CONCEPT
a konvekció a hőátadás egyik eszközének neve, a vezetéstől és a sugárzástól megkülönböztetve. Ez egy olyan kifejezés is, amely a légkört, a vizeket és a szilárd földet érintő folyamatokat írja le. A légkörben a konvekciós áramlatokon forró levegő áramlik, ami felhőket és széleket hoz létre. Hasonlóképpen, a hidroszférában a konvekció kering a vízben, stabilan tartva az óceánok hőmérsékleti gradienseit., A konvekció kifejezés általában folyadékok, azaz folyadékok és gázok mozgására utal, de a földtudományokban a konvekció a szilárd földön előforduló folyamatok leírására is használható. Ez a geológiai konvekció, mint ismeretes, meghajtja a lemez mozgását, amely a lemeztektonika egyik legfontosabb szempontja.
hogyan működik
Bevezetés a Konvekcióba
egyes fogalmak és jelenségek a földtudományokon belüli fegyelmi határokat keresztezik, erre példa a konvekció fizikai folyamata., Azonos jelentőséggel bír a geológiai, légköri és hidrológiai tudományokban dolgozó tudósok, vagy a geoszféra, a légkör és a hidroszféra területeivel kapcsolatos tanulmányok. A konvekció által közvetlenül nem érintett földrendszer egyetlen fő összetevője a bioszféra, de tekintettel a különböző alrendszerek közötti nagyfokú összekapcsolódásra, a konvekció közvetetten befolyásolja a levegő, a vizek és a szilárd föld bioszféráját.,
konvekciós lehet meghatározni, mint a függőleges keringés, ami a különbségek a sűrűség végül által előidézett hőmérséklet-különbségek, és ez magában foglalja a hőátadás révén a mozgás a forró folyadék egyik helyről a másikra. A fizikai tudományokban a folyadék kifejezés minden olyan anyagra utal, amely áramlik, ezért nincs határozott alakja. Ez általában folyadékokat és gázokat jelent, de a földtudományokban még a lassan áramló szilárd anyagokra is utalhat., A földtudósok által vizsgált nagy kiterjedésű idő alatt a szilárd anyagok nettó áramlása bizonyos körülmények között (például jég a gleccserekben) jelentős lehet.
konvekció és hő
az előző bekezdésben leírtak szerint a konvekció szorosan kapcsolódik a hőhöz és a hőmérséklethez, és közvetetten kapcsolódik egy másik jelenséghez, a hőenergiához. Amit az emberek általában hőnek neveznek, valójában hőenergia vagy kinetikus energia (a mozgáshoz kapcsolódó energia), amelyet a mozgásban lévő molekulák egymáshoz képest termelnek.,
a hő tudományos értelemben olyan belső hőenergia, amely az anyag egyik testéből a másikba áramlik, vagy egy magasabb hőmérsékletű rendszerből egy alacsonyabb hőmérsékletű rendszerbe. A hőmérséklet tehát meghatározható egy rendszer átlagos molekuláris kinetikus energiájának méréseként. A hőmérséklet szabályozza a két rendszer közötti belső energiaáramlás irányát is. Két azonos hőmérsékletű rendszerről azt mondják, hogy termikus egyensúlyi állapotban van; amikor ez megtörténik, nincs hőcsere, ezért a hő csak két rendszer közötti átvitelben létezik.,
nincs olyan dolog, mint a hideg, csak a hő hiánya. Ha a hő csak a rendszerek közötti tranzitban létezik, akkor ebből következik, hogy a hőáramlás irányának mindig magasabb hőmérsékletű rendszertől alacsonyabb hőmérsékletű rendszerig kell lennie.(Ezt a tényt a termodinamika második törvénye testesíti meg, amelyet az itt említett egyéb témákkal együtt az energia és a Föld is tárgyal.) A hőátadás három módon történik: vezetőképesség, konvekció és sugárzás.
vezetőképesség és sugárzás.,
a vezetőképesség egymást követő molekuláris ütközéseket és a két érintkező test közötti hőátadást foglalja magában. Általában szilárd állapotban fordul elő. A konvekció megköveteli a folyadék mozgását egyik helyről a másikra, és amint azt már megjegyeztük, folyadékban, gázban vagy közel szilárd anyagban történhet, amely úgy viselkedik, mint egy lassan áramló folyadék. Végül a sugárzás elektromágneses hullámokat tartalmaz, és nem igényel fizikai közeget, például vizet vagy levegőt az átvitelhez.
