CONCEPT
konwekcja jest nazwą środka przenoszenia ciepła, odróżniającego się od przewodzenia i promieniowania. Jest to również termin opisujący procesy wpływające na atmosferę, wody i stałą ziemię. W atmosferze gorące powietrze unosi się na prądach konwekcyjnych, krążąc i tworząc chmury i wiatry. Podobnie konwekcja w hydrosferze krąży w wodzie, utrzymując gradienty temperatury w oceanach stabilne., Termin konwekcja ogólnie odnosi się do ruchu płynów, czyli cieczy i gazów, ale w naukach o Ziemi konwekcja może być również używana do opisu procesów zachodzących w stałej ziemi. Ta geologiczna konwekcja, jak wiadomo, napędza ruch płyt, który jest jednym z kluczowych aspektów tektoniki płyt.
jak to działa
Wprowadzenie do konwekcji
niektóre pojęcia i zjawiska przekraczają granice dyscyplinarne w naukach o Ziemi, przykładem jest fizyczny proces konwekcji., Jest to równie istotne dla naukowców pracujących w naukach geologicznych, atmosferycznych i hydrologicznych, lub dziedzin badań związanych odpowiednio z geosferą, atmosferą i hydrosferą. Jedynym głównym składnikiem systemu Ziemskiego, na który nie ma bezpośredniego wpływu konwekcja, jest biosfera, ale biorąc pod uwagę wysoki stopień wzajemnego oddziaływania między różnymi podsystemami, konwekcja pośrednio wpływa na biosferę w powietrzu, wodach i stałej ziemi.,
konwekcję można zdefiniować jako cyrkulację pionową, która wynika z różnic gęstości spowodowanych ostatecznie różnicami temperatury i polega na przekazywaniu ciepła poprzez ruch gorącego płynu z jednego miejsca do drugiego. W naukach fizycznych pojęcie płynu odnosi się do każdej substancji, która płynie i dlatego nie ma określonego kształtu. Zwykle oznacza to ciecze i gazy, ale w naukach o Ziemi może odnosić się nawet do wolno płynących ciał stałych., Na przestrzeni ogromnych przestrzeni czasu badanych przez naukowców ziemskich, przepływ netto ciał stałych w pewnych okolicznościach (na przykład lodu w lodowcach) może być znaczny.
konwekcja i ciepło
jak wskazano w poprzednim akapicie, konwekcja jest ściśle związana z ciepłem i temperaturą i pośrednio związana z innym zjawiskiem, energią cieplną. To, co ludzie zwykle nazywają ciepłem, to w rzeczywistości energia cieplna lub energia kinetyczna (energia związana z ruchem) wytwarzana przez cząsteczki w ruchu względem siebie.,
ciepło, w znaczeniu naukowym, jest wewnętrzną energią cieplną, która przepływa z jednego ciała materii do drugiego lub z Układu o wyższej temperaturze do Układu o niższej temperaturze. Temperatura może być więc zdefiniowana jako miara średniej kinetycznej energii molekularnej układu. Temperatura reguluje również kierunek przepływu energii wewnętrznej między dwoma systemami. Mówi się, że dwa układy o tej samej temperaturze znajdują się w stanie równowagi termicznej; gdy to nastąpi, nie ma wymiany ciepła, a zatem ciepło istnieje tylko w wymianie między dwoma układami.,
nie ma czegoś takiego jak zimno, tylko brak ciepła. Jeśli ciepło istnieje tylko w tranzycie między systemami, wynika z tego, że kierunek przepływu ciepła musi zawsze być z Układu o wyższej temperaturze do Układu o niższej temperaturze.(Fakt ten zawarty jest w drugim prawie termodynamiki, które jest omawiane, wraz z innymi wymienionymi tutaj tematami, w energetyce i ziemi.) Przenoszenie ciepła odbywa się za pomocą trzech środków: przewodzenia, konwekcji i promieniowania.
