koncept
konvektion är namnet på ett medel för värmeöverföring, som skiljer sig från ledning och strålning. Det är också en term som beskriver processer som påverkar atmosfären, vatten och fast jord. I atmosfären stiger varm luft på konvektionsströmmar, cirkulerar och skapar moln och vindar. På samma sätt cirkulerar konvektion i hydrosfären vatten, vilket håller temperaturgradienterna i oceanerna stabila., Termen konvektion hänvisar i allmänhet till rörelsen av vätskor, vilket betyder vätskor och gaser, men i jordvetenskapen kan konvektion också användas för att beskriva processer som förekommer i den fasta jorden. Denna geologiska konvektion, som det är känt, Driver plattrörelsen som är en av de viktigaste aspekterna av platttektonik.
hur det fungerar
introduktion till konvektion
vissa begrepp och fenomen korsar disciplinära gränser inom jordvetenskapen, ett exempel är den fysiska konvektionsprocessen., Det är lika relevant för forskare som arbetar i de geologiska, atmosfäriska och hydrologiska vetenskaperna, eller de studier som berörs av geosfären, atmosfären och hydrosfären. Den enda huvudkomponenten i jordsystemet som inte direkt påverkas av konvektion är biosfären, men med tanke på den höga graden av sammankoppling mellan olika delsystem påverkar konvektion indirekt biosfären i luft, vatten och fast jord.,
konvektion kan definieras som vertikal cirkulation som härrör från skillnader i densitet som slutligen uppstår genom temperaturskillnader, och det innebär överföring av värme genom rörelsen av varmvätska från en plats till en annan. I de fysiska vetenskaperna hänvisar termen vätska till något ämne som flyter och har därför ingen bestämd form. Detta betyder vanligtvis vätskor och gaser, men i jordvetenskapen kan det även hänvisa till långsamt flytande fasta ämnen., Under de stora tidsutbredningarna som studerats av jordforskare kan nettoflödet av fasta ämnen under vissa omständigheter (till exempel IS i glaciärer) vara betydande.
konvektion och värme
såsom anges i föregående stycke är konvektion nära relaterad till värme och temperatur och indirekt relaterad till ett annat fenomen, termisk energi. Vad människor normalt kallar värme är faktiskt termisk energi, eller kinetisk energi (den energi som är förknippad med rörelse) som produceras av molekyler i rörelse i förhållande till varandra.,
värme, i sin vetenskapliga mening, är intern termisk energi som strömmar från en materia till en annan eller från ett system vid en högre temperatur till ett system vid en lägre temperatur. Temperaturen kan således definieras som ett mått på systemets genomsnittliga molekylära kinetiska energi. Temperaturen styr också riktningen för det interna energiflödet mellan två system. Två system vid samma temperatur sägs vara i ett tillstånd av termisk jämvikt; när detta inträffar finns det ingen utbyte av värme, och därför finns värme endast i överföring mellan två system.,
det finns inget sådant som kallt, bara frånvaron av värme. Om värme finns endast i transit mellan system, följer att riktningen för värmeflödet alltid måste vara från ett system vid en högre temperatur till ett system vid en lägre temperatur.(Detta faktum är förkroppsligat i termodynamikens andra lag, som diskuteras tillsammans med andra ämnen som nämns här, i energi och jord.) Värmeöverföring sker genom tre medel: ledning, konvektion och strålning.
LEDNING OCH STRÅLNING.,
ledning innebär successiva molekylära kollisioner och överföring av värme mellan två kroppar i kontakt. Det förekommer vanligtvis i en fast. Konvektion kräver rörelse av vätska från en plats till en annan, och som vi har noterat kan det ske i en vätska, en gas eller en nära fast som beter sig som en långsamt flytande vätska. Slutligen innebär strålning elektromagnetiska vågor och kräver inget fysiskt medium, såsom vatten eller luft, för överföringen.
om du sätter ena änden av en metallstav i en eld och sedan trycker på ”cool” slutet några minuter senare, kommer du att upptäcka att det inte längre är coolt., Detta är ett exempel på uppvärmning genom ledning, varigenom kinetisk energi överförs från molekyl till molekyl på samma sätt som en hemlighet överförs från en person till en annan längs en linje av människor som står axel till axel. Precis som den ursprungliga fraseringen av hemligheten blir förvrängd, förloras viss kinetisk energi oundvikligen i serien av överföringar, varför änden av stången utanför elden fortfarande är mycket svalare än den som sitter i flammorna.