Ha egy fémrúd egyik végét tűzbe helyezi, majd néhány perccel később megérinti a “hűvös” végét, akkor azt találja, hogy már nem hűvös., Ez egy példa a vezetéssel történő fűtésre, amelynek során a kinetikus energiát molekuláról molekulára továbbítják ugyanúgy, mint egy titkot az egyik személyről a másikra a vállról vállra álló emberek vonala mentén. Ahogy a titok eredeti megfogalmazása elrontódik, bizonyos kinetikus energia elkerülhetetlenül elvész a transzferek sorozatában, ezért a rúd vége a tűzön kívül még mindig sokkal hűvösebb, mint a lángokban ülõ.
ami a sugárzást illeti, megkülönböztethető a vezetéstől és a konvekciótól, mivel az átvitelhez nincs szükség közegre., Ez magyarázza, hogy miért hideg a tér, mégis a nap sugarai meleg föld: a sugarak egyfajta elektromágneses energia, és utaznak útján sugárzás az űrben. A tér természetesen a közeg virtuális hiánya, de a Föld légkörébe való belépéskor az elektromágneses sugarak hője a légkör, a hidroszféra, a geoszféra és a bioszféra különböző médiumaiba kerül. Ezt a hőt ezután konvekcióval és vezetéssel továbbítják.
hőátadás KONVEKCIÓN keresztül.
a vezetőképességhez hasonlóan és a sugárzástól eltérően a konvekció közeget igényel., A vezetésben azonban a hő átkerül az egyik molekuláról a másikra, míg konvekcióban maga a fűtött folyadék ténylegesen mozog. Mint ez, eltávolítja vagy kiszorítja a hideg levegőt az útjába. A fűtött folyadék áramlását ebben a helyzetben konvekciós áramnak nevezik.
a konvekció kétféle: természetes és kényszerített. A fűtött levegő emelkedése a természetes konvekció példája. A forró levegő sűrűsége kisebb, mint a felette lévő légkörben lévő hűvösebb levegőé, ezért felhajtóereje van; emelkedésével azonban elveszíti az energiát és lehűl., Ez a hűtött levegő, amely most sűrűbb, mint a körülötte lévő levegő, ismét elsüllyed, ismétlődő ciklust hozva létre, amely szél keletkezik.
kényszerített konvekció akkor fordul elő, amikor egy szivattyú vagy más mechanizmus mozgatja a fűtött folyadékot. A kényszerű konvekciós készülékek példái közé tartoznak bizonyos típusú sütők, sőt hűtőszekrények vagy légkondicionálók. Mint korábban említettük, a hőt csak egy magas hőmérsékletű tartályból lehet alacsony hőmérsékletre átvinni, így ezek a hűtőgépek a forró levegő eltávolításával működnek., A hűtőszekrény kihúzza a hőt a rekeszéből, majd a környező helyiségbe juttatja, míg a légkondicionáló hőt húz ki egy helyiségből vagy épületből, majd kifelé engedi.
a kényszerített konvekció nem feltétlenül jár ember által készített gépekkel: az emberi szív egy szivattyú,a vér pedig a test által a bőrbe generált felesleges hőt hordozza. A hő vezetéssel áthalad a bőrön, a bőr felszínén pedig számos módon eltávolítják a testből, elsősorban az izzadás hűtési párolgásával.,
valós alkalmazások
konvektív sejtek
a konvekció egyik fontos mechanizmusa, akár a levegőben, a vízben, akár a szilárd földön, a konvekciós sejt, néha konvekciós sejtként ismert. Ez utóbbit úgy lehet definiálni, mint a felmelegített folyadék felemelkedése és a lehűtött folyadék süllyedése által létrehozott kör alakú mintát. A konvektív sejtek csak néhány milliméter lehetnek, vagy nagyobbak lehetnek, mint maga a Föld.
