Co to jest komórka konwekcyjna?

Proces konwekcji jest głównym środkiem wymiany ciepła w płynie, który jest narażony na źródło ciepła. Zwykle płyn, którym może być ciecz lub gaz, jest ogrzewany od dołu ciepłą powierzchnią; wzrost temperatury powoduje spadek gęstości, powodując wzrost płynu i przepływ chłodniejszego płynu do wewnątrz, aby go wymienić. W miarę wzrostu traci ciepło w otoczeniu, stając się gęstszym i cięższym niż płyn poniżej. Nie może zejść przez ten rosnący płyn, więc rozprzestrzenia się poziomo, zanim spadnie z powrotem na powierzchnię i zostanie przyciągnięty do punktu początkowego przez rosnący płyn. Układ ten jest znany jako komórka konwekcyjna i jest cechą dynamiki płynów, którą można zaobserwować w różnych sytuacjach, od wody podgrzewanej w naczyniu do procesów na skalę planetarną lub gwiezdną.

Atmosfera Ziemi zawiera komórki konwekcyjne na dużą skalę: regiony równikowe otrzymują więcej ciepła od Słońca niż biegunów, powodując wzrost ciepłego powietrza, a następnie przepływ w kierunku wyższych szerokości geograficznych, gdzie schodzi z powrotem w kierunku równika, tworząc ogromną komórkę konwekcyjną po obu stronach. Są one znane jako komórki Hadleya. Para wodna we wznoszącym się powietrzu skrapla się, gdy powietrze ochładza się na wyższych wysokościach i może tworzyć wysokie chmury cumulonimbus, które powodują burze. Powietrze zwykle opada około 30 stopni na północ i południe od równika, kiedy to straciło większość wilgoci; w rezultacie regiony te są zazwyczaj suche i zawierają niektóre z wielkich pustyń na świecie. Kolejny ruch powietrza z powrotem w kierunku równika jest odpowiedzialny za wiatry handlowe.

Ciepło z jądra Ziemi utrzymuje krążenie gorącej, płynnej skały w górnym płaszczu, tworząc komórki konwekcyjne pod skorupą. Powstały ruch stopionej lub częściowo stopionej skały napędza proces znany jako tektonika płyt, która jest odpowiedzialna za podział skorupy na kontynentalne „płyty”, które poruszają się względem siebie. Zjawisko to odpowiada za trzęsienia ziemi i aktywność wulkaniczną. Obszary powierzchni Ziemi, które znajdują się bezpośrednio nad komórką konwekcyjną, mogą się rozdzielać i przesuwać, tworząc nowe płyty, na przykład w afrykańskiej dolinie Rift. Istniejąca płyta, napędzana przez prądy konwekcyjne poniżej, może przepchnąć się na inną płytę, budując łańcuchy górskie, takie jak Himalaje.

Komórki konwekcyjne również istnieją na słońcu. Obrazy powierzchni Słońca ukazują ziarnistą strukturę złożoną z jasnych, gorących obszarów otoczonych ciemniejszymi, chłodniejszymi granicami. Każda granulka wskazuje szczyt komórki konwekcyjnej utworzonej z plazmy, która jest ogrzewana od dołu i unosi się na powierzchnię, chłodząc, a następnie rozkładając się i ponownie opadając na granicy.