CONCETTO
La convezione è il nome di un mezzo di trasferimento di calore, distinto dalla conduzione e dalla radiazione. È anche un termine che descrive i processi che interessano l’atmosfera, le acque e la terra solida. Nell’atmosfera, l’aria calda sale sulle correnti di convezione, circola e crea nuvole e venti. Allo stesso modo, la convezione nell’idrosfera fa circolare l’acqua, mantenendo stabili i gradienti di temperatura degli oceani., Il termine convezione si riferisce generalmente al movimento dei fluidi, che significa liquidi e gas, ma nelle scienze della terra, la convezione può anche essere usata per descrivere i processi che si verificano nella terra solida. Questa convezione geologica, come è noto, guida il movimento delle placche che è uno degli aspetti chiave della tettonica delle placche.
COME FUNZIONA
Introduzione alla convezione
Alcuni concetti e fenomeni attraversano i confini disciplinari all’interno delle scienze della terra, un esempio è il processo fisico della convezione., È di uguale rilevanza per gli scienziati che lavorano nelle scienze geologiche, atmosferiche e idrologiche, o nei regni di studio interessati rispettivamente alla geosfera, all’atmosfera e all’idrosfera. L’unico componente principale del sistema terrestre non direttamente influenzato dalla convezione è la biosfera, ma dato l’alto grado di interconnessione tra sottosistemi diversi, la convezione influenza indirettamente la biosfera nell’aria, nelle acque e nella terra solida.,
La convezione può essere definita come circolazione verticale che deriva da differenze di densità causate in ultima analisi da differenze di temperatura e comporta il trasferimento di calore attraverso il movimento del fluido caldo da un luogo all’altro. Nelle scienze fisiche, il termine fluido si riferisce a qualsiasi sostanza che scorre e quindi non ha una forma definita. Questo di solito significa liquidi e gas, ma nelle scienze della terra può riferirsi anche a solidi a flusso lento., Nel corso delle grandi distese di tempo studiate dagli scienziati della terra, il flusso netto di solidi in determinate circostanze (ad esempio, il ghiaccio nei ghiacciai) può essere sostanziale.
Convezione e calore
Come indicato nel paragrafo precedente, la convezione è strettamente correlata al calore e alla temperatura e indirettamente correlata ad un altro fenomeno, l’energia termica. Ciò che la gente normalmente chiama calore è in realtà energia termica, o energia cinetica (l’energia associata al movimento) prodotta da molecole in movimento l’una rispetto all’altra.,
Il calore, nel suo significato scientifico, è l’energia termica interna che scorre da un corpo di materia a un altro o da un sistema a una temperatura più alta a un sistema a una temperatura più bassa. La temperatura può quindi essere definita come una misura dell’energia cinetica molecolare media di un sistema. La temperatura governa anche la direzione del flusso di energia interna tra due sistemi. Si dice che due sistemi alla stessa temperatura siano in uno stato di equilibrio termico; quando ciò si verifica, non c’è scambio di calore, e quindi il calore esiste solo nel trasferimento tra due sistemi.,
Non esiste il freddo, solo l’assenza di calore. Se il calore esiste solo in transito tra sistemi, ne consegue che la direzione del flusso di calore deve sempre essere da un sistema a temperatura più elevata a un sistema a temperatura più bassa.(Questo fatto è incarnato nella seconda legge della termodinamica, che è discussa, insieme ad altri argomenti menzionati qui, in Energia e Terra.) Il trasferimento di calore avviene attraverso tre mezzi: conduzione, convezione e radiazione.
CONDUZIONE E RADIAZIONE.,
La conduzione comporta collisioni molecolari successive e il trasferimento di calore tra due corpi in contatto. Di solito si verifica in un solido. La convezione richiede il movimento del fluido da un luogo all’altro e, come abbiamo notato, può avvenire in un liquido, un gas o un solido vicino che si comporta come un fluido a flusso lento. Infine, la radiazione coinvolge onde elettromagnetiche e non richiede alcun mezzo fisico, come acqua o aria, per il trasferimento.
