de roche, environ 1 429 mi. (2 300 km) d’épaisseur, entre la croûte terrestre et son noyau.,
CONVECTION naturelle:
Convection qui résulte de la flottabilité du fluide chauffé, ce qui le fait monter.
tectonique des plaques:
le nom à la fois d’une théorie et d’une spécialisation de la tectonique. En tant que domaine d’étude, la tectonique des plaques traite des grandes caractéristiques de la litho-sphère et des forces qui les façonnent. En tant qu’athée, il explique les processus qui ont façonné la Terre en termes de plaques et de leur mouvement.
plaques:
grands segments mobiles de la lithosphère.,
rayonnement:
le transfert d’énergie au moyen d’ondes électromagnétiques, qui ne nécessitent aucun milieu physique (par exemple, l’eau ou l’air) pour le transfert. La terre reçoit l’énergie du Soleil par le spectre électromagnétique par rayonnement.
SUBSIDENCE:
terme qui désigne soit le processus d’affaissement, de la part de l’air ou de la terre solide, soit, dans le cas de la terre solide, la formation résultante. La Subsidence est ainsi définie comme le mouvement vers le bas de l’air, l’enfoncement du sol ou une dépression dans la croûte terrestre.,
système:
tout ensemble d’interactions qui peut être séparé mentalement du reste de l’univers à des fins d’étude, d’observation et de mesure.
tectonique:
l’étude du tectonisme, y compris ses causes et ses effets, notamment la construction de montagnes.
TECTONISME:
la déformation de la lithosphère.
température:
direction du flux d’énergie interne entre deux systèmes lorsque la chaleur est transférée. La température mesure l’énergie cinétique moléculaire moyenne en transit entre ces systèmes.,
énergie thermique:
énergie thermique, une forme d’énergie cinétique produite par le mouvement de particules atomiques ou moléculaires les unes par rapport aux autres. Plus le mouvement relatif de ces particules est grande, plus l’énergie thermique.
