对流单元是什么?关于对流单元的详细介绍

创闻科学2020-11-16 15:56:28

在流体动力学领域,对流单元是当液体或气体体内存在密度差异时发生的现象。这些密度差异导致电流的上升和/或下降,这是对流单元的关键特征。当一定体积的流体被加热时,它会膨胀且密度变小,因此比周围的流体浮力更大。较冷、密度较大的流体下降到较暖、密度较小的流体下方,这就会导致较暖的流体上升。这种运动被称为对流,液体的运动体被称为对流单元。这种水平的流体层从下面加热的特殊类型的对流,被称为瑞利-贝纳德对流。对流通常需要重力场,但在微重力实验中,热对流被观察到没有重力效应。

流体被概括为表现出流动特性的材料;然而,这种行为并不是液体独有的。流体性质也可以在气体中观察到,甚至在颗粒固体中也可以观察到(比如沙子、砾石和在岩石滑动过程中的更大的物体)。

对流单元在云的形成及其能量的释放和传输中最为显著。当空气沿着地面移动时,它吸收热量,密度减小,然后上升到大气中。当它被迫进入空气压力较低的大气层时,它不能像在较低的高度容纳那么多的流体,所以它释放潮湿的空气,产生雨水。在这个过程中,热空气被冷却;它增加密度,并向地球下落,细胞重复这个循环。

对流单元可以在任何流体中形成,包括地球的大气层(在那里它们被称为哈雷细胞)、沸水、汤(在那里细胞可以通过它们运输的颗粒来识别,例如米粒)、海洋或太阳表面。对流单元的大小很大程度上取决于流体的性质。对流单元甚至会在流体加热均匀时发生。

过程

上升的流体通常在遇到冷表面时通过直接交换与较冷的液体交换热量,或者在地球大气中辐射热量时失去热量。在某一点上,流体变得比它下面的流体密度更大,而下面的流体还在上升。因为它不能通过上升的流体下降,所以它移动到一边。在一定距离处,它向下的力克服了它下面的上升力,因此液体开始下降。当它下降时,它通过表面接触或传导再次变暖,循环重复。

在地球对流层

雷暴

雷暴生命的各个阶段。

暖空气的密度比冷空气低,所以暖空气在冷空气中上升,类似于热气球。云的形成是因为携带水分的相对较温暖的空气在较冷的空气中上升。当潮湿的空气上升时,它会冷却,导致上升的空气包中的一些水蒸气凝结。当水分凝结时,它释放出被称为蒸发潜热的能量,这使得上升的空气包比周围的空气冷却得更少,因此云继续上升。如果大气中存在足够的不稳定性,这个过程若持续足够长的时间,将会导致闪电和雷声的积雨云的形成。一般来说,雷暴的形成需要三个条件:湿气、不稳定的气团和升力(热)。

所有雷暴,无论类型如何,都经历三个阶段:发展阶段、成熟阶段和消散阶段。平均雷暴的直径为24公里(15英里)。根据大气中存在的条件,这三个阶段平均需要30分钟。

绝热过程

由下降的空气压缩引起的加热是导致冬季现象的原因,例如奇努克(在北美西部被称为奇努克)或弗恩(在阿尔卑斯山)。

在阳光下

被叠映在北美地区的太阳上的对流单元

太阳的光球由称为颗粒的对流细胞组成,颗粒是平均直径约1000公里的过热(5800°C)等离子体的上升柱。等离子体在颗粒之间的狭窄空间中上升和下降时会冷却。