przewodzenie i promieniowanie.,
przewodzenie polega na kolejnych zderzeniach molekularnych i przenoszeniu ciepła między dwoma ciałami będącymi w kontakcie. Zwykle występuje w bryle. Konwekcja wymaga ruchu płynu z jednego miejsca do drugiego i, jak zauważyliśmy, może odbywać się w cieczy, gazie lub w pobliżu ciała stałego, który zachowuje się jak wolno Płynący płyn. Wreszcie, promieniowanie obejmuje fale elektromagnetyczne i nie wymaga fizycznego medium, takie jak woda lub powietrze, do przenoszenia.
jeśli włożysz jeden koniec metalowego pręta do ognia, a następnie dotkniesz „chłodnego” końca kilka minut później, przekonasz się, że nie jest już chłodny., Jest to przykład ogrzewania przez przewodzenie, w którym energia kinetyczna jest przekazywana z cząsteczki do cząsteczki w taki sam sposób, jak sekret jest przekazywany z jednej osoby do drugiej wzdłuż linii osób stojących ramię w ramię. Tak jak oryginalne sformułowanie tajemnicy staje się zniekształcone, pewna energia kinetyczna jest nieuchronnie tracona w serii transferów, dlatego koniec pręta na zewnątrz ognia jest jeszcze znacznie chłodniejszy niż ten siedzący w płomieniach.
jeśli chodzi o promieniowanie, odróżnia się ono od przewodzenia i konwekcji tym, że nie wymaga medium do jego przenoszenia., To wyjaśnia, dlaczego przestrzeń jest zimna, ale promienie słoneczne ciepłe Ziemi: promienie są formą energii elektromagnetycznej, i podróżują za pomocą promieniowania w przestrzeni kosmicznej. Przestrzeń, oczywiście, jest wirtualnym brakiem medium, ale po wejściu do atmosfery ziemskiej, ciepło z promieni elektromagnetycznych jest przenoszone do różnych mediów w atmosferze, hydrosferze, geosferze i biosferze. Ciepło to jest następnie przenoszone za pomocą konwekcji i przewodzenia.
przenoszenie ciepła przez konwekcję.
podobnie jak przewodnictwo i w przeciwieństwie do promieniowania, konwekcja wymaga medium., Jednak w przewodzeniu ciepło jest przenoszone z jednej cząsteczki do drugiej, podczas gdy w konwekcji ogrzany płyn faktycznie się porusza. W ten sposób usuwa lub wypiera zimne powietrze na swojej drodze. Przepływ ogrzewanego płynu w tej sytuacji nazywa się prądem konwekcyjnym.
konwekcja jest dwóch typów: naturalnej i wymuszonej. Nagrzane powietrze unoszące się jest przykładem naturalnej konwekcji. Gorące powietrze ma mniejszą gęstość niż chłodniejsze powietrze w atmosferze nad nim i dlatego jest wypornościowe; gdy się unosi, traci energię i chłodzi., To schłodzone powietrze, teraz gęstsze niż powietrze wokół niego, ponownie tonie, tworząc powtarzający się cykl, który generuje wiatr.
konwekcja wymuszona występuje, gdy pompa lub inny mechanizm przesuwa podgrzany płyn. Przykłady urządzeń konwekcyjnych wymuszonych obejmują niektóre rodzaje pieców, a nawet lodówek lub klimatyzatorów. Jak wspomniano wcześniej, możliwe jest przenoszenie ciepła tylko ze zbiornika wysokotemperaturowego na niskotemperaturowy, a zatem te chłodziarki działają poprzez usuwanie gorącego powietrza., Lodówka pobiera ciepło z komory i wyrzuca je do otaczającego pomieszczenia, podczas gdy klimatyzator pobiera ciepło z pomieszczenia lub budynku i uwalnia je na zewnątrz.
konwekcja wymuszona niekoniecznie wiąże się z maszynami wykonanymi przez człowieka: ludzkie serce jest pompą, a krew przenosi nadmiar ciepła wytwarzanego przez ciało do skóry. Ciepło przechodzi przez skórę za pomocą przewodzenia, a na powierzchni skóry jest usuwane z ciała na wiele sposobów, głównie przez chłodzenie parowania potu.,
zastosowania rzeczywiste
komórki konwekcyjne
jednym z ważnych mechanizmów konwekcji, czy to w powietrzu, wodzie, czy nawet na stałej ziemi, jest komórka konwekcyjna, czasami znana jako komórka konwekcyjna. Ten ostatni może być zdefiniowany jako okrągły wzór utworzony przez podnoszenie się rozgrzanego płynu i opadanie chłodzonego płynu. Komórki konwekcyjne mogą mieć tylko kilka milimetrów średnicy lub mogą być większe niż sama Ziemia.
