CONCEPT
convectie is de naam voor een middel voor warmteoverdracht, in tegenstelling tot geleiding en straling. Het is ook een term die processen beschrijft die de atmosfeer, het water en de vaste aarde beïnvloeden. In de atmosfeer, hete lucht stijgt op convectiestromen, circulerende en het creëren van wolken en wind. Ook convectie in de hydrosfeer circuleert water, waardoor de temperatuurgradiënten van de oceanen stabiel blijven., De term convectie verwijst over het algemeen naar de beweging van vloeistoffen, wat vloeistoffen en gassen betekent, maar in de aardwetenschappen, kan convectie ook worden gebruikt om processen te beschrijven die in de vaste aarde voorkomen. Deze geologische convectie, zoals bekend, drijft de plaatbeweging aan die een van de belangrijkste aspecten van platentektoniek is.
hoe het werkt
Inleiding tot convectie
sommige concepten en verschijnselen overschrijden de disciplinaire grenzen binnen de aardwetenschappen, een voorbeeld hiervan is het fysische proces van convectie., Het is van gelijke relevantie voor wetenschappers die werkzaam zijn in de geologische, atmosferische en hydrologische wetenschappen, of de gebieden van studie die betrekking hebben op de geosfeer, atmosfeer, en hydrosfeer, respectievelijk. De enige belangrijke component van het aardsysteem die niet direct wordt beïnvloed door convectie is de biosfeer, maar gezien de hoge mate van interconnectie tussen verschillende subsystemen, heeft convectie indirect invloed op de biosfeer in de lucht, het water en de vaste aarde.,
convectie kan worden gedefinieerd als verticale circulatie die het gevolg is van verschillen in dichtheid die uiteindelijk worden veroorzaakt door verschillen in temperatuur, en het omvat de overdracht van warmte door de beweging van hete vloeistof van de ene plaats naar de andere. In de natuurwetenschappen, de term vloeistof verwijst naar elke stof die stroomt en heeft dus geen definitieve vorm. Dit betekent meestal vloeistoffen en gassen, maar in de aardwetenschappen kan het zelfs verwijzen naar langzaam stromende vaste stoffen., Over de grote uitgestrektheid van de tijd bestudeerd door aardwetenschappers, kan de netto stroom van vaste stoffen in bepaalde omstandigheden (bijvoorbeeld ijs in gletsjers) aanzienlijk zijn.
convectie en warmte
zoals aangegeven in de vorige paragraaf is convectie nauw gerelateerd aan warmte en temperatuur en indirect gerelateerd aan een ander fenomeen, thermische energie. Wat mensen normaal warmte noemen is eigenlijk thermische energie, of kinetische energie (de energie geassocieerd met beweging) geproduceerd door moleculen in beweging ten opzichte van elkaar.,
warmte, in zijn wetenschappelijke betekenis, is interne thermische energie die van het ene lichaam naar het andere of van een systeem bij een hogere temperatuur naar een systeem bij een lagere temperatuur stroomt. Temperatuur kan dus worden gedefinieerd als een maat voor de gemiddelde moleculaire kinetische energie van een systeem. Temperatuur regelt ook de richting van de interne energiestroom tussen twee systemen. Van twee systemen bij dezelfde temperatuur wordt gezegd dat ze zich in een toestand van thermisch evenwicht bevinden; wanneer dit gebeurt, is er geen warmte-uitwisseling, en daarom bestaat warmte alleen in overdracht tussen twee systemen.,
koud bestaat niet, alleen de afwezigheid van warmte. Als er alleen warmte bestaat tijdens de doorvoer tussen systemen, volgt dat de richting van de warmtestroom altijd moet zijn van een systeem met een hogere temperatuur naar een systeem met een lagere temperatuur.(Dit feit is belichaamd in de tweede wet van de thermodynamica, die wordt besproken, samen met andere onderwerpen die hier worden genoemd, in energie en aarde.) Warmteoverdracht gebeurt door middel van drie middelen: geleiding, convectie en straling.
geleiding en straling.,
geleiding omvat opeenvolgende moleculaire botsingen en de overdracht van warmte tussen twee contactlichamen. Het komt meestal voor in een vaste stof. Convectie vereist de beweging van vloeistof van de ene plaats naar de andere, en, zoals we hebben opgemerkt, het kan plaatsvinden in een vloeistof, een gas, of een bijna vaste stof die zich gedraagt als een langzaam stromende vloeistof. Tot slot heeft straling elektromagnetische golven en vereist geen fysiek medium, zoals water of lucht, voor de overdracht.
