Was sind Konvektionsströme?
Konvektionsströme sind Bewegungen, die durch Temperaturänderungen in flüssigen oder gasförmigen Körpern verursacht werden. In solchen Körpern steigt wärmeres Material an und verdrängt kühlere Stoffe, die an anderer Stelle zirkulieren. Die durch diesen Prozess erzeugte kontinuierliche Bewegung wird als Konvektionszelle bezeichnet. Konvektionsströme sind für viele Phänomene in der Natur verantwortlich, obwohl ihre Bedeutung oft übersehen wird. Ozeane, Gewitterwolken und die Erdkruste sind allesamt großräumige Systeme, die von diesen Strömungen betroffen sind. Auf kleineren Skalen können sie in einer Kanne mit kochendem Wasser oder einer Tasse Kaffee beobachtet werden.
Hitze bewirkt, dass sich einzelne Materiemoleküle schnell bewegen. In einer Flüssigkeit, das heißt in diesem Fall jeder flüssigen oder gasförmigen Substanz, dehnen sich diese erhitzten Moleküle aus und werden weniger dicht. Dadurch steigen sie in der Flüssigkeit auf und verdrängen bereits vorhandene kühlere Moleküle. Diese kühleren Moleküle bewegen sich an anderer Stelle in der Flüssigkeit. Wenn sie auf eine Wärmequelle stoßen, werden sie erregt und steigen auf, während die zuvor erhitzten Moleküle abkühlen und sinken. Dieser Effekt erzeugt Konvektionszellen, die wiederum Konvektionsströme verursachen.
Konvektionsströme verursachen die Effekte, die in einer Pfanne mit Wasser auf einem Herd zu sehen sind. Das Wasser am Boden der Pfanne, das dem Brenner am nächsten ist, erwärmt sich schnell und steigt an die Oberfläche. Blasen zeigen die Bewegung erhitzter Wassermoleküle, die die Wärme zirkulieren lassen, bis das gesamte Wasser kocht. Der Effekt kann leichter beobachtet werden, wenn Sahne in eine heiße Tasse Kaffee gegossen wird. Auch ohne Rühren zirkuliert die Creme durch den heißeren Kaffee, und der Farbunterschied zwischen den beiden Flüssigkeiten macht die Konvektionsmuster leicht erkennbar.
Konvektionsströme bestimmen im großen Maßstab die Bewegung der Atmosphäre um die Erde. Von der Sonne erwärmte Luft bewegt sich in kühlere Regionen und Gebiete, wodurch sich das Wetter ändert. Wolken entstehen, wenn warme, feuchtigkeitsführende Luft aufsteigt und in höheren Lagen auf kühlere Luft trifft. Das Einwirken von Konvektionszellen auf Wolken kann Gewitter und gelegentlich spektakulärere Ereignisse verursachen. Tornados und Hurrikane entstehen durch heftige Luft- und Feuchtigkeitsbewegungen, die durch die Wärme verursacht werden, die durch die Atmosphäre strömt.
Konvektionsströme sind unter anderem auch für Erdbeben und seismische Aktivitäten verantwortlich. Die Erdoberfläche besteht aus einer Reihe fester Landmassen, die auf Strömungen aus verflüssigtem Gestein schwimmen. Diese unterirdische Flüssigkeit, Magma genannt, ist wie andere Flüssigkeiten der Bewegung von Konvektionszellen ausgesetzt. Konvektionsströme im Magma können dazu führen, dass die Landmassen, sogenannte tektonische Platten, ansteigen oder miteinander kollidieren. Dies kann zu Vulkanausbrüchen, Erdbeben und anderen katastrophalen seismischen Aktivitäten führen.