komórki te można obserwować na wielu skalach. W misce z zupą podgrzany płyn unosi się, a schłodzony spada., Procesy te są zwykle trudne do zobaczenia, chyba że danie, o którym mowa, jest takie jak japońska zupa miso. W tym przypadku kawałki pasty sojowej lub miso można zaobserwować, gdy rosną po podgrzaniu, a następnie opadają do wnętrza, aby ponownie ogrzać.
na znacznie większą skalę komórki konwekcyjne są obecne w słońcu. Te rozległe komórki pojawiają się na powierzchni Słońca jako ziarnisty wzór utworzony przez zmienne temperatury między częściami komórki., Jasne plamy są szczytem rosnących prądów konwekcyjnych, podczas gdy ciemne obszary są chłodzone gazem w drodze do wnętrza słońca, gdzie będzie ogrzewany i wznosił się ponownie.
Chmura cumulonimbus, czyli „grom”, jest szczególnie dramatycznym przykładem komórki konwekcyjnej. Są to jedne z najbardziej uderzających formacji chmur, jakie kiedykolwiek widziano. z tego powodu reżyser Akira Kurosawa wykorzystał sceny z piorunami, aby dodać atmosferycznej jakości (dosłownie) do swojego epickiego Ran z 1985 roku., W ciÄ … gu zaledwie kilku minut owe pionowe wieĺľe chmur formujÄ … siÄ ™ jak ogrzane, wilgotne powietrze unosi siÄ™, nastÄ ™ pnie ochĺ ' adza i opada. W efekcie powstaje chmura, która wydaje się ucieleśniać zarówno moc, jak i niepokój, stąd użycie chmur cumulonimbus przez Kurosawę w scenie, która ma miejsce w przeddzień bitwy.
morska bryza.
komórki konwekcyjne, wraz z prądami konwekcyjnymi, pomagają wyjaśnić, dlaczego na plaży zwykle panuje bryza. Nad morzem, oczywiście, jest powierzchnia lądu i powierzchni wody, zarówno narażone na światło słoneczne., Przy takiej ekspozycji temperatura lądu wzrasta szybciej niż wody. Powodem jest to, że woda ma wyjątkowo wysoką pojemność cieplną właściwą—to znaczy ilość ciepła, która musi być dodana do lub usunięta z jednostki masy, aby dana substancja zmieniła swoją temperaturę o 1°C (33,8°F). Tak więc jezioro, strumień, lub ocean jest zawsze dobrym miejscem do ochłodzenia się w gorący letni dzień.
Ziemia ma tendencję do szybszego nagrzewania się, podobnie jak powietrze nad nią., To ogrzane powietrze unosi się w strumieniu konwekcyjnym, ale gdy podnosi się, a tym samym pokonuje przyciąganie grawitacji, zużywa energię i dlatego zaczyna się ochładzać. Schłodzone powietrze następnie tonie. I tak to się dzieje, z ogrzewanym powietrzem wznoszącym się i chłodzącym powietrzem opadającym, tworząc konwekcyjną komórkę, która nieustannie cyrkuluje powietrze, tworząc bryzę.