Se metti un’estremità di un’asta di metallo in un fuoco e poi tocchi l’estremità “fredda” pochi minuti dopo, scoprirai che non è più fredda., Questo è un esempio di riscaldamento per conduzione, per cui l’energia cinetica viene passata da molecola a molecola nello stesso modo in cui un segreto viene passato da una persona all’altra lungo una linea di persone in piedi spalla a spalla. Proprio come il fraseggio originale del segreto diventa confuso, una certa energia cinetica viene inevitabilmente persa nella serie di trasferimenti, motivo per cui l’estremità dell’asta fuori dal fuoco è ancora molto più fredda di quella seduta tra le fiamme.
Per quanto riguarda la radiazione, si distingue dalla conduzione e dalla convezione in virtù del fatto che non richiede alcun mezzo per il suo trasferimento., Questo spiega perché lo spazio è freddo eppure i raggi del Sole riscaldano la Terra: i raggi sono una forma di energia elettromagnetica, e viaggiano per mezzo di radiazioni attraverso lo spazio. Lo spazio, ovviamente, è l’assenza virtuale di un mezzo, ma entrando nell’atmosfera terrestre, il calore dei raggi elettromagnetici viene trasferito a vari media nell’atmosfera, nell’idrosfera, nella geosfera e nella biosfera. Questo calore viene quindi trasferito per convezione e conduzione.
TRASFERIMENTO DI CALORE PER CONVEZIONE.
Come la conduzione e a differenza della radiazione, la convezione richiede un mezzo., Tuttavia, nella conduzione il calore viene trasferito da una molecola all’altra, mentre nella convezione il fluido riscaldato stesso si sta effettivamente muovendo. Come fa, rimuove o sposta l’aria fredda nel suo percorso. Il flusso di fluido riscaldato in questa situazione è chiamato corrente di convezione.
La convezione è di due tipi: naturale e forzata. L’aumento dell’aria riscaldata è un esempio di convezione naturale. L’aria calda ha una densità inferiore a quella dell’aria più fredda nell’atmosfera sopra di essa e quindi è vivace; mentre sale, tuttavia, perde energia e si raffredda., Questa aria raffreddata, ora più densa dell’aria circostante, affonda di nuovo, creando un ciclo ripetuto che genera vento.
La convezione forzata si verifica quando una pompa o un altro meccanismo muove il fluido riscaldato. Esempi di apparecchi a convezione forzata includono alcuni tipi di forni e persino frigoriferi o condizionatori d’aria. Come notato in precedenza, è possibile trasferire il calore solo da un serbatoio ad alta temperatura a uno a bassa temperatura, e quindi queste macchine di raffreddamento funzionano rimuovendo l’aria calda., Il frigorifero tira il calore dal suo compartimento e lo espelle nella stanza circostante, mentre un condizionatore d’aria tira il calore da una stanza o da un edificio e lo rilascia all’esterno.
La convezione forzata non comporta necessariamente macchine artificiali: il cuore umano è una pompa e il sangue trasporta il calore in eccesso generato dal corpo alla pelle. Il calore passa attraverso la pelle per mezzo della conduzione, e sulla superficie della pelle viene rimosso dal corpo in diversi modi, principalmente dall’evaporazione del sudore.,
APPLICAZIONI REALI
Celle convettive
Un importante meccanismo di convezione, sia nell’aria, nell’acqua o anche nella terra solida, è la cella convettiva, a volte nota come cella di convezione. Quest’ultimo può essere definito come il modello circolare creato dall’aumento del fluido riscaldato e dall’affondamento del fluido raffreddato. Le cellule convettive possono essere solo di pochi millimetri o possono essere più grandi della Terra stessa.
