Конвекция

I

Конве́кция (от лат. convectio — принесение, доставка)

перенос теплоты в жидкостях, газах или сыпучих средах потоками вещества. Различают естественную, или свободную, и вынужденную К.

Естественная К. возникает при неравномерном нагреве (нагреве снизу) текучих или сыпучих веществ, находящихся в поле силы тяжести (или в системе, движущейся с ускорением). Вещество, нагретое сильнее, имеет меньшую плотность и под действием архимедовой силы FA перемещается относительно менее нагретого вещества. Сила FA = Δρ∙V (Δρ — разность плотностей нагретого вещества и окружающей среды, V — объём нагретого вещества). Направление силы FA, а следовательно, и К. для нагретых объёмов вещества противоположно направлению силы тяжести. К. приводит к выравниванию температуры вещества. При стационарном подводе теплоты к веществу в нём возникают стационарные конвекционные потоки, переносящие теплоту от более нагретых слоев к менее нагретым. С уменьшением разности температур между слоями интенсивность К. падает. При высоких значениях теплопроводности и вязкости среды К. также оказывается ослабленной. На К. ионизованного газа (например, солнечной плазмы) существенно влияет магнитное поле и состояние газа (степень его ионизации и т.д.). В условиях невесомости естественная К. невозможна.

При вынужденной К. перемещение вещества происходит главным образом под воздействием какого-либо устройства (насоса, мешалки и т.п.). Интенсивность переноса теплоты здесь зависит не только от перечисленных выше факторов, но и от скорости вынужденного движения вещества.

К. широко распространена в природе: в нижнем слое земной атмосферы (см. Конвекция в атмосфере), морях и океанах (см. Конвекция в океане), в недрах Земли, на Солнце (в слое до глубины ~20—30% радиуса Солнца от его поверхности) и т.д. С помощью К. осуществляют охлаждение или нагревание жидкостей и газов в различных технических устройствах (см. Конвективный теплообмен).

II

Конве́кция

в атмосфере, вертикальные перемещения объёмов воздуха с одних высот на другие, обусловленные архимедовой силой: воздух более тёплый и, следовательно, менее плотный, чем окружающая среда, перемещается вверх, а воздух более холодный и более плотный — вниз. При слабом развитии К. имеет беспорядочный, турбулентный характер. При развитой К. над отдельными участками земной поверхности возникают восходящие и нисходящие токи воздуха, пронизывающие атмосферу иногда до высот стратосферы (проникающая К.). Вертикальная скорость восходящих токов (термиков) при этом обычно порядка нескольких м/сек, по иногда может превышать 20—30 м/сек. С проникающей К. обычно связано образование облаков К. — кучевых и кучево-дождевых (грозовых).

Развитие К. зависит от распределения температуры в атмосфере по высоте. Восходящий воздух поднимается до тех пор, пока его температура остаётся выше температуры окружающего воздуха; нисходящий воздух, в свою очередь, опускается, пока он холоднее окружающего воздуха. Но восходящий воздух вследствие расширения охлаждается на 1 °С на 100 м подъёма (пока в нём не началась конденсация) — так называемый сухоадиабатический градиент, а после начала конденсации (образования облаков), сопровождающейся выделением скрытой теплоты, — на переменную величину в несколько десятых долей градуса на 100 м подъёма (так называемый влажноадиабатический градиент). Поэтому для поддержания К. нужно, чтобы вертикальный градиент температуры в атмосферном столбе был больше сухоадиабатического градиента до уровня, на котором начинается конденсация, и больше влажнодиабатического над этим уровнем, т. е. атмосфера должна обладать неустойчивой стратификацией (см. Стратификация атмосферы). Такие условия создаются летом в воздухе над прогретой сушей и во все времена года в воздухе, движущемся с более холодной на более тёплую поверхность. Слои с малыми вертикальными градиентами температуры, особенно с инверсиями температуры (См. Инверсии температуры), являются для К. задерживающими слоями.

Лит.: Матвеев Л. Т., Основы общей метеорологии, Л., 1965; Шметер С. М., Физика конвективных облаков, Л., 1972.

С. П. Хромов.

III

Конве́кция

в океане, вертикальное движение воды, вызванное изменением её плотности в результате изменения температуры или солёности. Если плотность воды однородна по горизонтали и с глубиной возрастает, то вода находится в равновесии. В противном случае начинается опускание более плотной воды до глубины, на которой плотность опустившейся воды станет равной плотности окружающих вод. К. ведёт к перемешиванию и выравниванию по вертикали физических и химических характеристик воды, обогащению кислородом нижележащих слоев и т.д. В придонных областях океана (в частности, в глубоководных впадинах) могут иметь место случаи уменьшения плотности с глубиной, например за счёт геотермического притока тепла из недр Земли. В ряде случаев это уменьшение плотности с глубиной сопровождается К., охватывающей значительную толщу придонных вод (порядка нескольких сотен м по вертикали),

Большую роль в режиме океана играет К. в период осенне-зимнего охлаждения (так называемая зимняя вертикальная циркуляция), так как в этот период К. распространяется на большие глубины, а в отдельных субтропических и тропических морях с большой солёностью воды — до дна (Средиземное море, Красное море, Персидский залив), Поскольку благодаря К. зимой в океане непрерывно происходит подъём к поверхности более тёплых вод с глубин, климат прилегающих стран смягчается.

А. М. Муромцев.