komórki konwekcyjne pod stopami.,
komórki konwekcyjne mogą również istnieć w stałej ziemi, gdzie powodują przesunięcie płyt (ruchomych segmentów) litosfery—górnej warstwy wnętrza Ziemi, w tym skorupy i kruchej części na szczycie płaszcza—. Odgrywają więc rolę w tektonice płyt, jednym z najważniejszych obszarów badań w naukach o Ziemi. Tektonika płyt wyjaśnia różne zjawiska, od dryfu kontynentalnego po trzęsienia ziemi i wulkany. (Zobacz tektonika płyt o wiele więcej na ten temat.,)
podczas gdy energia elektromagnetyczna słońca jest źródłem ciepła za konwekcją atmosferyczną, energia, która napędza konwekcję geologiczną, jest geotermalna, wznosząca się z jądra Ziemi w wyniku rozpadu promieniotwórczego. (Patrz energia i ziemia.) Komórki konwekcyjne formują się w astenosferze, regionie skrajnie wysokiego ciśnienia na głębokości około 60-215 mi. 100-350 km), gdzie skały są zdeformowane przez ogromne naprężenia.,
w astenosferze rozgrzany materiał unosi się prądem konwekcyjnym, dopóki nie uderzy w dno litosfery (górną warstwę wnętrza Ziemi, składającą się ze skorupy ziemskiej i górnej części płaszcza), poza którą nie może się wznieść. W związku z tym zaczyna poruszać się w poziomie lub w bok, a w ten sposób ciągnie część litosfery. Jednocześnie Ten ogrzewany materiał odpycha chłodniejszy, gęstszy materiał na swojej drodze. Chłodniejszy materiał tonie niżej w płaszczu (Gruba, gęsta warstwa skały, ok., grube, między skorupą ziemską a rdzeniem), aż ponownie się nagrzeje i ostatecznie wzniesie się, propagując w ten sposób cykl.
osiadanie: dobra pogoda i faul
podobnie jak w przypadku komórek konwekcyjnych, osiadanie może wystąpić w atmosferze lub geosferze. Termin osiadanie może odnosić się albo do procesu opadania, ze strony Powietrza lub stałej ziemi, lub, w przypadku stałej ziemi, do powstałej formacji. Jest to więc różnie definiowane jako ruch powietrza w dół, opadanie ziemi lub zagłębienie w ziemi., W obecnym kontekście omówimy osiadanie atmosferyczne, które jest ściślej związane z konwekcją. (Więcej o geologiach znajdziesz w zakładkach Geomorfologia i Masoznawstwo.)
w atmosferze osiadanie wynika z zaburzenia normalnego przepływu w górę prądów konwekcyjnych. Prądy te mogą działać w celu utworzenia komórki konwekcyjnej, jak widzieliśmy, powodując przepływ wiatru. Para wodna w powietrzu może się skraplać w miarę chłodzenia, zmieniając stan na ciecz i tworząc chmury., Konwekcja może tworzyć obszar niskiego ciśnienia, któremu towarzyszą zbiegające się wiatry, w pobliżu powierzchni Ziemi, zjawisko znane jako cyklon. Z drugiej strony, jeśli wystąpi osiadanie, skutkuje to utworzeniem obszaru wysokiego ciśnienia znanego jako antycyklon.
paczki powietrza nadal rosną w prądach konwekcyjnych, aż gęstość ich górnej części jest równa gęstości otaczającej atmosfery, w którym to momencie kolumna powietrza stabilizuje się., Z drugiej strony, osiadanie może wystąpić, jeśli powietrze na wysokości kilku tysięcy stóp staje się gęstsze niż otaczające powietrze, bez konieczności bycia chłodniejszym lub wilgotniejszym. W rzeczywistości powietrze to jest niezwykle suche i może być ciepłe lub zimne. Jego gęstość sprawia, że tonie, i tak jak to robi, spręża powietrze wokół niego. Rezultatem jest wysokie ciśnienie na powierzchni i rozbieżne wiatry tuż nad powierzchnią.
opisywana tutaj forma osiadania atmosfery daje przyjemne rezultaty, wyjaśniając, dlaczego układy wysokociśnieniowe zwykle kojarzą się z ładną pogodą., Z drugiej strony, jeśli opadające powietrze osiada na chłodniejszym układzie powietrza, tworzy to, co jest znane jako inwersja osiadania, a wyniki są znacznie mniej korzystne. W tej sytuacji warstwa ciepłego powietrza zostaje uwięziona między chłodniejszymi warstwami powyżej i poniżej, na wysokości kilkuset, a nawet kilku tysięcy stóp. Oznacza to, że zanieczyszczenie powietrza jest również uwięzione, tworząc potencjalne zagrożenie dla zdrowia. Inwersje osiadania występują najczęściej na Dalekiej Północy zimą i we wschodnich Stanach Zjednoczonych pod koniec lata.,
gdy nie-płyn działa jak płyn
do tego momentu mówiliśmy przede wszystkim o konwekcji w atmosferze i geosferze, ale ma ona znaczenie również w oceanach. Podany wcześniej przykład zupy miso ilustruje ruch płynu, a więc cząstek, który może wystąpić, gdy komórka konwekcyjna jest ustawiona w cieczy.
