Конвекцията е физически механизъм, чрез който топлината, линейният импулс, влажност и т.н. се транспортират чрез движението на масата, която съставлява определена течност (вода или въздух). Този вид транспорт се случва в течности и газове поради способността им да се движат свободно и да установяват течения, които ние наричаме конвективни.

Конвекцията възниква естествено в атмосферата. В топъл слънчев ден слънцето загрява повърхността на Земята. Тази топлина се предава на въздушния слой, непосредствено съседен на повърхността, чрез молекулярна (проводимост) и турбулентна дифузия, както и чрез радиация. Ако приемем, че слънцето загрява определена част от земята (това се случва в действителност, защото различните повърхности се нагряват неравномерно в зависимост от техния топлинен капацитет, емисионност и т.н .; ярък пример е как пясъкът на плажа се загрява повече от горите, които те слагат така, че да ходим боси и да не изгаряме краката си), тази топлина се предава на въздуха в контакт с повърхността по описаните по-горе механизми, което я кара да се разширява и намалява плътността си. Този процес се урежда от Закона за идеалния газ, който описва връзката между налягането, обема, температурата и количеството (в молове) на идеален газ, така че PV = nRT (1), където:

  • P = абсолютно налягане (измерено в атмосфери)
  • V = обем (изразен в литри)
  • n = молове газ
  • R = универсална константа на идеални газове (0,082 atm L/mol K)
  • T = абсолютна температура

В метеорологията този механизъм на топлообмен се нарича "атмосферна конвекция", а издигащите се въздушни парцели се наричат ​​"топлинни токове" или просто "термични" (термични на английски). Термиките се използват от много големи хищници за плъзгане (Фигура 1) и ставане (през нощта топлинните течения практически изчезват и тези птици не могат да летят). Това е и причината, поради която птиците са склонни да преминават от един континент на друг през прохода, където съществува най-малкоят морски път. Морето се загрява по-малко от сушата, така че термиката намалява значително по интензитет. Това се случва например в Гибралтарския проток. Птиците, преминаващи на юг през зимата и през лятото на север в търсене на оптимални температури и храна, пресичат този пролив, защото това е районът с най-краткия морски път между Европа и Африка. Те се издигат до едната страна на пролива и се изкачват благодарение на термиката, започват пътя си през морето и когато достигнат отново брега, обикновено са на по-ниска височина, дори много пъти стигат до сушата, „скимирайки водата“. Без съществуването на термици тези птици не биха могли да полетят.

работилница

Фигура 1. Група щъркели, извисяващи се на топлинни течения във вятърната ферма на Тарифа (Кадис), за да прекосят Гибралтарския пролив по време на миграционното си пътуване до Африка.

Въз основа на описаните по-горе механизми са обяснени някои явления, които се случват в атмосферата, свързани с конвекцията:

ФОРМИРАНЕ НА КУМУЛИФОРМНИ ОБЛАЦИ: Купчиковите облаци се образуват от конвективни движения на въздуха. Слънцето загрява повърхността на Земята, като в същото време причинява нагряване на околния въздух, което го кара да се издига чрез конвекция. Като се има предвид уравнението на идеалния газ (1), можем да изразим (dQ = C v dT + pdV) (2) или (dQ = C p dT - Vdp) (3) и като се вземат предвид адиабатните условия (dQ = 0) получаваме две аналогични уравнения, които показват връзката между вариациите на налягане, обем и температура в балон или парцел въздух, движещи се вертикално. По този начин при издигащия се въздушен пакет има намаляване на налягането (увеличаване на обема), което води до охлаждане.

Фигура 2. Изображение на добре развит купест (Метеорологичен доклад 2011 AME).

Конвекцията е физическо явление, при което топлина, инерция, влага и т.н. се транспортира поради движението на масата, съдържаща определена течност (вода или въздух). Този вид транспорт се случва в течности и газове поради способността му да се движи свободно и задава така наречените конвективни токове.

Конвекцията възниква по естествен начин в атмосферата. В топъл и слънчев ден слънцето загрява повърхността на Земята, така че въздушният слой, непосредствено прилежащ към повърхността, се нагрява чрез молекулярна дифузия (проводимост) и турбуленция в допълнение към радиацията. Ако приемем, че слънцето загрява определена част от почвата (различните повърхности се нагряват неравномерно в зависимост от нейния топлинен капацитет, емисионност и т.н.; пример е как пясъкът на плажа е по-горещ от гората, по която трябва да ходим, за да не изгаряме нашите фута), топлината се предава на въздуха в контакт с повърхността от описаните по-рано механизми, като по този начин се разширява и намалява плътността му. Този процес се управлява от закона за идеалния газ, който описва връзката между налягането, обема, температурата и количеството (в молове) на идеален газ, така че PV = nRT (1), където:

  • P = абсолютно налягане (измерено в атмосфери)
  • V = обем (изразен в литри)
  • n = брой молове на газ
  • R = универсална газова константа (0,082 atm l/mol K)
  • T = абсолютна температура (K)