När det gäller strålning skiljer den sig från ledning och konvektion på grund av att det inte kräver något medium för överföringen., Detta förklarar varför utrymmet är kallt men solens strålar varma jorden: strålarna är en form av elektromagnetisk energi, och de reser med hjälp av strålning genom rymden. Rymden är naturligtvis den virtuella frånvaron av ett medium, men när man kommer in i jordens atmosfär överförs värmen från de elektromagnetiska strålarna till olika medier i atmosfären, hydrosfären, geosfären och biosfären. Den värmen överförs sedan med hjälp av konvektion och ledning.
värmeöverföring GENOM KONVEKTION.
som ledning och till skillnad från strålning kräver konvektion ett medium., Men i ledning överförs värmen från en molekyl till en annan, medan den uppvärmda vätskan i sig faktiskt rör sig i konvektion. Som det gör tar det bort eller förskjuter kall luft i sin väg. Flödet av uppvärmd vätska i denna situation kallas en konvektionsström.
konvektion är av två typer: naturlig och tvingad. Uppvärmd luft stiger är ett exempel på naturlig konvektion. Varmluft har en lägre densitet än den hos den kallare luften i atmosfären ovanför den och är därför flytande; när den stiger, förlorar den dock energi och kyler., Denna kylda luft, nu tätare än luften runt den, sjunker igen och skapar en upprepande cykel som genererar vind.
forcerad konvektion uppstår när en pump eller annan mekanism flyttar den uppvärmda vätskan. Exempel på tvångskonvektionsapparater inkluderar vissa typer av ugnar och till och med kylskåp eller luftkonditioneringsapparater. Som tidigare nämnts är det möjligt att överföra värme endast från en högtemperaturbehållare till en låg temperatur, och därmed fungerar dessa kylmaskiner genom att ta bort varmluft., Kylskåpet drar värme från sitt fack och utvisar det till det omgivande rummet, medan ett luftkonditioneringsapparat drar värme från ett rum eller en byggnad och släpper ut det på utsidan.
Tvångskonvektion innebär inte nödvändigtvis konstgjorda maskiner: det mänskliga hjärtat är en pump och blod bär överskottsvärme som genereras av kroppen till huden. Värmen passerar genom huden med hjälp av ledning, och vid ytan av huden avlägsnas den från kroppen på ett antal sätt, främst genom kylningsförångning av svettning.,
verkliga tillämpningar
konvektiva celler
en viktig mekanism för konvektion, vare sig i luften, vattnet eller till och med den fasta jorden, är konvektiva cellen, ibland känd som konvektionscellen. Den senare kan definieras som det cirkulära mönstret skapat av stigande uppvärmd vätska och sjunkande av kyld vätska. Konvektiva celler kan bara vara några millimeter över, eller de kan vara större än jorden själv.
dessa celler kan observeras på ett antal skalor. Inuti en skål soppa stiger uppvärmd vätska och kylda vätskedroppar., Dessa processer är oftast svårt att se om inte skålen i fråga råkar vara en sådan som Japansk miso soppa. I detta fall kan bitar av sojabönpasta, eller miso, observeras när de stiger när de värms upp och sedan faller ner i inredningen för att värmas upp igen.
i en mycket större skala finns konvektiva celler närvarande i solen. Dessa stora celler visas på solens yta som ett kornigt mönster bildat avvariationer i temperatur mellan de delar av cellen., De ljusa fläckarna är toppen av stigande konvektionsströmmar, medan de mörka områdena kyls gas på väg till solinredningen, där den kommer att värmas upp och stiga igen.
ett cumulonimbusmoln, eller ”thunderhead”, är ett särskilt dramatiskt exempel på en konvektionscell. Dessa är några av de mest slående moln formationer man någonsin ser, och av denna anledning regissören Akira Kurosawa som används scener ofrolling thunderheads för att lägga till en stämningsfull kvalitet (bokstavligen) för att hans 1985 episka Sprang., Under några minuter bildas dessa vertikala molntorn som uppvärmd, fuktig luft stiger och kyler sedan och faller. Resultatet är ett moln som verkar förkroppsliga både makt och rastlöshet, därav Kurosawas användning av cumulonimbus moln i en scen som äger rum på tröskeln till en strid.
