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Articulo de referencia

Célula de convección

Nube altocúmulo vista desde el transbordador espacial. Las nubes altocúmulo se forman por actividad convectiva. Cubo de 22,7 litros de vino de miel tras 10 días de fermentación,...

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Nube altocúmulo vista desde el transbordador espacial. Las nubes altocúmulo se forman por actividad convectiva.
Cubo de 22,7 litros de vino de miel tras 10 días de fermentación, con canela flotando en la superficie. La convección se produce por la liberación de CO2 por la levadura.

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 lugar a corrientes de convección ascendentes y/o descendentes , que son las características clave de una celda de convección. Cuando un volumen de fluido se calienta, 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 caliente y menos denso, lo que provoca que el fluido caliente ascienda. Este movimiento se denomina 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 gravitatorio, pero en experimentos de microgravedad se ha observado convección térmica sin efectos gravitatorios. [ 1 ]

Los fluidos se definen generalmente como 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 sólidos particulados (como arena, grava y objetos de mayor tamaño durante deslizamientos de rocas ).

Una célula de convección es especialmente importante en la formación de nubes, donde libera y transporta energía. A medida que el aire se desplaza por la superficie terrestre, absorbe calor, pierde densidad y asciende a la atmósfera. Al ser forzado a entrar en la atmósfera, donde la presión atmosférica es menor, no puede contener tanto fluido como a menor altitud, por lo que libera su humedad, produciendo lluvia. En este proceso, el aire caliente se enfría, recupera densidad y desciende hacia la Tierra, repitiéndose así el ciclo.

Las celdas de convección pueden formarse en cualquier fluido, incluyendo la atmósfera terrestre (donde se denominan celdas de Hadley ), agua hirviendo, sopa (donde se identifican por las partículas que transportan, como granos de arroz), el océano o la superficie del Sol. El tamaño de las celdas de convección depende en gran medida de las propiedades del fluido. Incluso pueden aparecer cuando el calentamiento del fluido es uniforme.

Proceso

Un fluido ascendente pierde calor al entrar en contacto con una superficie fría, ya sea mediante intercambio térmico directo o, como en el caso de la atmósfera terrestre, al irradiarlo. En cierto punto, el fluido se vuelve más denso que el que se encuentra debajo, el cual sigue ascendiendo. Al no poder descender a través del fluido ascendente, se desplaza hacia un lado. A cierta distancia, su fuerza descendente supera la fuerza ascendente y el fluido comienza a descender. Durante el descenso, se calienta nuevamente por contacto con la superficie o por conductividad, y el ciclo se repite.

Dentro de la troposfera terrestre

Tormentas eléctricas

Etapas de la vida de una tormenta eléctrica.

El aire caliente tiene menor densidad que el aire frío, por lo que el aire caliente asciende dentro del aire más frío, [ 2 ] de forma similar a los globos aerostáticos. [ 3 ] Las nubes se forman cuando el aire relativamente más cálido que transporta humedad asciende dentro del aire más frío. A medida que el aire húmedo asciende, se enfría, lo que provoca que parte del vapor de agua en la masa de aire ascendente se condense . [ 4 ] Cuando la humedad se condensa, libera energía conocida como calor latente de vaporización, lo que permite que la masa de aire ascendente se enfríe menos que el aire circundante, [ 5 ] continuando el ascenso de la nube. Si hay suficiente inestabilidad en la atmósfera, este proceso continuará el tiempo suficiente para que se formen 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 elevación (calor).

Todas las tormentas eléctricas, independientemente de su 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 provocado por la compresión del aire descendente es responsable de fenómenos invernales como el chinook (como se le conoce en el oeste de Norteamérica) o el föhn (en los Alpes).

Vídeo de la fotosfera solar observada con el Telescopio Solar Sueco (SST) de 1 metro en La Palma, España. El vídeo muestra la granulación solar, resultado de los movimientos convectivos de burbujas de gas caliente que ascienden desde el interior del Sol. Cuando estas burbujas alcanzan la superficie, el gas se enfría y vuelve a descender por las franjas más oscuras entre las células brillantes. En estas franjas intergranulares, también se aprecian pequeños puntos brillantes y estructuras alargadas y brillantes más extensas. Estas son 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 (5800 °C) con un diámetro promedio de unos 1000 kilómetros. El plasma se enfría a medida que asciende y desciende en los estrechos espacios entre los gránulos.

Referencias

  1. ↑ Yu. A. Gaponenko y VE Zakhvataev, ' ' Convección térmica no boussinesq en microgravedad bajo calentamiento no uniforme ' ' [ enlace eliminado ]
  2. ↑ Albert Irvin Frye (1913). Manual 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). Inventos chinos antiguos . Chinese International Press. págs. 112–113 . 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). Storm world: hurricanes , politics, and the battle over global warming . Houghton Mifflin Harcourt. p. 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 severas y tornados en los Estados Unidos . DIANE Publishing. pág. 16. ISBN  978-1-4379-8754-6.
  8. ↑ Laboratorio Nacional de Tormentas Severas (15 de octubre de 2006). "Introducción al clima severo: preguntas y respuestas sobre tormentas eléctricas" . Administración Nacional Oceánica y Atmosférica . Archivado del original el 25 de agosto de 2009. Consultado el 1 de septiembre de 2009 .