Ezek a sejtek számos skálán megfigyelhetők. Egy tál leves belsejében fűtött folyadék emelkedik, hűtött folyadék csepp., Ezeket a folyamatokat általában nehéz látni, kivéve, ha a szóban forgó étel olyan, mint a japán miso leves. Ebben az esetben a szójabab paszta vagy miso darabjai megfigyelhetők, amikor felmelegednek, majd leesnek a belső térbe, hogy újra felmelegedjenek.
lényegesen nagyobb léptékben konvektív sejtek vannak jelen a napban. Ezek a hatalmas sejtek a Nap felszínén szemcsés mintaként jelennek meg, amelyet a sejt egyes részei közötti hőmérsékletváltozások alkotnak., A fényes foltok az emelkedő konvekciós áramlatok teteje, míg a sötét területek lehűtik a gázt a nap belsejébe vezető úton, ahol felmelegszik, majd újra felemelkedik.
a cumulonimbus felhő, vagy” thunderhead, ” egy különösen drámai példa a konvekciós cellára. Ezek egyike a valaha látott legszembetűnőbb felhőképződményeknek, ezért Akira Kurosawa rendező a mennydörgésfejek jeleneteit használta fel, hogy légköri minőséget (szó szerint) adjon az 1985-ös eposzához., Néhány perc alatt ezek a függőleges felhőtornyok felmelegednek, nedves levegő emelkedik, majd lehűl és leesik. Az eredmény egy felhő, amely úgy tűnik, hogy mind a hatalmat, mind a nyugtalanságot megtestesíti, ezért Kurosawa a kumulonimbus felhőket egy csata előestéjén zajló jelenetben használja.
tengeri szellő.
a konvekciós sejtek, valamint a konvekciós áramok segítenek megmagyarázni, hogy miért van általában szél a tengerparton. A tengerparton természetesen van egy földfelszín és egy vízfelület, mindkettő a nap fényének van kitéve., Ilyen expozíció esetén a föld hőmérséklete gyorsabban emelkedik, mint a vízé. Ennek oka az, hogy a víz rendkívül magas fajlagos hőkapacitással rendelkezik—vagyis az a hőmennyiség, amelyet egy adott anyag tömegegységéhez hozzá kell adni vagy el kell távolítani, hogy hőmérséklete 33,8°F-kal (1°C) megváltozzon. Így egy tó, patak vagy óceán mindig jó hely a lehűlésre egy forró nyári napon.
ezután a föld gyorsabban felmelegszik, mint a fölötte lévő levegő., Ez a fűtött levegő konvekciós áramban emelkedik, de ahogy emelkedik, és így legyőzi a gravitáció húzását, energiát költ, ezért lehűlni kezd. A lehűtött levegő ezután süllyed. Így megy ez, a felmelegített levegő felemelkedésével és a hűtőlevegő süllyedésével, konvektív cellát képezve, amely folyamatosan kering a levegőben, szellőt hozva létre.
konvektív sejtek a lábunk alatt.,
konvektív sejtek is létezhetnek a szilárd földben, ahol a litoszféra lemezeit (mozgatható szegmenseit)—a Föld belsejének felső rétegét, beleértve a kéreget és a köpeny tetején lévő törékeny részt—eltolódnak. Így szerepet játszanak a lemeztektonikában, amely a földtudományok egyik legfontosabb tanulmányi területe. A lemeztektonika számos jelenséget megmagyaráz, kezdve a kontinentális sodródástól a földrengésekig és a vulkánokig. (Lásd lemeztektonika sokkal többet ebben a témában.,)
míg a Nap elektromágneses energiája a hőforrás a légköri konvekció mögött, a geológiai konvekciót hajtó energia geotermikus, amely a radioaktív bomlás következtében emelkedik fel a Föld magjából. (Lásd: Energia és föld.) A konvektív sejtek az asztenoszférában alakulnak ki, rendkívül nagy nyomású régióban, körülbelül 60-215 mi mélységben. (körülbelül 100-350 km), ahol a sziklákat hatalmas feszültségek deformálják.,
az asztenoszférában a fűtött anyag konvekciós áramban emelkedik, amíg el nem éri a litoszféra alját (a Föld belsejének felső rétegét, amely a kéregből és a köpeny tetejéből áll), amelyen túl nem emelkedhet. Ezért oldalirányban vagy vízszintesen mozog, és ahogy ez megtörténik, a litoszféra egy részét is magával rántja. Ugyanakkor ez a fűtött anyag eltolja a hűvösebb, sűrűbb anyagot az útjába. A hűvösebb anyag leereszkedik a köpenybe (a vastag, sűrű kőzetréteg, körülbelül 1,429 mi., vastag, a földkéreg és a mag között), amíg újra felmelegszik, és végül fel nem emelkedik, ezáltal szaporítva a ciklust.
