Was ist eine Konvektionszelle?
Der Konvektionsprozess ist das Hauptmittel für die Wärmeübertragung in einer Flüssigkeit, die einer Wärmequelle ausgesetzt ist. Üblicherweise wird das Fluid, das eine Flüssigkeit oder ein Gas sein kann, von unten durch eine warme Oberfläche erwärmt; Der Temperaturanstieg führt zu einer Abnahme der Dichte, wodurch die Flüssigkeit ansteigt und die kühlere Flüssigkeit nach innen fließt, um sie zu ersetzen. Wenn es steigt, verliert es Wärme an seine Umgebung und wird dichter und schwerer als die Flüssigkeit darunter. Es kann nicht durch diese aufsteigende Flüssigkeit herabsteigen, so dass es sich horizontal ausbreitet, bevor es zur Oberfläche zurückfällt und von der aufsteigenden Flüssigkeit zu seinem Startpunkt gezogen wird. Dieses System ist als Konvektionszelle bekannt und ein Merkmal der Fluiddynamik, das in einer Vielzahl von Situationen beobachtet werden kann, von Wasser, das in einem Topf erhitzt wird, bis hin zu Prozessen auf Planeten- oder Sternskala.
Die Erdatmosphäre weist in großem Umfang Konvektionszellen auf: Die Äquatorregionen erhalten mehr Wärme von der Sonne als die Pole, sodass warme Luft aufsteigt und dann in höhere Breiten strömt, wo sie zum Äquator zurückströmt und eine riesige Konvektionszelle bildet beiderseits. Diese sind als Hadley-Zellen bekannt. Wasserdampf in der aufsteigenden Luft kondensiert, wenn sich die Luft in höheren Lagen abkühlt, und es können sich aufragende Kumulonimbuswolken bilden, die Gewitter erzeugen. Die Luft sinkt in der Regel etwa 30 Grad nördlich und südlich des Äquators ab. Bis dahin hat sie den größten Teil ihrer Feuchtigkeit verloren. Infolgedessen sind diese Regionen normalerweise trocken und enthalten einige der größten Wüsten der Welt. Die anschließende Luftbewegung zurück zum Äquator ist für die Passatwinde verantwortlich.
Wärme aus dem Erdkern hält die Zirkulation von heißem, flüssigem Gestein im oberen Mantel aufrecht und bildet Konvektionszellen unter der Kruste. Die resultierende Bewegung von geschmolzenem oder halbgeschmolzenem Gestein treibt den als Plattentektonik bekannten Prozess an, der für die Aufspaltung der Kruste in kontinentale „Platten“ verantwortlich ist, die sich relativ zueinander bewegen. Dieses Phänomen ist für Erdbeben und vulkanische Aktivitäten verantwortlich. Bereiche der Erdoberfläche, die direkt über einer Konvektionszelle liegen, können sich teilen und auseinanderbewegen und neue Platten bilden, z. B. im afrikanischen Rift Valley. Eine vorhandene Platte, die von Konvektionsströmen unten angetrieben wird, kann in eine andere Platte gedrückt werden und Gebirgszüge wie den Himalaya bilden.
Konvektionszellen existieren auch in der Sonne. Bilder der Sonnenoberfläche zeigen eine körnige Struktur, die aus hellen, heißen Bereichen besteht, die von dunkleren, kühleren Grenzen umgeben sind. Jedes Granulat kennzeichnet die Oberseite einer Konvektionszelle, die aus Plasma besteht, das von unten erwärmt wird und an die Oberfläche steigt, abkühlt, sich dann ausbreitet und an der Grenze wieder abfällt.