podobnie w oceanie konwekcja—napędzana zarówno ciepłem z powierzchni, jak i, w większym stopniu, energią geotermalną na dnie—utrzymuje wody w stałej cyrkulacji., Konwekcja oceaniczna powoduje przenoszenie ciepła na całej głębokości i utrzymuje ocean stabilnie stratyfikowany. Innymi słowy, warstwy lub warstwy, odpowiadające różnym poziomom temperatury są utrzymywane na stabilnym poziomie i nie wahają się szalenie.
wody oceaniczne pasują do najczęstszej, codziennej definicji płynu, ale jak zauważono na początku tego eseju, płynem może być wszystko, co płynie—w tym gaz lub, w szczególnych okolicznościach, ciało stałe. Stałe skały lub stały lód, w postaci lodowców, mogą być wykonane do przepływu, jeśli materiały są wystarczająco zdeformowane., Dzieje się tak na przykład, gdy ciężar lodowca deformuje lód na dnie, powodując w ten sposób ruch lodowca jako całości. Podobnie, Energia geotermalna może ogrzewać skałę i powodować jej przepływ, uruchamiając opisany wcześniej konwekcyjny proces tektoniki płyt, który dosłownie porusza ziemię.
gdzie dowiedzieć się więcej
poradnik edukatora konwekcji (Strona WWW). <http://www.solarviews.com/eng/edu/convect.htm>.
Erickson, Jon. Tektonika płyt: odkrywanie tajemnic Ziemi. New York: Facts on File, 1992.
Hess, Harry., „Historia basenów oceanicznych” (pol.). <http://www-geology.ucdavis.edu/~GEL102/hess/jesse.htm>.
Konwekcja głębinowa (ang. Open-Ocean Deep Convection: A Field Guide) – Przewodnik polowy (strona internetowa). <http://puddle.mit.edu/~helen/oodc.html>.
Ocean Oasis Teacher ' s Guide Activity 4 (Web site). <http://www.oceanoasis.org/teachersguide/activity4.html>.
Ciepło. Mahwah, NJ: Troll Associates, 1985.
Przestronne Niebo. Newton Abbot, England: David and Charles, 1989.
Sigurdsson, Haraldur., Topienie Ziemi: historia idei erupcji wulkanicznych. [2010-09-09 19: 49]
Smith, David G. The Cambridge Encyclopedia of Earth Sciences. [2010-08-09 19: 41]
terminy kluczowe
ASTENOSFERA:
region ekstremalnie wysokiego ciśnienia leżący u podłoża litosfery, gdzie skały są deformowane przez ogromne naprężenia. Astenosfera leży na głębokości około 60-215 mi. (około 100-350 km).
atmosfera:
ogólnie rzecz biorąc, atmosfera jest otoczką gazów otaczających planetę., O ile nie określono inaczej, termin odnosi się do atmosfery Ziemi, która składa się z azotu (78%), tlenu (21%), argonu (0,93%) i innych substancji, które obejmują parę wodną, dwutlenek węgla, ozon i gazy szlachetne, takie jak neon, które razem stanowią 0,07%.
Biosfera:
połączenie wszystkich żywych istot na ziemi—roślin, zwierząt, ptaków, życia morskiego, owadów, wirusów, organizmów jednokomórkowych, i tak dalej-jak również wszystkich wcześniej żyjących istot, które nie uległy jeszcze rozkładowi.
przewodzenie:
przenoszenie ciepła przez kolejne zderzenia molekularne., Przewodzenie jest głównym środkiem wymiany ciepła w ciałach stałych, w szczególności w metalach.
konwekcja:
cyrkulacja pionowa, która wynika z różnic w gęstości ostatecznie wywołanych różnicami w temperaturze otoczenia. Konwekcja polega na przenoszeniu ciepła poprzez ruch gorącego płynu z jednego miejsca do drugiego i jest dwojakiego rodzaju, naturalnego i wymuszonego. (Patrz konwekcja naturalna, konwekcja wymuszona. )
prąd konwekcyjny:
przepływ materiału ogrzewany za pomocą konwekcji.,
komórka konwekcyjna:
okrągły wzór powstały w wyniku unoszenia się rozgrzanego płynu i opadania chłodzonego płynu. Jest to czasami nazywane komórką konwekcyjną.