Als u een uiteinde van een metalen staaf in een vuur plaatst en dan een paar minuten later het “koele” uiteinde aanraakt, zult u merken dat het niet langer koel is., Dit is een voorbeeld van verwarming door geleiding, waarbij kinetische energie wordt doorgegeven van molecuul tot molecuul op dezelfde manier als een geheim wordt doorgegeven van de ene persoon naar de andere langs een lijn van mensen staan schouder aan schouder. Net zoals de originele frasering van het geheim vervormd raakt, gaat er onvermijdelijk wat kinetische energie verloren in de reeks transfers, waardoor het uiteinde van de staaf buiten het vuur nog veel koeler is dan degene die in de vlammen zit.
wat straling betreft, onderscheidt het zich van geleiding en convectie door het feit dat het geen medium nodig heeft voor de overdracht., Dit verklaart waarom de ruimte koud is, maar de zonnestralen warme aarde: de stralen zijn een vorm van elektromagnetische energie, en ze reizen door middel van straling door de ruimte. De ruimte is natuurlijk de virtuele afwezigheid van een medium, maar bij het betreden van de atmosfeer van de Aarde, wordt de warmte van de elektromagnetische straling overgebracht naar verschillende media in de atmosfeer, hydrosfeer, geosfeer en biosfeer. Die warmte wordt dan overgedragen door middel van convectie en geleiding.
warmteoverdracht door convectie.
zoals geleiding en in tegenstelling tot straling, heeft convectie een medium nodig., Bij geleiding wordt de warmte echter van het ene molecuul naar het andere overgebracht, terwijl bij convectie de verwarmde vloeistof zelf daadwerkelijk beweegt. Zoals het doet, verwijdert of verplaatst het koude lucht in zijn pad. De stroom van verwarmde vloeistof in deze situatie wordt een convectiestroom genoemd.
convectie bestaat uit twee typen: natuurlijk en geforceerd. Verwarmde lucht stijgt is een voorbeeld van natuurlijke convectie. Hete lucht heeft een lagere dichtheid dan die van de koelere lucht in de atmosfeer erboven en is daarom drijfkracht; als het stijgt, verliest het echter energie en koelt het af., Deze gekoelde lucht, nu dichter dan de lucht eromheen, zinkt weer, waardoor een zich herhalende cyclus ontstaat die wind genereert.
geforceerde convectie treedt op wanneer een pomp of ander mechanisme de verwarmde vloeistof beweegt. Voorbeelden van geforceerde convectieapparaten zijn sommige soorten ovens en zelfs koelkasten of airconditioners. Zoals eerder opgemerkt, is het mogelijk om warmte alleen van een hoge temperatuur reservoir naar een lage temperatuur, en dus deze koelmachines werken door het verwijderen van hete lucht., De koelkast trekt warmte uit zijn compartiment en verdrijft deze naar de omringende ruimte, terwijl een airconditioner warmte uit een kamer of gebouw trekt en deze aan de buitenkant loslaat.bij geforceerde convectie is niet noodzakelijk sprake van door de mens gemaakte machines: het menselijk hart is een pomp en het bloed draagt overtollige warmte die door het lichaam wordt gegenereerd naar de huid. De warmte gaat door de huid door middel van geleiding, en aan het oppervlak van de huid wordt het op een aantal manieren uit het lichaam verwijderd, voornamelijk door de koeling verdamping van transpiratie.,
real-LIFE toepassingen
convectieve cellen
een belangrijk mechanisme van convectie, hetzij in de lucht, water of zelfs de vaste aarde, is de convectieve cel, ook wel bekend als de convectiecel. Dit laatste kan worden gedefinieerd als het cirkelvormige patroon dat ontstaat door het rijzen van verwarmde vloeistof en het zinken van gekoelde vloeistof. Convectieve cellen kunnen slechts een paar millimeter breed zijn, of ze kunnen groter zijn dan de aarde zelf.
