流体动力学领域,对流单体是当液体气体体内存在密度差异时发生的现象。这些密度差异导致流体质点上升和/或下降,这是对流单体的关键特性。当一定体积的流体被加热时,它会膨胀并变得不稠密,因此比周围的流体更有浮力。流体中较冷、较稠密的部分下降到较热、较不稠密的流体下方,而较热的流体上升,循环往复,这种运动称为对流,运动体称为对流单体。这种特殊类型的对流,即从下方加热水平流体层,被称为瑞利-贝纳德对流。对流通常需要引力场,但在微重力实验中,已经观察到热对流可以没有引力效应。 [1]

从飞机上望向高积云。高积云是由对流活动形成。
发酵 10 日后的 6 加仑桶蜂蜜酒,上面漂浮着肉桂。对流是由酵母释放二氧化碳引起。

流体被概括为有流动特性的材料,往往指代液体;然而,流动性并不是液体独有。流体性也同样存在于气体甚至颗粒固体(例如沙子、砾石和岩石滑坡过程中的较大物体)中。

对流单体最显著在云形成及其能量释放和传输中。当空气沿着地面移动时,它会吸收热量、降低密度并向上浮。当它被迫进入气压较低的大气时,它不能像在低海拔地区那样包含尽可能多的液体,因此其中的水蒸气将凝结为液体或固体,从而产生降水,在此过程中,暖空气被冷却;暖气团密度增加而下沉,往复循环。

对流单体可以在任何流体中形成,包括地球的大气层哈德里环流圈)、沸水、汤(对流单体可以通过它们运输的颗粒来识别,例如在粥中)、海洋或太阳表面。对流单体的大小很大程度上取决于流体的特性。

地球的对流层

雷暴云(强对流单体)

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雷暴云的各个阶段。

暖空气的密度低于冷空气,因此暖空气在较冷的空气中上升, [2]类似于热气球[3]当携带水分的相对温暖的空气在较冷的空气中上升时,就会形成云。当潮湿的空气上升时,它会冷却,导致上升的空气包中的一些水蒸气凝结[4]当水分凝结时,它会释放出被称为汽化潜热的能量,这使得上升的空气包比周围的空气冷却得更少, [5]云团继续向上发展。如果大气中存在足够的不稳定性,这个过程将持续足够长的时间以形成积雨云,从而支持闪电和雷声。一般来说,雷暴的形成需要三个条件:水分、不稳定的气团和升力(热量)。

所有的雷暴,无论何种类型,都经历三个阶段:“发展阶段”、“成熟阶段”和“消散阶段”。 [6]平均而言,雷暴云有24 km(15 mi)直径。 [7]根据大气中的实际条件,这三个阶段总共平均需要经历 30 分钟。 [8]

绝热过程

由下沉空气压缩引起的加热是造成一些天气现象的原因,例如奇努克风(在北美西部众所周知)或焚风 (在阿尔卑斯山)。

中间层

地球大气层按照温度垂直递减率分层,对流层为最底层,中间层则是第三层,其气温和对流层一样也是随高度递减,因此在这一层中也同样存在强烈的对流现象。不过由于缺少水汽,而且空气稀薄,其对流现象并没有对流层那么多种多样。

太阳光球层动图(由位于西班牙拉帕尔马的瑞典1m太阳望远镜拍摄)。该影像展示了太阳光球层的米粒现象,该现象由太阳表面较热的气体泡发生对流运动而形成。当气体泡到达太阳外层时,气体泡降温并在较暗处重新向下运动。在这些所谓“米粒间通道”,我们可以看到小的亮点和很多延伸的、拉长的亮区结构,这些就是具有强磁场的区域。

太阳内部

太阳的光球层由称为米粒组织的对流单体组成,它们是上升的过热柱(5,800°C) 平均直径约 1,000 公里的等离子体。等离子体在这些米粒体之间的狭窄空间上升和下降时冷却。

参考资料

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