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Celda de convección

Nubes altocúmulos vistas desde el transbordador espacial. Las nubes altocúmulos se forman por actividad convectiva.
Balde de 6 galones de vino de miel después de 10 días de fermentación con canela flotando en la superficie. La convección es causada por la levadura que libera CO2.

En dinámica de fluidos , una celda de convección es el fenómeno que ocurre cuando existen diferencias de densidad dentro de un cuerpo de líquido o gas . Estas diferencias de densidad dan como resultado corrientes de convección ascendentes y/o descendentes , que son las características clave de una celda de convección. Cuando se calienta un volumen de fluido, se expande y se vuelve menos denso y, por lo tanto, más flotante que el fluido circundante. La parte más fría y densa del fluido desciende para asentarse debajo del fluido más cálido y menos denso, y esto hace que el fluido más cálido se eleve. Tal movimiento se llama convección , y el cuerpo de líquido en movimiento se conoce como celda de convección . Este tipo particular de convección, donde una capa horizontal de fluido se calienta desde abajo, se conoce como convección de Rayleigh-Bénard . La convección generalmente requiere un campo gravitacional, pero en experimentos de microgravedad, se ha observado convección térmica sin efectos gravitacionales. [1]

Los fluidos se consideran materiales que presentan la propiedad de fluir ; sin embargo, este comportamiento no es exclusivo de los líquidos. Las propiedades de los fluidos también se pueden observar en gases e incluso en partículas sólidas (como arena, grava y objetos más grandes durante los deslizamientos de rocas ).

La célula de convección es la más notable en la formación de nubes, con su liberación y transporte de energía. A medida que el aire se desplaza por el suelo, absorbe calor, pierde densidad y asciende hacia la atmósfera. Cuando es forzado a entrar en la atmósfera, que tiene una presión de aire más baja, no puede contener tanto líquido como a una altitud más baja, por lo que libera su aire húmedo, produciendo lluvia. En este proceso, el aire caliente se enfría, gana densidad y cae hacia la tierra y la célula repite el ciclo.

Las células de convección pueden formarse en cualquier fluido, incluida la atmósfera terrestre (donde se denominan células de Hadley ), el agua hirviendo, la sopa (donde las células se pueden identificar por las partículas que transportan, como los granos de arroz), el océano o la superficie del Sol . El tamaño de las células de convección está determinado en gran medida por las propiedades del fluido. Las células de convección pueden producirse incluso cuando el calentamiento de un fluido es uniforme.

Proceso

Un cuerpo de fluido que asciende normalmente pierde calor cuando encuentra una superficie fría cuando intercambia calor con un líquido más frío a través del intercambio directo, o en el ejemplo de la atmósfera de la Tierra , cuando irradia calor. En algún momento, el fluido se vuelve más denso que el fluido debajo de él, que todavía está ascendiendo. Como no puede descender a través del fluido ascendente, se mueve hacia un lado. A cierta distancia, su fuerza descendente supera la fuerza ascendente debajo de él y el fluido comienza a descender. A medida que desciende, se calienta nuevamente a través del contacto con la superficie o la conductividad y el ciclo se repite.

Dentro de la troposfera de la Tierra

Tormentas eléctricas

Etapas de la vida de una tormenta eléctrica.

El aire cálido tiene una densidad menor que el aire frío, por lo que el aire cálido se eleva dentro del aire más frío, [2] de manera similar a los globos aerostáticos . [3] Las nubes se forman cuando el aire relativamente más cálido que transporta humedad se eleva dentro del aire más frío. A medida que el aire húmedo se eleva, se enfría, lo que hace que parte del vapor de agua en el paquete de aire ascendente se condense . [4] Cuando la humedad se condensa, libera energía conocida como calor latente de vaporización, que permite que el paquete de aire ascendente se enfríe menos que el aire circundante, [5] continuando la ascensión de la nube. Si hay suficiente inestabilidad en la atmósfera, este proceso continuará el tiempo suficiente para que se formen las nubes cumulonimbus , que sustentan los relámpagos y los truenos. Generalmente, las tormentas eléctricas requieren tres condiciones para formarse: humedad, una masa de aire inestable y una fuerza de sustentación (calor).

Todas las tormentas eléctricas, independientemente del tipo, pasan por tres etapas: una "etapa de desarrollo", una "etapa de madurez" y una "etapa de disipación". [6] La tormenta eléctrica promedio tiene un diámetro de 24 km (15 mi). [7] Dependiendo de las condiciones presentes en la atmósfera, estas tres etapas tardan un promedio de 30 minutos en completarse. [8]

Procesos adiabáticos

El calentamiento causado por la compresión del aire descendente es responsable de fenómenos invernales como el chinook (como se le conoce en el oeste de América del Norte) o el föhn (en los Alpes).

Película de la fotosfera solar observada con el Telescopio Solar Sueco de 1 m (SST) en La Palma, España. La película muestra la granulación solar, que es el resultado de los movimientos convectivos de las burbujas de gas caliente que se elevan desde el interior del Sol. Cuando estas burbujas alcanzan la superficie, el gas se enfría y fluye hacia abajo nuevamente en las franjas más oscuras entre las células brillantes. En estas franjas llamadas intergranulares, también podemos ver pequeños puntos brillantes y estructuras alargadas brillantes más extendidas. Se trata de regiones con fuertes campos magnéticos.

Dentro del sol

La fotosfera del Sol está compuesta por células de convección llamadas gránulos , que son columnas ascendentes de plasma sobrecalentado (5.800 °C) con un diámetro medio de unos 1.000 kilómetros. El plasma se enfría a medida que sube y baja en los estrechos espacios entre los gránulos.

Referencias

  1. ^ Yu. A. Gaponenko y VE Zakhvataev, Convección térmica no uniforme en microgravedad bajo calentamiento no uniforme
  2. ^ Albert Irvin Frye (1913). Libro de bolsillo para ingenieros civiles: un libro de referencia para ingenieros y contratistas. D. Van Nostrand Company. pág. 462. Consultado el 31 de agosto de 2009 .
  3. ^ Yikne Deng (2005). Invenciones chinas antiguas. Chinese International Press. Págs. 112-13. ISBN 978-7-5085-0837-5. Consultado el 18 de junio de 2009 .
  4. ^ FMI (2007). "Niebla y estratos: contexto físico meteorológico". Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik . Consultado el 7 de febrero de 2009 .
  5. ^ Chris C. Mooney (2007). Un mundo tormentoso: huracanes, política y la batalla por el calentamiento global . Houghton Mifflin Harcourt. pág. 20. ISBN 978-0-15-101287-9. Consultado el 31 de agosto de 2009 .
  6. ^ Michael H. Mogil (2007). Clima extremo . Nueva York: Black Dog & Leventhal Publisher. págs. 210-211. ISBN. 978-1-57912-743-5.
  7. ^ Peter Folger (10 de abril de 2011). Tormentas eléctricas y tornados severos en los Estados Unidos. DIANE Publishing. p. 16. ISBN 978-1-4379-8754-6.
  8. ^ Laboratorio Nacional de Tormentas Severas (15 de octubre de 2006). "A Severe Weather Primer: Questions and Answers about Thunderstorms" (Introducción a las condiciones meteorológicas severas: preguntas y respuestas sobre tormentas eléctricas). Administración Nacional Oceánica y Atmosférica . Archivado desde el original el 25 de agosto de 2009. Consultado el 1 de septiembre de 2009 .

Enlaces externos