Queste cellule possono essere osservate su una serie di scale. All’interno di una ciotola di zuppa, il fluido riscaldato sale e il liquido raffreddato scende., Questi processi sono solitamente difficili da vedere a meno che il piatto in questione non sia uno come la zuppa di miso giapponese. In questo caso, pezzi di pasta di soia, o miso, possono essere osservati mentre si alzano quando riscaldati e poi scendono verso l’interno per essere nuovamente riscaldati.
Su una scala molto maggiore, le cellule convettive sono presenti nel Sole. Queste vaste cellule appaiono sulla superficie del Sole come un modello granuloso formato dalle variazioni di temperatura tra le parti della cellula., I punti luminosi sono la parte superiore delle correnti di convezione in aumento, mentre le aree scure sono raffreddati gas sulla sua strada verso l’interno solare, dove sarà riscaldato e salire di nuovo.
Una nuvola cumulonimbus, o “thunderhead”, è un esempio particolarmente drammatico di una cella di convezione. Queste sono alcune delle formazioni nuvolose più sorprendenti mai viste, e per questo motivo il regista Akira Kurosawa ha usato scene di thunderheads rotolanti per aggiungere una qualità atmosferica (letteralmente) al suo epico Ran del 1985., Nel corso di pochi minuti, queste torri verticali di forma nuvola come riscaldato, aria umida sale, poi si raffredda e cade. Il risultato è una nuvola che sembra incarnare potenza e irrequietezza, da qui l’uso di Kurosawa di nuvole cumulonimbus in una scena che si svolge alla vigilia di una battaglia.
UNA BREZZA MARINA.
Le cellule convettive, insieme alle correnti di convezione, aiutano a spiegare perché di solito c’è una brezza in spiaggia. In riva al mare, ovviamente, c’è una superficie terrestre e una superficie d’acqua, entrambe esposte alla luce del sole., Sotto tale esposizione, la temperatura del terreno aumenta più rapidamente di quella dell’acqua. Il motivo è che l’acqua ha una capacità termica specifica straordinariamente elevata, ovvero la quantità di calore che deve essere aggiunta o rimossa da un’unità di massa affinché una determinata sostanza cambi la sua temperatura di 33,8°F (1°C). Quindi un lago, un ruscello o un oceano è sempre un buon posto per rinfrescarsi in una calda giornata estiva.
La terra, quindi, tende a riscaldarsi più rapidamente, così come l’aria sopra di essa., Questa aria riscaldata sale in una corrente di convezione, ma mentre sale e quindi supera la forza di gravità, consuma energia e quindi inizia a raffreddarsi. L’aria raffreddata poi affonda. E così va, con l’aria riscaldata che sale e l’aria di raffreddamento che affonda, formando una cella convettiva che fa circolare continuamente l’aria, creando una brezza.
CELLULE CONVETTIVE SOTTO I NOSTRI PIEDI.,
Le cellule convettive possono anche esistere nella terra solida, dove causano lo spostamento delle placche (segmenti mobili) della litosfera—lo strato superiore dell’interno terrestre, compresa la crosta e la porzione fragile nella parte superiore del mantello. Svolgono quindi un ruolo nella tettonica a placche, una delle aree di studio più importanti nelle scienze della terra. La tettonica a placche spiega una varietà di fenomeni, che vanno dalla deriva continentale ai terremoti e ai vulcani. (Vedi Tettonica a placche per molto di più su questo argomento.,)
Mentre l’energia elettromagnetica del Sole è la fonte di calore dietro la convezione atmosferica, l’energia che guida la convezione geologica è geotermica, che sale dal nucleo terrestre come risultato del decadimento radioattivo. (Vedi Energia e Terra.) Le cellule convettive si formano nell’astenosfera, una regione di pressione estremamente elevata a una profondità di circa 60-215 miglia. (circa 100-350 km), dove le rocce sono deformate da enormi sollecitazioni.,
Nell’astenosfera, il materiale riscaldato sale in una corrente di convezione fino a colpire il fondo della litosfera (lo strato superiore dell’interno della Terra, comprendente la crosta e la parte superiore del mantello), oltre il quale non può salire. Quindi inizia a muoversi lateralmente o orizzontalmente, e mentre lo fa, trascina parte della litosfera. Allo stesso tempo, questo materiale riscaldato spinge via il materiale più fresco e più denso sul suo percorso. Il materiale più freddo affonda più in basso nel mantello (lo spesso e denso strato di roccia, circa 1.429 miglia., spessa, tra la crosta terrestre e il nucleo) fino a quando non si riscalda di nuovo e alla fine si alza, propagando così il ciclo.