deze cellen kunnen op een aantal schalen worden waargenomen. In een kom soep stijgt verwarmde vloeistof en daalt afgekoelde vloeistof., Deze processen zijn meestal moeilijk te zien, tenzij het gerecht in kwestie toevallig een zoals Japanse misosoep. In dit geval kunnen stukjes sojapasta, of miso, worden waargenomen als ze stijgen bij verhitting en vervolgens naar beneden vallen in het interieur om opnieuw te worden verwarmd.
op een veel grotere schaal zijn convectieve cellen aanwezig in de zon. Deze enorme cellen verschijnen op het oppervlak van de zon als een korrelig patroon gevormd door de variaties in temperatuur tussen de delen van de cel., De lichte plekken zijn de top van de stijgende convectiestromen, terwijl de donkere gebieden zijn gekoeld gas op weg naar de zonne-interieur, waar het zal worden verwarmd en weer stijgen.
een cumulonimbus wolk, of “thunderhead”, is een bijzonder dramatisch voorbeeld van een convectiecel. Dit zijn enkele van de meest opvallende wolkenformaties die je ooit ziet, en om deze reden gebruikte regisseur Akira Kurosawa scènes van Rolling thunderheads om een atmosferische kwaliteit (letterlijk) toe te voegen aan zijn 1985 epische Ran., In de loop van slechts een paar minuten, Deze verticale torens van wolken vormen als verwarmde, vochtige lucht stijgt, dan koelt en valt. Het resultaat is een wolk die zowel macht als rusteloosheid lijkt te belichamen, vandaar Kurosawa ‘ s gebruik van cumulonimbus wolken in een scène die plaatsvindt aan de vooravond van een veldslag.
een zeebries.
convectieve cellen, samen met convectiestromen, verklaren waarom er meestal een briesje op het strand is. Aan de kust is er natuurlijk een landoppervlak en een wateroppervlak, beide blootgesteld aan het licht van de zon., Bij een dergelijke blootstelling stijgt de temperatuur van het land sneller dan die van het water. De reden is dat water een buitengewoon hoge soortelijke warmtecapaciteit heeft—dat wil zeggen de hoeveelheid warmte die moet worden toegevoegd aan of verwijderd uit een massa-eenheid om een bepaalde stof zijn temperatuur met 33,8°F (1°C) te veranderen. Zo is een meer, beek of oceaan altijd een goede plek om af te koelen op een warme zomerdag.
het land heeft dan de neiging sneller op te warmen, net als de lucht erboven., Deze verwarmde lucht stijgt op in een convectiestroom, maar als het stijgt en zo de aantrekkingskracht van de zwaartekracht overwint, verbruikt het energie en begint daarom af te koelen. De gekoelde lucht zinkt dan. En zo gaat het, met de verwarmde lucht omhoog en de koellucht zinken, het vormen van een convectieve cel die voortdurend lucht circuleert, het creëren van een briesje.