jądro:
centrum Ziemi, obszar stanowiący około 16% objętości planety i 32% jej masy. Wykonany głównie z żelaza i innego, lżejszego pierwiastka (prawdopodobnie siarki), dzieli się na stałe jądro wewnętrzne o promieniu ok.(1220 km) i płynny rdzeń zewnętrzny o długości ok. (2820 km).,
skorupa:
najwyższy podział stałej ziemi, reprezentujący mniej niż 1% jej objętości i wahający się na głębokości od 3 do 37 mi. (Od 5 do 60 km). Poniżej skorupy znajduje się płaszcz.
FLUID:
w naukach fizycznych termin fluid odnosi się do każdej substancji, która płynie i dlatego nie ma określonego kształtu. Płynami mogą być zarówno ciecze, jak i gazy. W naukach o ziemi czasami substancje, które wydają się być stałe (na przykład lód w lodowcach), w rzeczywistości płyną powoli.,
konwekcja wymuszona:
konwekcja, która wynika z działania pompy lub innego mechanizmu (zarówno sztucznego, jak i naturalnego), kierującego ogrzewany płyn w kierunku określonego miejsca przeznaczenia.
GEOSFERA:
górna część skorupy kontynentalnej Ziemi, czyli ta część stałej ziemi, na której żyją ludzie i która dostarcza im większość ich pożywienia i zasobów naturalnych.
ciepło:
wewnętrzna energia cieplna przepływająca z jednego ciała materii do drugiego.,
hydrosfera:
cała woda ziemska, z wyłączeniem pary wodnej w atmosferze, ale w tym wszystkie oceany, jeziora, strumienie, wody gruntowe, śnieg i lód.
energia kinetyczna:
energia, którą obiekt posiada dzięki swojemu ruchowi.
litosfera:
górna warstwa wnętrza Ziemi, w tym skorupa i krucha część na szczycie płaszcza.
(2300 km) grubości, pomiędzy skorupą ziemską a jej jądrem.,
konwekcja naturalna:
konwekcja, która wynika z wyporu podgrzanego płynu, co powoduje jego wzrost.
tektonika płyt:
nazwa zarówno teorii, jak i specjalizacji tektoniki. Jako obszar badań tektonika płyt zajmuje się dużymi cechami litosfery i siłami, które je kształtują. Jako ateoria wyjaśnia procesy, które ukształtowały ziemię pod względem płyt i ich ruchu.
płyty:
Duże, ruchome segmenty litosfery.,
promieniowanie:
przenoszenie energii za pomocą fal elektromagnetycznych, które nie wymagają fizycznego medium (na przykład wody lub powietrza) do przenoszenia. Ziemia odbiera energię Słońca za pośrednictwem widma elektromagnetycznego za pomocą promieniowania.
osiadanie:
termin odnoszący się albo do procesu opadania, ze strony Powietrza lub stałej ziemi, lub, w przypadku stałej ziemi, do powstałej formacji. Osiadanie jest więc definiowane różnie jako ruch powietrza w dół, opadanie ziemi lub zagłębienie w skorupie ziemskiej.,
SYSTEM:
dowolny zbiór oddziaływań, które mogą być oddzielone psychicznie od reszty wszechświata w celach badawczych, obserwacyjnych i pomiarowych.
tektonika:
badanie tektoniki, w tym jej przyczyn i skutków, przede wszystkim budownictwa górskiego.
TEKTONIZM:
deformacja litosfery.
temperatura:
kierunek przepływu energii wewnętrznej między dwoma układami podczas przenoszenia ciepła. Temperatura mierzy średnią kinetyczną energię molekularną w tranzycie między tymi układami.,
energia cieplna:
energia cieplna, forma energii kinetycznej wytwarzanej przez ruch cząstek atomowych lub molekularnych względem siebie. Im większy ruch względny tych cząstek, tym większa energia cieplna.
