对流单体

在流体动力学领域，对流单体是当液体或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）

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

1. Yu. A.Gaponenko and V. E. Zakhvataev,Nonboussinesq Thermal Convection in Microgravity under Nonuniform Heating
2. Albert Irvin Frye. Civil engineers' pocket book: a reference-book for engineers, contractors. D. Van Nostrand Company. 1913: 462 [2009-08-31].
3. Yikne Deng. Ancient Chinese Inventions. Chinese International Press. 2005: 112–13 [2009-06-18]. ISBN 978-7-5085-0837-5.
4. FMI. Fog And Stratus – Meteorological Physical Background. Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik. 2007 [2009-02-07]. （原始内容存档于2020-05-11）.
5. Chris C. Mooney. Storm world: hurricanes, politics, and the battle over global warming. Houghton Mifflin Harcourt. 2007: 20 [2009-08-31]. ISBN 978-0-15-101287-9. 含有内容需登入查看的页面 (link)
6. Michael H. Mogil. Extreme Weather. New York: Black Dog & Leventhal Publisher. 2007: 210–211. ISBN 978-1-57912-743-5.
7. Peter Folger. Severe Thunderstorms and Tornadoes in the United States. DIANE Publishing. 10 April 2011: 16. ISBN 978-1-4379-8754-6.
8. National Severe Storms Laboratory. A Severe Weather Primer: Questions and Answers about Thunderstorms. National Oceanic and Atmospheric Administration. 2006-10-15 [2009-09-01]. （原始内容存档于2009-08-25）.