convectieve cellen onder onze voeten.,
convectieve cellen kunnen ook voorkomen in de vaste aarde, waar ze ervoor zorgen dat de platen (beweegbare segmenten) van de lithosfeer—de bovenste laag van het binnenste van de aarde, inclusief de korst en het broze gedeelte aan de bovenkant van de mantel—verschuiven. Ze spelen dus een rol in platentektoniek, een van de belangrijkste studiegebieden in de aardwetenschappen. Platentektoniek verklaart een verscheidenheid aan verschijnselen, variërend van continentale drift tot aardbevingen en vulkanen. (Zie platentektoniek voor veel meer over dit onderwerp.,)
terwijl de elektromagnetische energie van de zon de warmtebron is achter atmosferische convectie, is de energie die geologische convectie aandrijft Geothermisch en stijgt op uit de kern van de aarde als gevolg van radioactief verval. (Zie energie en aarde. De convectieve cellen vormen zich in de asthenosfeer, een gebied met extreem hoge druk op een diepte van ongeveer 60-215 mi. (ongeveer 100-350 km), waar rotsen worden vervormd door enorme spanningen.,
in de asthenosfeer stijgt verhit materiaal in een convectiestroom totdat het de bodem van de lithosfeer raakt (de bovenste laag van het binnenste van de aarde, bestaande uit de korst en de bovenkant van de mantel), waarboven het niet kan stijgen. Daarom begint het zijdelings of horizontaal te bewegen en sleept het een deel van de lithosfeer mee. Tegelijkertijd duwt dit verwarmde materiaal koeler, dichter materiaal weg in zijn pad. Het koelere materiaal zinkt lager in de mantel (de dikke, dichte laag steen, ongeveer 1.429 mi., dik, tussen aardkorst en kern) tot het weer opwarmt en uiteindelijk opstijgt, waardoor de cyclus wordt gepropageerd.
verzakking: bij mooi weer en fout
net als bij convectieve cellen kan verzakking optreden in de atmosfeer of de geosfeer. De term verzakking kan verwijzen naar het proces van verzakking, van de kant van de lucht of vaste aarde, of, in het geval van vaste aarde, naar de resulterende vorming. Het wordt dus verschillend gedefinieerd als de neerwaartse beweging van de lucht, het zinken van de grond, of een depressie in de aarde., In de huidige context zullen we atmosferische bodemdaling bespreken, die meer gerelateerd is aan convectie. (Voor meer informatie over geologicsubsidence, zie de vermeldingen geomorfologie en Mass Wasting.)
in de atmosfeer is verzakking het gevolg van een verstoring in de normale opwaartse stroom van convectiestromen. Deze stromen kunnen werken om het opzetten van een convectieve cel, zoals we hebben gezien, resulterend in de stroom van wind. De waterdamp in de lucht kan condenseren als het afkoelt, verandert de toestand in een vloeistof en vormt wolken., Convectie kan een gebied van lage druk creëren, vergezeld van convergerende winden, in de buurt van het aardoppervlak, een fenomeen dat bekend staat als een cycloon. Aan de andere kant, als verzakking optreedt, resulteert dit in de creatie van een hogedrukgebied dat bekend staat als een anticycloon.
luchtpakketten blijven stijgen in convectieve stromen totdat de dichtheid van hun bovenste gedeelte gelijk is aan die van de omringende atmosfeer, op welk punt de luchtkolom stabiliseert., Aan de andere kant kan verzakking optreden als lucht op een hoogte van enkele duizenden voet dichter wordt dan de omringende lucht zonder noodzakelijkerwijs koeler of vochtig te zijn. In feite is deze lucht ongewoon droog, en het kan warm of koud zijn. Door zijn dichtheid zakt hij en comprimeert hij de lucht eromheen. Het resultaat is hoge druk aan het oppervlak en divergerende winden net boven het oppervlak.
De hier beschreven vorm van atmosferische bodemdaling levert aangename resultaten op, wat verklaart waarom hogedruksystemen gewoonlijk geassocieerd worden met mooi weer., Aan de andere kant, als de verzakkende lucht zich vestigt op een koelere laag van lucht, het creëert wat bekend staat als een verzakking inversie, en de resultaten zijn veel minder gunstig. In deze situatie wordt een warme luchtlaag gevangen tussen koelere lagen erboven en eronder, op een hoogte van enkele honderden of zelfs enkele duizenden voet. Dit betekent dat ook de luchtvervuiling wordt opgesloten, waardoor een potentieel gevaar voor de gezondheid ontstaat. Bodemdaling inversies komen het vaakst voor in het Verre Noorden tijdens de winter en in het oosten van de Verenigde Staten tijdens de late zomer.,
wanneer een niet-vloeistof zich gedraagt als een vloeistof
tot op dit punt hebben we vooral gesproken over convectie in de atmosfeer en de geosfeer, maar het is ook van belang in de oceanen. De miso soep voorbeeld eerder gegeven illustreert de beweging van vloeistof, en dus van deeltjes, die kunnen optreden wanneer een convectieve cel is opgezet in een vloeistof.
