Konwekcja

Z bliska chcesz zobaczyć chmurę
Konwekcyjnie lecisz w górę

Mało kto zdaje sobie sprawę, że konwekcja, jedno z najważniejszych zjawisk fizycznych odpowiadających za ziemski klimat, jest też tym, które umożliwia nam gotowanie wody w kuchni. Wykorzystuje się ją m.in. w balonach na ogrzane powietrze, szybowcach, kaloryferach czy w klimatyzacji.

Konwekcja jest procesem przepływu ciepła w cieczy, gazie albo plazmie wynikającym z różnicy w gęstości różnych obszarów tego płynu związanej z ich temperaturą. Kiedy ogrzewamy powietrze, zwiększa ono swoją objętość, a więc też zmniejsza gęstość, ponieważ jego masa się nie zmienia. Kiedy takie powietrze znajdzie się wśród powietrza chłodniejszego, a więc i gęstszego, jest wypierane w górę. To samo może stać się z wodą – kiedy podgrzewamy ją u dołu garnka, staje się mniej gęsta i zostaje wyparta na górę naczynia. Wtedy na jej miejsce napływa zimna (gęsta) woda z wyższej części garnka, która szybko zostaje ogrzana i też płynie do góry. W ten sposób, choć źródło ciepła – palnik – znajduje się od spodu naczynia, woda jest ogrzewana w miarę równomiernie, ponieważ jej najzimniejsza część zawsze płynie ku dołowi.

Wbrew pozorom, proces ogrzewania atmosfery niewiele różni się od tego przykładu. Kiedy ląd, oświetlany przez słońce, nagrzewa się, zaczyna przekazywać ciepło najniżej położonym masom powietrza. Następnie z powodu konwekcji to powietrze unosi się, ogrzewając wyższe części atmosfery. Samo jednak staje się chłodniejsze, a kiedy natrafia na nowo ogrzane przez ląd powietrze, zaczyna opadać z powrotem ku Ziemi. Tak powstają komórki konwekcyjne, czyli pętle którymi powietrze stale podąża – przy nagrzanej ziemi unosi się do góry, a po ochłodzeniu znowu opada. Takie komórki konwekcyjne pokrywają naszą całą atmosferę i utrzymują ją w cieple.

Konwekcja wywiera dodatkowy wpływ na klimat przez umożliwienie formowania się chmur (cumulusów, cumulonimbusów oraz altocumulusów). Gdy powietrze lecące w górę (w prądzie wstępującym) ochładza się, zachodzi kondensacja pary wodnej. Jeśli powietrze jest suche, powstaje kłębiasty, biały cumulus, a jeżeli wilgotne – cumulonimbus, spiętrzona chmura łatwo wywołująca burze. Trzecim rodzajem chmur jaki może pojawić się na skutek konwekcji jest altocumulus – wyżej położony odpowiednik cumulusa formujący płaskie piętra obłoków.

Proces powstawania konwekcji jest napędzany przez prąd konwekcyjny. W naturalnych procesach konwekcyjnych jest on spowodowany różnicami w gęstości obszarów o różnych temperaturach w płynie.

Przykłady ruchów konwekcyjnych:

ruch wody przy podgrzewaniu
gaz unoszący się nad płomieniem

W klimacie powstają różne zjawiska dzięki konwekcji, między innymi powstawanie chmur (cumulus, cumulonimbus oraz altocumulus)

Poza występowaniem w różnych naturalnych procesach (na przykład cyrkulacji powietrza), konwekcja znalazła też zastosowania w transporcie, a dokładniej w balonach na ogrzane powietrze. To właśnie to zjawisko pozwala im się unosić. Poprzez ogrzewanie powietrza wewnątrz balonu można zmienić jego gęstość i unieść balon wyżej. Osiągamy w ten sposób efekt taki jak ten wynikający z podgrzania powietrza przez ląd, ale tym razem źródło ciepła jest przenoszone razem z balonem, co daje mu niezależność od naturalnej cyrkulacji powietrza. Jeśli taki balon pozostawimy bez ogrzewania, temperatura wewnątrz zacznie się wyrównywać z otoczeniem i balon zacznie opadać. Poprzez kontrolowanie tej temperatury i przy okazji gęstości powietrza można więc sterować wysokością lotu. To wszystko jest możliwe właśnie dzięki procesowi konwekcji.

Poniższy obraz pokazuje sposób, w jaki sposób ptaki, szybowce, sterowce oraz paralotnie korzystają ze zjawiska konwekcji. W kolumnie ciepłego powietrza mogą wznieść się wyżej, natomiast ich wysokość może być podtrzymana dzięki bańkom ciepłego powietrza. Dlatego też nie potrzebują własnego napędu do utrzymania się w powietrzu, w przeciwieństwie do np. samolotów. Ulubioną chmurą szybowników (i ptaków) jest więc cumulus – oznacza obecność prądu konwekcyjnego, ale w przeciwieństwie do cumulonimbusa i altocumulusa nie zwiastuje prawdopodobnej burzy.

W eksperymencie pokazane zostało w jaki sposób ciepły gaz unoszący się nad płomieniem wprawia w ruch spiralę wiszącą na nici. Ciepły gaz wypiera zimny zgromadzony pod powierzchnią spirali i wprawia ją w ruch okrężny. Dzięki temu, jesteśmy w stanie przemienić energię cieplną w energię kinetyczną (energię ruchu) spirali.