en havsbris.
konvektiva celler, tillsammans med konvektionsströmmar, hjälper till att förklara varför det vanligtvis finns en bris på stranden. Vid havet finns det naturligtvis en markyta och en vattenyta, båda utsatta för solens ljus., Under sådan exponering stiger temperaturen på marken snabbare än vattentemperaturen. Anledningen är att vatten har en utomordentligt hög specifik värmekapacitet-det vill säga den mängd värme som måste tillsättas eller avlägsnas från en massenhet för ett visst ämne för att ändra temperaturen med 33,8°F (1°c). Således är en sjö, ström eller hav alltid ett bra ställe att svalna på en varm sommardag.
marken tenderar då att värma upp snabbare, liksom luften ovanför den., Denna uppvärmda luft stiger i en konvektionsström, men när den stiger och därmed övervinner tyngdkraften, förbrukar den energi och börjar därför svalna. Den kylda luften sjunker sedan. Och så går det, med den uppvärmda luften stiger och kylluften sjunker, bildar en konvektiv cell som kontinuerligt cirkulerar luft, vilket skapar en bris.
KONVEKTIVA CELLER UNDER VÅRA FÖTTER.,
konvektiva celler kan också existera i den fasta jorden, där de orsakar litosfärens plattor (rörliga segment)—det övre lagret av jordens inre, inklusive skorpan och den spröda delen på toppen av manteln—att skifta. De spelar således en roll i plattektonik, ett av de viktigaste studieområdena inom jordvetenskapen. Plate tectonics förklarar en mängd olika fenomen, allt från kontinental drift till jordbävningar och vulkaner. (Se Plate Tectonics för mycket mer om detta ämne.,)
medan solens elektromagnetiska energi är värmekällan bakom atmosfärisk konvektion, är den energi som driver geologisk konvektion geotermisk och stiger upp från jordens kärna som ett resultat av radioaktivt förfall. (Se energi och jord.) De konvektiva cellerna bildas i asthenosfären, en region med extremt högt tryck på ett djup av ca 60-215 mi. (ca 100-350 km), där stenar deformeras av enorma påfrestningar.,
i asthenosfären stiger uppvärmt material i en konvektionsström tills den träffar botten av litosfären (det övre lagret av jordens inre, bestående av skorpan och toppen av manteln), bortom vilken den inte kan stiga. Därför börjar den röra sig i sidled eller horisontellt, och som det gör så drar den en del av litosfären. Samtidigt skjuter detta uppvärmda material bort kallare, tätare material i sin väg. Det kallare materialet sjunker ner i manteln (det tjocka, täta skiktet av sten, ungefär 1,429 mi., tjock, mellan jordskorpan och kärnan) tills den värms upp igen och slutligen stiger upp, vilket sprider cykeln.
sättningar: rättvist Väder och Foul
som med konvektiva celler kan sättningar förekomma i atmosfären eller geosfären. Termen sättningar kan antingen hänvisa till processen att sänka, på den del av luft eller fast jord, eller, i fallet med fast jord, till den resulterande bildningen. Det definieras således olika som den nedåtgående rörelsen av luft, sänkningen av marken eller en depression i jorden., I det nuvarande sammanhanget kommer vi att diskutera atmosfärisk sänkning, som är närmare relaterad till konvektion. (För mer information om geologisksubsidence, se posterna geomorfologi och Massavfall.)
i atmosfären resulterar sättningar från en störning i det normala uppåtgående flödet av konvektionsströmmar. Dessa strömmar kan agera för att inrätta en konvektiv cell, som vi har sett, vilket resulterar i flödet av bris. Vattenångan i luften kan kondensera när den svalnar, byter tillstånd till en vätska och bildar moln., Konvektion kan skapa ett område med lågt tryck, åtföljd av konvergerande vindar, nära jordens yta, ett fenomen som kallas en cyklon. Å andra sidan, om sättningar inträffar, resulterar det i skapandet av ett högtrycksområde som kallas ett anticyklon.