in de oceaan houdt convectie-aangedreven door warmte van het oppervlak en, in grotere mate, door geothermische energie op de bodem—het water in constante circulatie., Oceanische convectie resulteert in de overdracht van warmte over de diepten en houdt de oceaan stabiel gestratificeerd. Met andere woorden, de lagen, of lagen, die overeenkomen met verschillende temperatuurniveaus worden stabiel gehouden en schommelen niet Wild.
oceaanwater voldoet aan de meest voorkomende, alledaagse definitie van vloeistof, maar zoals opgemerkt aan het begin van dit essay, kan een vloeistof alles zijn dat stroomt—inclusief een gas of, in bijzondere omstandigheden, een vaste stof. Vaste rotsen of vast ijs, in de vorm van gletsjers, kan worden gemaakt om te stromen als de materialen voldoende vervormd., Dit gebeurt bijvoorbeeld wanneer het gewicht van een gletsjer ijs op de bodem vervormt, waardoor de gletsjer als geheel beweegt. Ook geothermische energie kan gesteente verwarmen en ervoor zorgen dat het stroomt, waardoor het convectieve proces van plaattektoniek in beweging wordt gebracht, zoals eerder beschreven, die letterlijk de aarde beweegt.
waar meer te leren
Educator ‘ s Guide to Convection (website). <http://www.solarviews.com/eng/edu/convect.htm>.
Erickson, Jon. Platentektoniek: het ontrafelen van de Mysteries van de aarde. New York: Facts on File, 1992.
Hess, Harry., “Geschiedenis van oceaanbekkens” (website). <http://www-geology.ucdavis.edu/~GEL102/hess/jesse.htm>.
Jones, Helen. Open-oceaan diepe convectie: een veldgids (website). <http://puddle.mit.edu/~helen/oodc.html>.
Ocean Oasis Teacher ‘ s Guide Activity 4 (website). <http://www.oceanoasis.org/teachersguide/activity4.html>.Santrey, Laurence, and Lloyd Birmingham. Warmte. Mahwah, NJ: Troll Associates, 1985.
Scorer, R. S., and Arjen Verkaik. Ruime Luchten. Newton Abbot, England: David and Charles, 1989.
Sigurdsson, Haraldur., Smeltende aarde: de geschiedenis van ideeën over vulkaanuitbarstingen. New York: Oxford University Press, 1999.Smith, David G. the Cambridge Encyclopedia of Earth Sciences. New York: Cambridge University Press, 1981.
sleuteltermen
asthenosfeer:
een gebied met extreem hoge druk dat ten grondslag ligt aan de lithosfeer, waar rotsen door enorme spanningen worden vervormd. De asthenosfeer ligt op een diepte van ongeveer 60-215 mi. (ongeveer 100-350 km).
atmosfeer:
in het algemeen is een atmosfeer een deken van gassen rond een planeet., Tenzij anders vermeld, verwijst de term echter naar de atmosfeer van de aarde, die bestaat uit stikstof (78%), zuurstof (21%), argon (0,93%), en andere stoffen die waterdamp, kooldioxide, ozon, en edelgassen zoals neon, die samen 0,07%.
biosfeer:
een combinatie van alle levende dingen op aarde—planten, dieren, vogels, zeeleven, insecten, virussen, eencellige organismen, enzovoort-evenals alle voorheen levende dingen die nog niet zijn afgebroken.
geleiding:
warmteoverdracht door opeenvolgende moleculaire botsingen., Geleiding is het belangrijkste middel voor warmteoverdracht in vaste stoffen, met name in metalen.
convectie:
verticale circulatie die het resultaat is van verschillen in dichtheid die uiteindelijk veroorzaakt worden door verschillen in temperatuur. Convectie omvat de overdracht van warmte door de beweging van hete vloeistof van de ene plaats naar de andere en is van twee soorten, natuurlijk en gedwongen. (Zie natuurlijke convectie, geforceerde convectie. )
convectiestroom:
de door convectie verwarmde materiaalstroom.,
convectieve cel:
het cirkelvormige patroon dat ontstaat door het rijzen van verwarmde vloeistof en het zinken van gekoelde vloeistof. Dit wordt soms een convectiecel genoemd.