Subsidenza: Bel tempo e fallo
Come con le cellule convettive, la subsidenza può verificarsi nell’atmosfera o nella geosfera. Il termine subsidenza può riferirsi al processo di subsidenza, da parte dell’aria o della terra solida, o, nel caso della terra solida, alla formazione risultante. È quindi definito variamente come il movimento verso il basso dell’aria, l’affondamento del terreno o una depressione nella terra., Nel presente contesto discuteremo la subsidenza atmosferica, che è più strettamente correlata alla convezione. (Per ulteriori informazioni su geologicsubsidence, vedere le voci Geomorfologia e spreco di massa.)
Nell’atmosfera, la subsidenza deriva da un disturbo nel normale flusso ascendente delle correnti di convezione. Queste correnti possono agire per impostare una cella convettiva, come abbiamo visto, con conseguente flusso di brezza. Il vapore acqueo nell’aria può condensarsi mentre si raffredda, cambiando stato in un liquido e formando nuvole., La convezione può creare un’area di bassa pressione, accompagnata da venti convergenti, vicino alla superficie terrestre, un fenomeno noto come ciclone. D’altra parte, se si verifica subsidenza, si traduce nella creazione di un’area di alta pressione nota come anticiclone.
I pacchi d’aria continuano a salire in correnti convettive fino a quando la densità della loro porzione superiore è uguale a quella dell’atmosfera circostante, a quel punto la colonna d’aria si stabilizza., D’altra parte, la subsidenza può verificarsi se l’aria ad un’altitudine di diverse migliaia di piedi diventa più densa dell’aria circostante senza necessariamente essere più fredda o umida. In realtà, questa aria è insolitamente secca e può essere calda o fredda. La sua densità lo fa affondare e, come fa, comprime l’aria intorno ad esso. Il risultato è alta pressione in superficie e venti divergenti appena sopra la superficie.
La forma di subsidenza atmosferica descritta qui produce risultati piacevoli, spiegando perché i sistemi ad alta pressione di solito sono associati al bel tempo., D’altra parte, se l’aria cedente si deposita su un lay di aria più fredda, crea ciò che è noto come inversione di subsidenza, e i risultati sono molto meno vantaggiosi. In questa situazione uno strato di aria calda rimane intrappolato tra gli strati più freddi sopra e sotto di esso, ad un’altezza di diverse centinaia o addirittura diverse migliaia di piedi. Ciò significa che anche l’inquinamento atmosferico è intrappolato, creando un potenziale pericolo per la salute. Le inversioni di subsidenza si verificano più spesso nell’estremo nord durante l’inverno e negli Stati Uniti orientali durante la fine dell’estate.,
Quando un Non Fluido agisce come un Fluido
Fino a questo punto si è parlato principalmente di convezione nell’atmosfera e nella geosfera, ma è di importanza anche negli oceani. L’esempio di zuppa di miso fornito in precedenza illustra il movimento del fluido, e quindi delle particelle, che può verificarsi quando una cellula convettiva viene impostata in un liquido.
Allo stesso modo, nell’oceano la convezione—guidata sia dal calore proveniente dalla superficie che, in misura maggiore, dall’energia geotermica sul fondo—mantiene le acque in costante circolazione., La convezione oceanica provoca il trasferimento di calore in tutte le profondità e mantiene l’oceano stabilmente stratificato. In altre parole, gli strati, o strati, corrispondenti a vari livelli di temperatura sono mantenuti stabili e non fluttuano selvaggiamente.