Subsidence: Fair Weather and would
a konvektív sejtekhez hasonlóan a légkörben vagy a geoszférában is előfordulhat Süllyedés. A süllyedés kifejezés utalhat a süllyedés folyamatára, a levegő vagy a szilárd föld részéről, vagy szilárd föld esetén a keletkező képződésre. Így különféle módon definiálják a levegő lefelé irányuló mozgását, a talaj süllyedését vagy a föld mélyedését., A jelen kontextusban megvitatjuk a légköri süllyedést, amely szorosabban kapcsolódik a konvekcióhoz. (A geológiával kapcsolatos további tudnivalókért lásd a geomorfológia és a Tömegpazarlás bejegyzéseket.)
a légkörben a süllyedés a konvekciós áramok normál felfelé irányuló áramlásának zavarából ered. Ezek az áramlatok úgy működhetnek, hogy konvektív cellát hozzanak létre, amint láttuk, ami a szél áramlását eredményezi. A levegőben lévő vízgőz lehűl, folyadékká változik, felhőket képez., A konvekció alacsony nyomású területet hozhat létre, amelyet konvergáló szél kísér, a Föld felszíne közelében, egy ciklon néven ismert jelenség. Másrészt, ha Süllyedés következik be, ez egy anticiklon néven ismert nagynyomású terület létrehozását eredményezi.
A Légcsomagok konvektív áramokban tovább emelkednek, amíg felső részük sűrűsége megegyezik a környező légkör sűrűségével, ekkor a légoszlop stabilizálódik., Másrészt Süllyedés fordulhat elő, ha a több ezer láb magasságú levegő sűrűbbé válik, mint a környező levegő, anélkül, hogy szükségszerűen hűvösebb vagy moister lenne. Valójában ez a levegő szokatlanul száraz, meleg vagy hideg lehet. Sűrűsége ezután elsüllyed, és ahogy ez történik, összenyomja a körülötte lévő levegőt. Az eredmény nagy nyomás a felszínen, a szél pedig közvetlenül a felszín felett.
az itt leírt légköri Süllyedés formája kellemes eredményeket hoz, elmagyarázva, hogy a nagynyomású rendszerek miért kapcsolódnak általában a tisztességes időjáráshoz., Másrészt, ha a süllyedő levegő egy hűvösebb légrétegre települ, akkor az úgynevezett süllyedési inverziót hoz létre, és az eredmények sokkal kevésbé előnyösek. Ebben a helyzetben egy meleg légréteg csapdába esik a hidegebb rétegek között, több száz vagy akár több ezer láb magasságban. Ez azt jelenti, hogy a légszennyezés is csapdába esett, ami potenciális egészségügyi veszélyt jelent. A süllyedési inverziók leggyakrabban a Távol-északon fordulnak elő télen, az Egyesült Államok keleti részén pedig a nyár végén.,
amikor egy nem-folyadék úgy viselkedik, mint egy folyadék
eddig elsősorban a légkör és a geoszféra konvekciójáról beszéltünk, de az óceánokban is fontos. A korábban bemutatott miso leves példa szemlélteti a folyadék, tehát a részecskék mozgását, amely akkor fordulhat elő, ha egy konvektív sejtet folyadékban állítanak fel.