От уравнението по-горе (1), ако температурата се увеличава в парче въздух, разположено на дадено ниво на налягане, при приемане на постоянно налягане, неговият обем се увеличава, като по този начин намалява неговата плътност (плътност = маса/обем). Въздухът, съдържащ се във въздушната пратка, по-горещ, по-малко плътен и по-обемен от въздуха наоколо, има тенденция да се издига с плавателност по същия начин, по който хелиев балон се издига в атмосферата (хелий е газ с по-малка плътност от въздуха). По този начин вертикалната плаваемост на въздушна маса се дължи на по-ниска плътност от околния въздух (движения нагоре) или по-голяма (движения надолу). По този начин ние разглеждаме като конвекция преносът на топлина от разглежданите маси течност нагоре или надолу (въздух или вода). По този начин, когато водата се нагрява в съд (вижте видеото), обемът в контакт с източника на топлина в основата на съда изпитва движение нагоре, което причинява охлаждане, докато се издига, така че веднъж на горната повърхност ( граница вода-въздух) тя се движи надолу, заемайки мястото, оставено от масата на горещата вода.

В метеорологичния контекст този механизъм за топлообмен се нарича "атмосферна конвекция", а парцелите с издигащ се въздух се наричат ​​"термични". Термалите се използват от много хищници, за да летят без да махат с криле (Фигура 1) и да се повдигат (терминалите за една нощ на практика изчезват и хищниците не могат да летят). Това е и причината, поради която птиците са склонни да преминават от един континент на друг, използвайки маршрути, по които има по-малко морски пътешествия. Морето се загрява по-малко от сушата, така че термиката значително намалява интензивността си. Това се случва например в Гибралтарския проток, където птиците използват този маршрут за преминаване на юг през зимата и на север през лятото в търсене на оптимални температури и храна, пресичайки този тесен, тъй като това е районът с по-малко съществуващ морски път между Европа и Африка . Птиците се издигат встрани от Пролива през термиката, след това пресичат морето и при достигане до брега те обикновено се намират на по-ниска надморска височина, дори „докосвайки водата“. Без съществуването на термици тези птици не биха могли да полетят.

Фигура 1. Група щъркели на термични издигащи се вятърни ферми в Тарифа (Кадис), пресичащи Гибралтарския проток по време на миграционното си пътуване до Африка

Обяснени са някои явления, протичащи в атмосферата въз основа на механизмите, описани по-рано:

КУМУЛУСНА ОБЛАЧНА ФОРМА: Купчините облаци се образуват от конвективни въздушни движения. Слънцето затопля повърхността на Земята, като в същото време предизвиква нагряване на съседния въздух и предизвиква издигането му чрез конвекция. Разглеждайки уравнението на идеалните газове (1), можем да изразим (dQ = CvdT + pdV) (2) или (dQ = CpdT - Vdp) (3) и като вземем предвид адиабатните условия (dQ = 0), получаваме две подобни уравнения, които показват връзката между вариациите в налягането, обема и температурата в балон или въздушен парцел, движещи се по вертикала. По този начин, при нарастващ пакет, се наблюдава намаляване на налягането (обема), което носи охлаждане.

Фигура 2. Снимка на добре развит кумулонимбус (Meteoreport 2011 AME).

Въздухът съдържа водна пара в различни пропорции според разглежданата въздушна маса. Капацитетът на въздуха да задържа водни пари варира в зависимост от температурата, така че колкото по-студен е въздухът, толкова по-малко количество водна пара може да приеме. Когато се достигне горната граница на водната пара, която въздушната маса може да поддържа, се получава конденз. Издигащият се въздух има определена относителна влажност и възходящ, той намалява температурата си и увеличава относителната влажност до 100% (насищане). По този начин има определено ниво, при което поради температурата, при която е, се получава кондензация на водни капчици и облаците започват да се образуват.

Това ниво е известно като Lifting Condensation Level (LCL). Тъй като термиците продължават да се издигат, тези водни капчици все още се образуват във вертикала и растат, така че тя представлява облак нагоре (наричан още облаци с вертикално развитие). По този начин се получават много видове купести облаци, най-малките и поради слънчевото време се наричат ​​„кумулуси за справедливо време“. Ако възходящите потоци са по-силни и съдържат повече влага, получаваме "куловидни облаци с форма на кула", а ако тези течения са още по-тежки и носят повече влага, ще се образуват "купесто-дъждовни" (Фигура 2), които са облаци с голяма вертикала развитие, при което възходящите потоци са доста тежки, така че водните пари се трансформират в капчици и тези капчици в дъждовни капки и градушка (когато ледените кристали улавят капчици, замразявайки водата при нива, при които температурата е доста под 0 ° C). Тези облаци произвеждат дъжд, който понякога може да бъде бурен и с висока интензивност и да има бял цвят и карфиол. Често тези облаци достигат до тропопаузата и възходът им е възпрепятстван, така че те се разширяват в хоризонтала, като оформят върха на наковалнята.