Celda de convección

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Nube de Altocumulus vista desde el transbordador espacial. Las nubes de Altocumulus se forman por actividad convectiva.
Cubo de 6 galones de vino de miel después de fermentar 10 días con canela flotando en la parte superior. La convección es causada por la levadura liberando CO2.

En el campo de la 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 como resultado corrientes ascendentes y/o descendentes, que son las características clave de una celda de convección. Cuando se calienta un volumen de fluido, 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 cálido y menos denso, y esto hace que el fluido más cálido suba. Tal movimiento se denomina convección, y el cuerpo de líquido en movimiento se denomina 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 gravitacional, pero en experimentos de microgravedad, se ha observado convección térmica sin efectos gravitatorios.

Los fluidos se generalizan como materiales que exhiben la propiedad de fluir; sin embargo, este comportamiento no es exclusivo de los líquidos. Las propiedades de los fluidos también se pueden observar en los gases e incluso en las partículas sólidas (como arena, grava y objetos más grandes durante los deslizamientos de rocas).

Una celda de convección es más notable en la formación de nubes con su liberación y transporte de energía. A medida que el aire se desplaza por el suelo, absorbe calor, pierde densidad y asciende a la atmósfera. Cuando es forzado a salir a la atmósfera, que tiene una presión de aire más baja, no puede contener tanto líquido como a una altitud más baja, por lo que libera su aire húmedo y produce lluvia. En este proceso se enfría el aire caliente; gana densidad y cae hacia la tierra y la célula repite el ciclo.

Las células de convección se pueden formar en cualquier fluido, incluida la atmósfera terrestre (donde se denominan células de Hadley), agua hirviendo, sopa (donde las células se pueden identificar por las partículas que transportan, como granos de arroz), el océano o la superficie del Sol. El tamaño de las celdas de convección está determinado en gran medida por las propiedades del fluido. Las celdas de convección pueden incluso ocurrir cuando el calentamiento de un fluido es uniforme.

Proceso

Un cuerpo de fluido ascendente normalmente pierde calor cuando se encuentra con una superficie fría cuando intercambia calor con un líquido más frío a través del intercambio directo o, en el ejemplo de la atmósfera de la Tierra, cuando irradia calor. En algún momento, el fluido se vuelve más denso que el fluido debajo de él, que todavía está subiendo. Como no puede descender a través del fluido ascendente, se desplaza hacia un lado. A cierta distancia, su fuerza descendente supera la fuerza ascendente debajo de él y el fluido comienza a descender. A medida que desciende, vuelve a calentarse por contacto con la superficie o por conductividad y el ciclo se repite.

Dentro de la troposfera terrestre

Tormentas eléctricas

Escenas de la vida de una tormenta.

El aire caliente tiene una densidad más baja que el aire frío, por lo que el aire caliente se eleva dentro del aire más frío, de forma similar a los globos aerostáticos. Las nubes se forman a medida que el aire relativamente más cálido que transporta humedad se eleva dentro del aire más frío. A medida que el aire húmedo asciende, se enfría, lo que hace que parte del vapor de agua del paquete de aire ascendente se condense. Cuando la humedad se condensa, libera energía conocida como calor latente de vaporización, lo que permite que el paquete de aire ascendente se enfríe menos que el aire que lo rodea, continuando la ascensión de la nube. Si hay suficiente inestabilidad en la atmósfera, este proceso continuará el tiempo suficiente para que se formen nubes cumulonimbus, que soportan rayos y truenos. Generalmente, las tormentas eléctricas requieren tres condiciones para formarse: humedad, una masa de aire inestable y una fuerza de sustentación (calor).

Todas las tormentas eléctricas, independientemente del tipo, pasan por tres etapas: una "etapa de desarrollo", una "etapa madura" y una "etapa de disipación". La tormenta eléctrica promedio tiene un diámetro de 24 km (15 mi). Dependiendo de las condiciones presentes en la atmósfera, estas tres etapas toman un promedio de 30 minutos para pasar.

Procesos adiabáticos

El calentamiento causado por la compresión del aire descendente es responsable de fenómenos invernales como el chinook (como se le conoce en el oeste de América del Norte) o el Föhn (en los Alpes).

Película de la fotosfera solar observada con el Telescopio Solar Sueco de 1 m (SST) en La Palma, España. La película muestra la granulación solar que es el resultado de movimientos convectivos de burbujas de gas caliente que surgen del interior solar. Cuando estas burbujas llegan a la superficie, el gas se enfría y fluye de nuevo en las vías más oscuras entre las células brillantes. En estas llamadas carriles intergranulares, también podemos ver pequeños puntos brillantes y estructuras alargadas más largas. Son regiones con campos magnéticos fuertes.

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.

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