Hasonlóképpen, az óceán konvekciójában-amelyet mind a felszínről származó hő, mind pedig nagyobb mértékben az alján lévő geotermikus energia vezet-a vizek állandó forgalomban vannak., Az óceáni konvekció a mélyben lévő hőátadást eredményezi, és stabilan rétegezi az óceánt. Más szavakkal, a különböző hőmérsékleti szinteknek megfelelő rétegek vagy rétegek stabilak maradnak, és nem ingadoznak vadul.
az óceáni vizek megfelelnek a folyadék leggyakoribb, mindennapi meghatározásának, de amint azt az esszé elején megjegyeztük, a folyadék bármi lehet, ami folyik—beleértve a gázt vagy különleges körülmények között egy szilárd anyagot. Szilárd kőzetek vagy szilárd jég, gleccserek formájában, áramolhat, ha az anyagok eléggé deformálódnak., Ez akkor fordul elő, például, amikor a gleccser súlya deformálja a jeget az alján, ezáltal a gleccser egésze mozog. Hasonlóképpen, a geotermikus energia felmelegítheti a kőzet áramlását, mozgásba hozva a lemez tektonika konvektív folyamatát, amelyet korábban leírtak, ami szó szerint mozgatja a földet.
hol lehet többet megtudni
oktatói útmutató a Konvekcióhoz (weboldal). <http://www.solarviews.com/eng/edu/convect.htm>.
Erickson, Jon. Lemeztektonika: a Föld rejtélyeinek feltárása. New York: tények az aktában, 1992.
Hess, Harry., “History of Ocean Basins” (weboldal). <;.
Jones, Helen. Nyílt óceán mély konvekció: terepi útmutató (weboldal). <http://puddle.mit.edu/~helen/oodc.html>.
Ocean Oasis Teacher ‘ s Guide Activity 4 (weboldal). <http://www.oceanoasis.org/teachersguide/activity4.html>.
Santrey, Laurence és Lloyd Birmingham. Hő. Mahwah, NJ: Troll Associates, 1985.
gólszerző: R. S., ill. Tágas Égbolt. Newton Abbot, Anglia: David and Charles, 1989.
Sigurdsson, Haraldur., A Föld olvadása: a vulkánkitörések ötleteinek története. New York: Oxford University Press, 1999.
Smith, David G. The Cambridge Encyclopedia of Earth Sciences. New York: Cambridge University Press, 1981.
KEY TERMS
ASTHENOSPHERE:
a litoszféra mögött található rendkívül nagy nyomású régió, ahol a kőzeteket hatalmas feszültségek deformálják. Az asztenoszféra körülbelül 60-215 mi mélységben fekszik. (kb100-350 km).
légkör:
általában a légkör egy bolygót körülvevő gázok takarója., Ha másként azonosított, azonban a kifejezés arra utal, hogy a légkört a Föld, amely a nitrogén (78%), oxigén (21%), argon (0.93%), egyéb anyagok, amelyek tartalmazzák a vízgőz, szén-dioxid, ózon, nemes gázok, mint a neon, amelyek együttesen alkotják 0.07%.
bioszféra:
a Földön élő összes élőlény kombinációja—növények, állatok, madarak, tengeri élet, rovarok, vírusok, egysejtű organizmusok stb.-valamint minden korábban még nem bomló élőlény.
vezetés:
a hőátadás egymást követő molekuláris ütközésekkel., A szilárd anyagok, különösen a fémek hőátadásának fő eszköze a vezetés.
konvekció:
vertikális keringés, amely a sűrűség különbségeiből ered, végül a hőmérséklet különbségeiből ered. Konvekció magában foglalja a hőátadás révén a mozgás a forró folyadék egyik helyről a másikra, és kétféle, természetes és kénytelen. (Lásd a természetes konvekciót, kényszerített konvekciót. )
konvekciós áram:
a konvekcióval fűtött anyagáram.,
konvektív sejt:
a felmelegített folyadék felemelkedése és a lehűtött folyadék süllyedése által létrehozott kör alakú minta. Ezt néha konvekciós cellának nevezik.
