Метеорология - Конвекция и торнадо - Конвекция - Виртуална работилница за метеорология и климат
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.
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.