Konvektio

Ilman konvektio yksinkertaisen keittimen läpileikkauksessa

Konvektio (tai kuljettuminen) on lämmön siirtoa kaasussa tai nesteessä lämmön aiheuttamien virtausten mukana.^[1] Se aiheutuu lämpötilaerosta, joka aiheuttaa tiheyseroja. Kuuma, harva aine kohoaa painovoimakentässä ylöspäin. Liikkeellepaneva voima on siis noste. Tiheämpi, viilentynyt aine laskeutuu alaspäin. Konvektio on johtumisen ja säteilyn ohella yksi kolmesta primäärisestä lämmönsiirtotavasta. Hellalla lämmitettävässä vesikattilassa voi havaita konvektiota ennen kiehumista, ja varsinkin tätä huomaa silloin kun kuumentaa vettä lasiastiassa, sillä eri tiheyksisellä vedellä on erilainen taitekerroin, mikä saa aikaan näkyvää veden väreilyä.

Konvektion erikoistapaus on pakotettu konvektio, missä lämmenneiden kaasu- tai nestemolekyylien liikettä tehostetaan potkurilla tai tuulettimella. Eräs käytännön sovellus pakotetusta konvektiosta on tietokoneen tuuletin.

Fluidin tiheyseroista aiheutuvan luonnollisen konvektion voimakkuutta kuvaa Rayleighin luku

${\displaystyle Ra_{x}={\frac {\beta \Delta Tgx^{3}}{\nu ^{2}}}Pr}$,

missä ${\displaystyle \scriptstyle x}$ voi olla kappaleen karakteristinen mitta, esimerkiksi pallon säde tai sylinterin halkaisija tai se voi olla mitta esimerkiksi pystysuoran levyn alareunasta ylöspäin. Konvektion siirtämä lämpöteho voidaan laskea Rayleighin luvun avulla teoreettisten korrelaatioiden avulla. Yleensä annetaan Nusseltin luku, josta lämpöteho voidaan laskea.

Luonnollisen konvektion korrelaatiot

Kun pystysuora levy on laminaarisessa virtauksessa ja Rayleighin luku saa arvon ${\displaystyle \scriptstyle 10^{-1}<Ra_{L}<10^{9}}$, Nusseltin luvun keskiarvo voidaan ilmaista muodossa

${\displaystyle Nu_{L}=0.68+{\frac {0.67(Ra_{L})^{1/4}}{[1+({\frac {0.492}{Pr}})^{\frac {9}{16}}]^{\frac {4}{9}}}}}$.^[2]

Konvektiosolu

Konvektiosolussa on lämmön takia "nouseva" virtaus ja jäähtyneen kaasun, nesteen tms. laskeva virtaus. Konvektiosolut syntyvät, muuttuvat ja katoavat joskus hyvinkin nopeasti, ja ovat toisinaan vakaita. Aluetta, missä konvektiota tapahtuu, sanotaan konvektiiviseksi alueeksi.^lähde?

Konvektio säätieteessä

Konvektio ilmakehässä (esim. termiikki) aiheutuu useimmin siitä, että Aurinko lämmittää maanpintaa. Lämpö siirtyy johtumalla maanpinnan läheiseen ilmakerrokseen. Kun ilma saa tarpeeksi lämpöä, sen tiheys pienenee ja nousee pieniä "kuumailmapalloja", ikään kuin ilmakuplia ilmamassassa, jotka sekoittavat tehokkaasti troposfäärin ilmaa. Noustessaan konvektiokuplat joutuvat pienempään paineeseen, jolloin ne jäähtyvät. Nousu pysähtyy, kun kupla on jäähtynyt ympäröivän ilman lämpötilaan – silloinhan nostevoima lakkaa.

Meteorologiassa käydään keskustelua siitä, kuinka paljon kupla vaihtaa energiaa ympäristönsä kanssa ("entrainment") ja kuinka paljon jäähtyminen johtuu pelkästä paine-erosta kaasujen yleisen tilanyhtälön mukaan.

Konvektio on purjelennon pääasiallinen käyttövoima. Se saa aikaan kumpupilvet ja kuuropilvet.^[3] Konvektiopilvissä nousuliikkeet ovat huomattavasti suurempia kuin kerrospilvissä,^[4] 0,20–10 m/s. Nämä voimakkaat nousuliikkeet voivat saada aikaan rakeita ja ukkosta.

Matalaa heikkoa konvektiota voi esiintyä myös silloin, kun kylmä ilma virtaa sulan meren päälle. Avoimen meren vaikutus saa aikaan sen, että merellä syntyy konvektiivisia pilviä ja lumikuuroja. Tällaiset lumikuurot ajautuvat maihin etenkin siellä missä on kohtuullisen kapeita vesialueita kylmässä ilmastossa, muun muassa Suomenlahdella ja Pohjois-Amerikan Suurilla järvillä. Päijänne ja useat muut Suomen järvet sopisivat muotonsa puolesta, mutta ne ovat usein jäässä ennen kuin tarpeeksi voimakas kylmä ilmavirtaus osuu paikalle. Joinakin vuosina rannikon lumikuuroja on havaittu myös Suomen järvillä.

Konvektio planeettojen sulassa sisuksessa ja tähdissä

Konvektio maankuoressa: Maan sisällä tapahtuu radioaktiivisen lämmön ja pyörimisen takia konvektiota, joka aiheuttaa mannerliikuntoja ja Maan magneettikentän dynamomekanismilla. Konvektiota tapahtuu tähtien sisuksissa, mikäli olosuhtet ovat sopivat. Jotkut tähdet ovat kokonaan konvektiivisia. Auringon pinnalle ulottuva konvektio synnyttää tähdenpilkkuja monimutkaisen prosessin kautta. Auringon konvektio näkyy pinnan rakeisuutena.

Lähteet

1. Doswell: Severe Convective Storms -- An Overview The American Meteorological Society. Viitattu 5.5.2012.
2. Ethirajan Rathakrishnan: Elements of Heat Transfer, s. 224-225. CRC Press, 2012. ISBN 9781439878910 (englanniksi)
3. Therml Soaring Full text of the classic FAA guide. Viitattu 5.5.2012.
4. Geerts: Convective and stratiform rainfall in the tropics das.uwyo.edu. Viitattu 5.5.2012.

Aiheesta muualla

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Konvektio Wikimedia Commonsissa

Meteorologinen data ja muuttujat

• Auringon säteily
• CAPE
• helteen tukaluus
• CIN
• epävakaisuus
• kastepiste
• konvektio
• kosteus
• lämpötila
• lifted-indeksi
• näkyvyys
• pakkasen purevuus
• pilvi
• salama
• sade
• tuuli
• vesihöyry