В гидродинамике конвекционная ячейка — это явление, которое возникает, когда в теле жидкости или газа существуют различия в плотности . Эти различия в плотности приводят к восходящим и/или нисходящим конвекционным потокам , которые являются ключевыми характеристиками конвекционной ячейки. Когда объем жидкости нагревается, он расширяется и становится менее плотным и, таким образом, более плавучим, чем окружающая жидкость. Более холодная, более плотная часть жидкости опускается, чтобы расположиться под более теплой, менее плотной жидкостью, и это заставляет более теплую жидкость подниматься. Такое движение называется конвекцией , а движущееся тело жидкости называется конвекционной ячейкой . Этот особый тип конвекции, когда горизонтальный слой жидкости нагревается снизу, известен как конвекция Рэлея-Бенара . Конвекция обычно требует гравитационного поля, но в экспериментах в условиях микрогравитации тепловая конвекция наблюдалась без гравитационных эффектов. [1]
Жидкости обобщены как материалы, которые проявляют свойство потока ; однако это поведение не является уникальным для жидкостей. Свойства жидкости можно также наблюдать в газах и даже в твердых частицах (таких как песок, гравий и более крупные объекты во время оползней ).
Конвекционная ячейка наиболее заметна в образовании облаков с ее высвобождением и переносом энергии. Когда воздух движется вдоль земли, он поглощает тепло, теряет плотность и поднимается в атмосферу. Когда он выталкивается в атмосферу, которая имеет более низкое давление воздуха, он не может содержать столько жидкости, как на более низкой высоте, поэтому он выпускает свой влажный воздух, производя дождь. В этом процессе теплый воздух охлаждается; он приобретает плотность и падает к земле, и ячейка повторяет цикл.
Ячейки конвекции могут образовываться в любой жидкости, включая атмосферу Земли (где они называются ячейками Хэдли ), кипящую воду, суп (где ячейки можно идентифицировать по частицам, которые они транспортируют, например, зернам риса), океан или поверхность Солнца . Размер ячеек конвекции во многом определяется свойствами жидкости. Ячейки конвекции могут возникать даже при равномерном нагреве жидкости.
Поднимающееся тело жидкости обычно теряет тепло, когда сталкивается с холодной поверхностью, когда обменивается теплом с более холодной жидкостью посредством прямого обмена, или, как в примере с атмосферой Земли , когда излучает тепло. В какой-то момент жидкость становится плотнее жидкости под ней, которая все еще поднимается. Поскольку она не может опуститься через поднимающуюся жидкость, она перемещается в сторону. На некотором расстоянии ее нисходящая сила преодолевает восходящую силу под ней, и жидкость начинает опускаться. По мере того, как она опускается, она снова нагревается через поверхностный контакт или проводимость, и цикл повторяется.
Теплый воздух имеет меньшую плотность, чем холодный воздух, поэтому теплый воздух поднимается в более холодном воздухе, [2] подобно воздушным шарам . [3] Облака образуются, когда относительно теплый воздух, несущий влагу, поднимается в более холодном воздухе. По мере того, как влажный воздух поднимается, он охлаждается, заставляя часть водяного пара в поднимающемся пакете воздуха конденсироваться . [4] Когда влага конденсируется, она высвобождает энергию, известную как скрытая теплота испарения, которая позволяет поднимающемуся пакету воздуха охлаждаться меньше, чем окружающий его воздух, [5] продолжая подъем облака. Если в атмосфере присутствует достаточная нестабильность , этот процесс будет продолжаться достаточно долго для образования кучево-дождевых облаков , которые поддерживают молнии и гром. Как правило, для образования гроз требуются три условия: влажность, нестабильная воздушная масса и подъемная сила (тепло).
Все грозы, независимо от типа, проходят три стадии: «стадию развития», «зрелую стадию» и «стадию рассеивания». [6] Диаметр средней грозы составляет 24 км (15 миль). [7] В зависимости от условий, присутствующих в атмосфере, эти три стадии длятся в среднем 30 минут. [8]
Нагревание, вызванное сжатием нисходящего воздуха, является причиной таких зимних явлений, как чинук (как его называют на западе Северной Америки) или фён (в Альпах).
Фотосфера Солнца состоит из конвекционных ячеек, называемых гранулами , которые представляют собой восходящие столбы перегретой (5800 °C) плазмы, в среднем диаметром около 1000 километров. Плазма остывает по мере подъема и опускания в узких пространствах между гранулами.