Le acque oceaniche si adattano alla definizione più comune e quotidiana di fluido, ma come notato all’inizio di questo saggio, un fluido può essere qualsiasi cosa fluisca, incluso un gas o, in circostanze speciali, un solido. Rocce solide o ghiaccio solido, sotto forma di ghiacciai, possono essere fatte fluire se i materiali sono deformati sufficientemente., Ciò si verifica, ad esempio, quando il peso di un ghiacciaio deforma il ghiaccio sul fondo, causando così il ghiacciaio nel suo complesso a muoversi. Allo stesso modo, l’energia geotermica può riscaldare la roccia e farla fluire, mettendo in moto il processo convettivo della tettonica a placche, descritto in precedenza, che muove letteralmente la terra.
DOVE SAPERNE DI PIÙ
Educator’s Guide to Convection (Sito Web). <http://www.solarviews.com/eng/edu/convect.htm>.e ‘ il momento giusto. Tettonica a placche: svelare i misteri della Terra. New York: Fatti in archivio, 1992.
Hess, Harry., “Storia dei bacini oceanici” (Sito Web). <http://www-geology.ucdavis.edu/~GEL102/hess/jesse.htm>.
Jones, Helen. Convezione profonda in mare aperto: una guida sul campo (sito Web). <http://puddle.mit.edu/~helen/oodc.html>.
Ocean Oasis Teacher’s Guide Attività 4 (Sito Web). <http://www.oceanoasis.org/teachersguide/activity4.html>.
Santrey, Laurence e Lloyd Birmingham. Calore. Mahwah, NJ: Troll Associates, 1985.
Scorer, R. S., e Arjen Verkaik. Cieli spaziosi. Newton Abbot, Inghilterra: David e Charles, 1989.
Sigurdsson, Haraldur., Melting the Earth: La storia delle idee sulle eruzioni vulcaniche. New York: Oxford University Press, 1999.
Smith, David G. The Cambridge Encyclopedia of Earth Sciences. New York: Cambridge University Press, 1981.
TERMINI CHIAVE
ASTENOSFERA:
Una regione di altissima pressione sottostante la litosfera, dove le rocce sono deformate da enormi sollecitazioni. L’astenosfera si trovaa una profondità di circa 60-215 miglia. (circa100-350 km).
ATMOSFERA:
In generale, un’atmosfera è una coltre di gas che circonda un pianeta., Salvo diversa identificazione, tuttavia, il termine si riferisce all’atmosfera della Terra, che consiste di azoto (78%), ossigeno (21%), argon (0,93%) e altre sostanze che includono vapore acqueo, anidride carbonica, ozono e gas nobili come il neon, che insieme costituiscono lo 0,07%.
BIOSFERA:
Una combinazione di tutti gli esseri viventi sulla Terra—piante, animali, uccelli, vita marina, insetti, virus, organismi unicellulari e così via-così come tutti gli esseri viventi precedentemente non ancora decomposti.
CONDUZIONE:
Il trasferimento di calore da successive collisioni molecolari., La conduzione è il principale mezzo di trasferimento di calore nei solidi, in particolare nei metalli.
CONVEZIONE:
Circolazione verticale che deriva da differenze di densità alla fine causate da differenze intemperature. La convezione comporta il trasferimento di calore attraverso il movimento del fluido caldo da un luogo all’altro ed è di due tipi, naturale e forzato. (Vedi convezione naturale, convezione forzata. )
CORRENTE DI CONVEZIONE:
Il flusso di materiale riscaldato per mezzo di convezione.,
CELLA CONVETTIVA:
Il modello circolare creato dall’aumento del fluido riscaldato e dall’affondamento del fluido raffreddato. Questo è talvolta chiamato una cella di convezione.