kern:
het centrum van de aarde, een gebied dat ongeveer 16% van het volume en 32% van de massa van de planeet uitmaakt. Voornamelijk gemaakt van ijzer en een ander, lichter element (mogelijk zwavel), het is verdeeld over een vaste binnenkern met een straal van ongeveer 760 mi.(1.220 km) en een vloeibare buitenkern over1, 750 mi. (2.820 km) dik.,
korst:
de bovenste deling van de vaste aarde, die minder dan 1% van zijn volume vertegenwoordigt en in diepte varieert van 3 tot 37 mi. (5 tot 60 km). Onder de korst zit de mantel.
vloeistof:
in de natuurwetenschappen verwijst de term vloeistof naar elke stof die stroomt en dus geen definitieve vorm heeft. Vloeistoffen kunnen zowel vloeistoffen als gassen zijn. In de aardwetenschappen stromen soms stoffen die vast lijken te zijn (bijvoorbeeld ijs in gletsjers) in feite langzaam.,
geforceerde convectie:
convectie die het gevolg is van de werking van een pomp of een ander (door de mens gemaakt of natuurlijk) mechanisme, waarbij verwarmde vloeistof naar een bepaalde bestemming wordt geleid.
geosfeer:
het bovenste deel van de continentale aardkorst, of dat deel van de vaste aarde waarop de mens leeft en die hem het grootste deel van zijn voedsel en natuurlijke hulpbronnen verschaft.
warmte:
interne thermische energie die van het ene lichaam naar het andere stroomt.,
hydrosfeer:
het volledige water van de aarde, met uitzondering van waterdamp in de atmosfeer, maar met inbegrip van alle oceanen, meren, stromen, grondwater, sneeuw en ijs.
kinetische energie:
de energie die een object bezit door zijn beweging.
lithosfeer:
de bovenste laag van het binnenste van de aarde, inclusief de korst en het broze gedeelte aan de bovenkant van de mantel.
mantel:
De dichte laag gesteente, ongeveer 1,429 mi. (2.300 km) dik, tussen de aardkorst en de kern.,
natuurlijke convectie:
convectie die het gevolg is van het drijfvermogen van verwarmde vloeistof, waardoor deze stijgt.
platentektoniek:
de naam van zowel een theorie als een specialisatie van tektoniek. Als studiegebied behandelt platentektoniek de grote kenmerken van de litho-bol en de krachten die ze vormen. Als atheorie verklaart het de processen die de aarde hebben gevormd in termen van platen en hun beweging.
platen:
grote, beweegbare segmenten van de lithosfeer.,
straling:
de overdracht van energie door middel van elektromagnetische golven, die geen fysiek medium (bijvoorbeeld water of lucht) nodig hebben voor de overdracht. De aarde ontvangt de energie van de zon via het elektromagnetische spectrum door middel van straling.
verzakking:
een term die verwijst naar het wegzakken van lucht of vaste aarde, of, in het geval van vaste aarde, naar de resulterende vorming. Verzakking wordt dus op verschillende manieren gedefinieerd als de neerwaartse beweging van de lucht, het zinken van de grond, of een depressie in de aardkorst.,
systeem:
elke set van interacties die mentaal van de rest van het universum kunnen worden gescheiden voor studie, observatie en meting.
tektoniek:
De studie van tektonisme, met inbegrip van de oorzaken en effecten, met name het bouwen van Bergen.
TECTONISME:
de vervorming van de lithosfeer.
temperatuur:
de richting van de interne energiestroom tussen twee systemen wanneer warmte wordt overgedragen. De temperatuur meet de gemiddelde moleculaire kinetische energie in transit tussen deze systemen.,
thermische energie:
warmte-energie, een vorm van kinetische energie die wordt geproduceerd door de beweging van atomaire of moleculaire deeltjes ten opzichte van elkaar. Hoe groter de relatieve beweging van deze deeltjes, hoe groter de thermische energie.