luftpaket fortsätter att stiga i konvektiva strömmar tills densiteten hos deras övre del är lika med den omgivande atmosfären, vid vilken punkt luftkolonnen stabiliseras., Å andra sidan kan sättningar uppstå om luft på en höjd av flera tusen fot blir tätare än den omgivande luften utan att nödvändigtvis vara svalare eller moister. Faktum är att denna luft är ovanligt torr, och det kan vara varmt eller kallt. Dess densitet gör det sedan sjunker, och som det gör det komprimerarluften runt den. Resultatet är högt tryck på ytan och divergerande vindar strax ovanför ytan.
den form av atmosfäriska sättningar som beskrivs här ger trevliga resultat och förklarar varför högtryckssystem vanligtvis är förknippade med rättvist väder., Å andra sidan, om den sjunkande luften lägger sig på en svalare låg av luft, skapar det vad som är känt som en sättningar inversion, och resultaten är mycket mindre fördelaktigt. I denna situation blir ett varmt luftskikt fångat mellan svalare lager över och under det, på en höjd av flera hundra eller till och med flera tusen fötter. Detta innebär att luftföroreningar också är fångade, vilket skapar en potentiell hälsorisk. Sättningar inversioner förekommer oftast i norr under vintern och i östra USA under sensommaren.,
när en icke-vätska fungerar som en vätska
fram till denna punkt har vi talat främst om konvektion i atmosfären och geosfären, men det är av betydelse även i oceanerna. Misosoppa exempel ges tidigare illustrerar rörelsen av vätska, och därmed av partiklar, som kan uppstå när en konvektiv cell är inställd i en vätska.
På samma sätt, i havet konvektion—drivs både av värme från ytan och, i större utsträckning, av geotermisk energi i botten—håller vattnet i konstant cirkulation., Oceanic konvektion resulterar i överföring av värme i hela djupet och håller havet stabilt stratifierat. Med andra ord hålls lagren eller skikten som motsvarar olika temperaturnivåer stabila och fluktuerar inte vildt.
havsvatten passar den vanligaste, vardagliga definitionen av vätska, men som noterat i början av denna uppsats kan en vätska vara allt som strömmar—inklusive en gas eller, under speciella omständigheter, en fast. Fasta stenar eller fast IS, i form av glaciärer, kan göras för att flöda om materialen deformeras tillräckligt., Detta sker till exempel när en glaciärs vikt deformerar isen i botten, vilket gör att glaciären som helhet rör sig. På samma sätt kan geotermisk energi värma berg och få den att flöda och sätta i rörelse den konvektiva processen med platttektonik, som beskrivits tidigare, som bokstavligen flyttar jorden.
var du kan lära dig mer
utbildarens Guide till konvektion (webbplats). <http://www.solarviews.com/eng/edu/convect.htm>.
Erickson, Jon. Plate Tectonics: Unraveling jordens mysterier. Fakta om ärendet, 1992.
Hess, Harry., ”Historia av Ocean bassänger” (webbplats). <http://www-geology.ucdavis.edu/~GEL102/hess/jesse.htm>.
Jones, Helen. Djup konvektion med öppet hav: en fältguide (webbplats). <http://puddle.mit.edu/~helen/oodc.html>.
Ocean Oasis lärarhandledning Aktivitet 4 (webbplats). <http://www.oceanoasis.org/teachersguide/activity4.html>.
Santrey, Laurence, och Lloyd Birmingham. Värme. Mahwah, NJ: Troll Associates, 1985.
Målskytt, R. S., och Arjen Verkaik. Rymlig Himmel. Newton Abbot, England: David och Charles, 1989.
Sigurdsson, Haraldur., Smältning av jorden: Idéernas historia om vulkanutbrott. New York: Oxford University Press, 1999.
Smith, David G. Cambridge Encyclopedia of Earth Sciences. New York: Cambridge University Press, 1981.
nyckeltermer
asthenosfären:
en region med extremt högt tryck som ligger bakom litosfären, där stenar deformeras av enorma påfrestningar. Asthenosfären liggerpå ett djup av ca 60-215 mi. (CA100-350 km).
atmosfär:
i allmänhet är en atmosfär en filt av gaser som omger en planet., Om inte annat anges avser termen emellertid jordens atmosfär, som består av kväve (78%), syre (21%), argon (0,93%) och andra ämnen som inkluderar vattenånga, koldioxid, ozon och ädelgaser som neon, som tillsammans utgör 0,07%.
biosfär:
en kombination av alla levande saker på jorden—växter, djur, Fåglar, marint liv, insekter, virus, encelliga organismer, och så vidare-liksom alla tidigare levande saker som ännu inte har sönderdelats.