NUCLEO:
Il centro della Terra, un’area che costituisce circa il 16% del volume del pianeta e il 32% della sua massa. Fatto principalmente di ferro e un altro elemento più leggero (possibilmente zolfo), è diviso tra un nucleo interno solido con un raggio di circa 760 mi.(1.220 km) e un nucleo esterno liquido circa1.750 miglia. (2.820 km) di spessore.,
CROSTA:
La divisione più alta della terra solida, che rappresenta meno dell ‘ 1% del suo volume e varia in profondità da 3 a 37 miglia. (da 5 a 60 km). Sotto la crosta c’è il mantello.
FLUIDO:
Nelle scienze fisiche, il termine fluido si riferisce a qualsiasi sostanza che scorre e quindi non ha una forma definita. I fluidi possono essere sia liquidi che gas. Nelle scienze della terra, a volte le sostanze che sembrano essere solide (ad esempio il ghiaccio nei ghiacciai) scorrono lentamente.,
CONVEZIONE FORZATA:
Convezione che deriva dall’azione di una pompa o di un altro meccanismo (artificiale o naturale), che dirige il fluido riscaldato verso una particolare destinazione.
GEOSFERA:
La parte superiore della crosta continentale terrestre, o quella porzione della terra solida su cui vivono gli esseri umani e che fornisce loro la maggior parte del loro cibo e risorse naturali.
CALORE:
Energia termica interna che scorre da un corpo di materia all’altro.,
IDROSFERA:
La totalità dell’acqua terrestre, escluso il vapore acqueo nell’atmosfera, ma compresi tutti gli oceani, laghi, torrenti, acque sotterranee, neve e ghiaccio.
ENERGIA CINETICA:
L’energia che un oggetto possiede in virtù del suo moto.
LITOSFERA:
Lo strato superiore dell’interno della Terra, compresa la crosta e la porzione fragile nella parte superiore del mantello.
MANTELLO:
Lo strato denso di roccia, circa 1.429 miglia. (2.300 km) di spessore, tra la crosta terrestre e il suo nucleo.,
CONVEZIONE NATURALE:
Convezione che deriva dalla galleggiabilità del fluido riscaldato, che lo fa salire.
TETTONICA A PLACCHE:
Il nome sia di una teoria che di una specializzazione della tettonica. Come area di studio, la tettonica a placche si occupa delle grandi caratteristiche della litosfera e delle forze che le modellano. Come ateoria, spiega i processi che hanno modellato la Terra in termini di piastre e il loro movimento.
PIASTRE:
Grandi segmenti mobili della litosfera.,
RADIAZIONE:
Il trasferimento di energia per mezzo di onde elettromagnetiche, che non richiedono alcun mezzo fisico (ad esempio, acqua o aria) per il trasferimento. La Terra riceve l’energia del Sole attraverso lo spettro elettromagnetico per mezzo di radiazioni.
SUBSIDENZA:
Un termine che si riferisce al processo di subsidenza, da parte dell’aria o della Terra solida, o, nel caso della Terra solida, alla formazione risultante. La subsidenza è quindi definita variamente come il movimento verso il basso dell’aria, l’affondamento del terreno o una depressione nella crosta terrestre.,
SISTEMA:
Qualsiasi insieme di interazioni che possono essere separate mentalmente dal resto dell’universo ai fini dello studio, dell’osservazione e della misurazione.
TETTONICA:
Lo studio del tettonismo, comprese le sue cause ed effetti, in particolare la costruzione di montagne.
TETTONISMO:
La deformazione della litosfera.
TEMPERATURA:
La direzione del flusso di energia interna tra due sistemi quando il calore viene trasferito. La temperatura misura l’energia cinetica molecolare media in transito tra questi sistemi.,
ENERGIA TERMICA:
Energia termica, una forma di energia cinetica prodotta dal moto di particelle atomiche o molecolari in relazione tra loro. Maggiore è il moto relativo di queste particelle, maggiore è l’energia termica.