mag:
a Föld középpontja, amely a bolygó térfogatának mintegy 16% – át és tömegének 32% – át teszi ki. Elsősorban vasból és egy másik, könnyebb elemből (esetleg kénből) készült, szilárd belső mag között oszlik meg, amelynek sugara körülbelül 760 mi.(1220 km) és egy folyékony külső mag kb. 1750 mi. (2820 km) vastag.,
kéreg:
a szilárd föld legfelső rétege, amely térfogatának kevesebb mint 1% – át teszi ki, és mélysége 3-37 mi között változik. (5-60 km). A kéreg alatt van a köpeny.
folyadék:
a fizikai tudományokban a folyadék kifejezés minden olyan anyagra utal, amely áramlik, ezért nincs határozott alakja. A folyadékok lehetnek mind folyadékok, mind gázok. A földtudományokban időnként szilárdnak tűnő anyagok (például jég a gleccserekben) valójában lassan áramlanak.,
kényszerű konvekció:
konvekció, amely egy szivattyú vagy más mechanizmus (akár mesterséges, akár természetes) hatásából ered, a fűtött folyadékot egy adott rendeltetési hely felé irányítja.
GEOSPHERE:
a Föld kontinentális kéregének felső része, vagy annak a szilárd földnek az a része, amelyen az emberek élnek, és amely a legtöbb élelmet és természeti erőforrást biztosítja számukra.
hő:
belső hőenergia, amely az anyag egyik testéből a másikba áramlik.,
HYDROSPHERE:
a Föld teljes vízkészlete, kivéve a légkörben lévő vízgőzt, de beleértve az összes óceánt, tavat, patakot, felszín alatti vizet, havat és jeget is.
kinetikus energia:
az energia, amelyet egy tárgy mozgásának köszönhetően birtokol.
litoszféra:
a Föld belsejének felső rétege, beleértve a kéreg és a köpeny tetején lévő törékeny részt.
köpeny:
a kőzet sűrű rétege, kb. (2300 km) vastag, földkéreg és magja között.,
természetes konvekció:
konvekció, amely a fűtött folyadék felhajtóerejéből ered,ami azt okozza.
lemeztektonika:
egy elmélet és a tektonika szakosodásának neve. Kutatási területként a lemeztektonika a litho-gömb nagy jellemzőivel és az azokat formáló erőkkel foglalkozik. Ateóriaként elmagyarázza azokat a folyamatokat, amelyek a földet a lemezek és mozgásuk szempontjából formálták.
lemezek:
a litoszféra nagy, mozgatható szegmensei.,
sugárzás:
az energia átadása elektromágneses hullámok segítségével, amelyek nem igényelnek fizikai közeget (például vizet vagy levegőt) az átvitelhez. A föld sugárzással kapja meg a Nap energiáját az elektromágneses spektrumon keresztül.
Süllyedés:
olyan kifejezés, amely vagy a levegő vagy a szilárd föld süllyedésének folyamatára utal, vagy szilárd föld esetén a keletkező képződésre. A süllyedés tehát különféleképpen definiálható, mint a levegő lefelé irányuló mozgása, a talaj süllyedése vagy a földkéreg depressziója.,
rendszer:
bármely interakciós csoport, amely mentálisan elkülöníthető az univerzum többi részétől tanulmányozás, megfigyelés és mérés céljából.
tektonika:
a tektonizmus vizsgálata, beleértve annak okait és hatásait, leginkább a hegyépítést.
TEKTONIZMUS:
a litoszféra deformációja.
hőmérséklet:
a két rendszer közötti belső energiaáramlás iránya hőátadáskor. Hőmérséklet méri az átlagos molekuláris kinetikus energia közötti tranzit e rendszerek.,
hőenergia:
hőenergia, az atomi vagy molekuláris részecskék egymáshoz viszonyított mozgása által termelt kinetikus energia egyik formája. Minél nagyobb a részecskék relatív mozgása, annál nagyobb a hőenergia.