ledning:
överföring av värme genom successiva molekylära kollisioner., Ledning är det huvudsakliga sättet att värmeöverföring i fasta ämnen, särskilt metaller.
konvektion:
vertikal cirkulation som resulterar från skillnader i densitet i slutändan till följd av skillnader itemperatur. Konvektion innebär överföring av värme genom rörelsen av varmvätska från en plats till en annan och är av två typer, naturliga och tvingade. (Se naturlig konvektion, tvångskonvektion. )
KONVEKTIONSSTRÖM:
flödet av material uppvärmt med hjälp av konvektion.,
konvektiv CELL:
det cirkulära mönstret skapat av stigande uppvärmd vätska och sjunkande av kyld vätska. Detta kallas ibland en konvektionscell.
kärna:
jordens mittpunkt, ett område som utgör cirka 16% av planetens volym och 32% av dess massa. Tillverkad främst av järn och ett annat, lättare element (eventuellt svavel), är det uppdelat mellan en fast inre kärna med en radie av ca 760 mi.(1,220 km) och en flytande yttre kärna CA1,750 mi. (2,820 km) tjock.,
skorpa:
den översta uppdelningen av den fasta jorden, som representerar mindre än 1% av dess volym och varierar i djup från 3 till 37 mi. (5 till 60 km). Under skorpan är manteln.
vätska:
i fysikaliska vetenskaper avser termen vätska varje ämne som flyter och har därför ingen bestämd form. Vätskor kan vara både vätskor och gaser. I jordvetenskapen strömmar ibland ämnen som verkar vara fasta (till exempel IS i glaciärer) i själva verket långsamt.,
forcerad konvektion:
konvektion som härrör från verkan av en pump eller annan mekanism (antingen konstgjorda eller naturliga), rikta uppvärmd vätska mot en viss destination.
GEOSPHERE:
den övre delen av jordens kontinentala skorpa, eller den del av den fasta jorden som människor lever på och som ger dem de flesta av deras mat och naturresurser.
värme:
Intern värmeenergi som strömmar från en materia till en annan.,
hydrosfär:
hela jordens vatten, exklusive vattenånga i atmosfären men inklusive alla oceaner, sjöar, strömmar, grundvatten, snö och is.
kinetisk energi:
den energi som ett objekt har på grund av sin rörelse.
litosfär:
det övre lagret av jordens inre, inklusive skorpan och den spröda delen på toppen av manteln.
mantel:
det täta skiktet av sten, cirka 1,429 mi. (2,300 km) tjock, mellan jordskorpan och dess kärna.,
naturlig konvektion:
konvektion som härrör från flytkraften hos uppvärmd vätska, vilket gör att den stiger.
PLATTTEKTONIK:
namnet på både en teori och en specialisering av tektonik. Som ett studieområde behandlar platttektonik de stora egenskaperna hos litho-sfären och de krafter som formar dem. Som ateory förklarar det de processer som har format jorden när det gäller plattor och deras rörelse.
plattor:
stora, rörliga segment av litosfären.,
strålning:
överföring av energi med hjälp av elektromagnetiska vågor, som inte kräver något fysiskt medium (till exempel vatten eller luft) för överföringen. Jorden tar emot solens energi via det elektromagnetiska spektrumet med hjälp av strålning.
sättningar:
en term som hänvisar antingen till processen att sänka, på den del av luft eller fast jord, eller, när det gäller fast jord, till den resulterande bildningen. Sättningar definieras sålunda olika som den nedåtgående rörelsen av luft, sänkningen av marken eller en depression i jordskorpan.,
SYSTEM:
varje uppsättning interaktioner som kan särskiljas mentalt från resten av universum för studier, observation och mätning.
tektonik:
studien av tektonism, inklusive dess orsaker och effekter, framför allt bergsbyggnad.
TEKTONISM:
deformationen av litosfären.
temperatur:
riktningen för det interna energiflödet mellan två system när värme överförs. Temperaturen mäter den genomsnittliga molekylära kinetiska energin i transit mellan dessa system.,
värmeenergi:
värmeenergi, en form av kinetisk energi som produceras genom rörelse av atomära eller molekylära partiklar i förhållande till varandra. Ju större den relativa rörelsen hos dessa partiklar desto större är den termiska energin.
