Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
В динамике жидкостей, конвекционная ячейка – это явление, возникающее при наличии разницы в плотности внутри тела жидкости или газа. Эти различия в плотности приводят к восходящим и/или нисходящим конвекционным потокам, которые являются ключевыми характеристиками конвекционной ячейки. Когда объем жидкости нагревается, он расширяется и становится менее плотным, а следовательно, более плавучим, чем окружающая жидкость. Более холодная и плотная часть жидкости опускается и оседает под более теплой и менее плотной, заставляя теплую жидкость подниматься. Такое движение называется конвекцией, а движущийся объем жидкости – конвекционной ячейкой. Этот особый тип конвекции, при котором горизонтальный слой жидкости нагревается снизу, известен как конвекция Рэлея-Бенара. Конвекция обычно требует наличия гравитационного поля, но в экспериментах в условиях микрогравитации наблюдалась тепловая конвекция без влияния гравитации. Жидкости обобщенно определяются как материалы, демонстрирующие свойство текучести; однако такое поведение не уникально для жидкостей. Свойства жидкости могут наблюдаться также в газах и даже в твердых частицах (например, в песке, гравии и более крупных объектах при оползнях). Конвекционная ячейка наиболее заметна в образовании облаков, с их высвобождением и переносом энергии. Когда воздух движется по поверхности земли, он поглощает тепло, теряет плотность и поднимается в атмосферу. Попадая в атмосферу с более низким давлением, он не может удерживать столько же влаги, как на меньшей высоте, поэтому высвобождает влажный воздух, образуя дождь. В этом процессе теплый воздух охлаждается, становится плотнее и опускается к земле, после чего цикл повторяется. Конвекционные ячейки могут формироваться в любой жидкости, включая атмосферу Земли (где они называются ячейками Хэдли), кипящую воду, суп (где ячейки можно идентифицировать по переносимым ими частицам, таким как зерна риса), океан или поверхность Солнца. Размер конвекционных ячейки в значительной степени определяется свойствами жидкости. Конвекционные ячейки могут возникать даже при равномерном нагреве жидкости.
In fluid dynamics, a convection cell is the phenomenon that occurs when density differences exist within a body of liquid or gas. These density differences result in rising and/or falling convection currents, which are the key characteristics of a convection cell. When a volume of fluid is heated, it expands and becomes less dense and thus more buoyant than the surrounding fluid. The colder, denser part of the fluid descends to settle below the warmer, less dense fluid, and this causes the warmer fluid to rise. Such movement is called convection, and the moving body of liquid is referred to as a convection cell. This particular type of convection, where a horizontal layer of fluid is heated from below, is known as Rayleigh–Bénard convection. Convection usually requires a gravitational field, but in microgravity experiments, thermal convection has been observed without gravitational effects. Fluids are generalized as materials that exhibit the property of flow; however, this behavior is not unique to liquids. Fluid properties can also be observed in gases and even in particulate solids (such as sand, gravel, and larger objects during rock slides). A convection cell is most notable in the formation of clouds with its release and transportation of energy. As air moves along the ground it absorbs heat, loses density and moves up into the atmosphere. When it is forced into the atmosphere, which has a lower air pressure, it cannot contain as much fluid as at a lower altitude, so it releases its moist air, producing rain. In this process the warm air is cooled; it gains density and falls towards the earth and the cell repeats the cycle. Convection cells can form in any fluid, including the Earth's atmosphere (where they are called Hadley cells), boiling water, soup (where the cells can be identified by the particles they transport, such as grains of rice), the ocean, or the surface of the Sun. The size of convection cells is largely determined by the fluid's properties. Convection cells can even occur when the heating of a fluid is uniform.
Процесс
Восходящий поток жидкости обычно теряет тепло, когда сталкивается с холодной поверхностью, обменивается теплом с более холодной жидкостью при непосредственном контакте, или, как в случае с атмосферой Земли, излучает тепло. В какой-то момент жидкость становится плотнее, чем находящаяся под ней, которая всё ещё поднимается. Поскольку она не может опуститься сквозь восходящий поток, она отклоняется в сторону. На определенном расстоянии сила тяжести преодолевает восходящую силу под ней, и жидкость начинает опускаться. По мере опускания она снова нагревается за счёт контакта с поверхностью или теплопроводности, и цикл повторяется.
A rising body of fluid typically loses heat when it encounters a cold surface when it exchanges heat with colder liquid through direct exchange, or in the example of the Earth's atmosphere, when it radiates heat. At some point, the fluid becomes denser than the fluid beneath it, which is still rising. Since it cannot descend through the rising fluid, it moves to one side. At some distance, its downward force overcomes the rising force beneath it, and the fluid begins to descend. As it descends, it warms again through surface contact or conductivity and the cycle repeats.
Грозы
Теплый воздух имеет меньшую плотность, чем холодный, поэтому он поднимается в более холодном воздухе, подобно воздушным шарам. Облака формируются, когда относительно теплый, содержащий влагу воздух поднимается в более холодном воздухе. По мере подъема влажного воздуха он охлаждается, что приводит к конденсации части водяного пара в поднимающемся воздушном потоке. При конденсации влаги выделяется энергия, известная как скрытая теплота парообразования, что позволяет поднимающемуся воздушному потоку охлаждаться медленнее, чем окружающий воздух, и продолжать восхождение облака. Если в атмосфере присутствует достаточная нестабильность, этот процесс продолжается достаточно долго для формирования кучево-дождевых облаков, в которых возникают молнии и гром. Как правило, для образования грозы необходимо три условия: влажность, нестабильная воздушная масса и сила подъема (тепло). Все грозы, независимо от типа, проходят три стадии: стадию развития, стадию зрелости и стадию рассеяния. Средняя гроза имеет определенный диаметр. В зависимости от условий в атмосфере, прохождение этих трех стадий занимает в среднем 30 минут.
Warm air has a lower density than cool air, so warm air rises within cooler air, similar to hot air balloons. Clouds form as relatively warmer air carrying moisture rises within cooler air. As the moist air rises, it cools, causing some of the water vapor in the rising packet of air to condense. When the moisture condenses, it releases energy known as the latent heat of vaporisation, which allows the rising packet of air to cool less than its surrounding air, continuing the cloud's ascension. If enough instability is present in the atmosphere, this process will continue long enough for cumulonimbus clouds to form, which support lightning and thunder. Generally, thunderstorms require three conditions to form: moisture, an unstable air mass, and a lifting force (heat). All thunderstorms, regardless of type, go through three stages: a 'developing stage', a 'mature stage', and a 'dissipating stage'. The average thunderstorm has a diameter. Depending on the conditions present in the atmosphere, these three stages take an average of 30 minutes to go through.
Адиабатические процессы
Нагрев, вызванный сжатием опускающегося воздуха, является причиной таких зимних явлений, как чинук (как оно известно в западной части Северной Америки) или фён (в Альпах).
Heating caused by the compression of descending air is responsible for such winter phenomena as the chinook (as it is known in western North America) or the Föhn (in the Alps).
Внутри Солнца
Фотосфера Солнца состоит из конвекционных ячеек, называемых гранулами, представляющих собой восходящие столбы перегретой (5800 °C) плазмы со средним диаметром около 1000 километров. Плазма охлаждается по мере подъема и опускается в узких промежутках между гранулами.
The Sun's photosphere is composed of convection cells called granules, which are rising columns of superheated (5,800 °C) plasma averaging about 1,000 kilometres in diameter. The plasma cools as it rises and descends in the narrow spaces between the granules.