Sự chuyển động lưu thông

Sự chuyển động lưu thông (tiếng Anh: Convection) là sự lưu động tương đối của chất lỏng hoặc khí trong bộ phận nội bộ do sự khác biệt nhiệt độ gây ra, dẫn đến chuyển giao nhiệt lượng và hỗn hợp chất lưu vĩ mô. Trong quá trình này, bộ phận nóng sẽ nổi lên và bộ phận lạnh sẽ trồi xuống, tạo ra một chu trình lưu thông và hỗn hợp chất lỏng hoặc khí, từ đó đều hóa nhiệt độ. Đối lưu là phương pháp chính để truyền nhiệt trong chất lỏng và khí do độ dẫn nhiệt thấp của chúng.

Sự chuyển động lưu thông được chia thành hai loại: tự nhiên và cưỡng bách. Đối lưu tự nhiên xảy ra tự nhiên do sự khác biệt nhiệt độ hoặc nồng độ, tạo ra các biến đổi mật độ. Đối lưu cưỡng bách là do sự tác động từ bên ngoài, khiến cho lưu thông và truyền nhiệt diễn ra nhanh hơn.

Định nghĩa

Đối lưu là sự lưu động của các phần tử trong chất lỏng hoặc khí. Đối lưu tự nhiên xảy ra do chênh lệch nhiệt độ hoặc nồng độ, tạo ra biến đổi mật độ. Đối lưu cưỡng bách là kết quả của tác động bên ngoài, tăng tốc độ lưu chuyển và truyền nhiệt nhanh hơn.

Chất lưu (khí hoặc chất lỏng) truyền nhiệt qua sự lưu động của bản thân. Vì khả năng dẫn nhiệt thấp, đối lưu là phương pháp chính để truyền nhiệt trong chất lỏng và khí. Đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡng bách là hai dạng chính. Đối lưu tự nhiên do sự khác biệt nhiệt độ hoặc nồng độ, tạo ra biến đổi mật độ. Đối lưu cưỡng bách do tác động từ bên ngoài, tăng tốc độ lưu chuyển và truyền nhiệt nhanh hơn. Đối lưu tự nhiên diễn ra trong không khí trong phòng khi sưởi ấm vào mùa đông, cũng như trong khí quyển và dưới biển - đại dương.

Ứng dụng của đối lưu

Đối lưu trong khí quyển

Đối lưu khí quyển là sự di chuyển thẳng đứng của các cục không khí trong khí quyển do tác động của nhiệt lực hoặc động lực. Qua đối lưu khí quyển, có thể xảy ra sự trao đổi nhiệt, động lượng và hơi nước giữa tầng thấp và tầng cao của khí quyển, cũng như sự ngưng tụ hơi nước góp phần vào sự hình thành các hiện tượng mưa. Đối lưu khí quyển do tác động nhiệt lực chủ yếu là sự di chuyển lên cao của các khối không khí không ổn định, khi mật độ của khối không khí ít hơn mật độ của khí quyển xung quanh, do đó lực nổi tạo ra vượt lên lực hút của trọng lực dưới tác dụng của lực ác-si-mét. Hiện tượng mưa thường xảy ra vào mùa hè, có phạm vi hẹp và thời gian ngắn, do sự hình thành của mây dày đặc dưới tác động nhiệt lực của đối lưu khí quyển. Đối lưu khí quyển do tác động động lực chủ yếu là sự di chuyển lên cao của dòng khí hoặc do sự tụ họp ngang của luồng hơi và sự hình thành của địa hình. Hiện tượng mưa rộng lớn trong khí quyển thường là do sự hình thành của mặt front và sự nâng cưỡng bách của địa hình. Đối lưu khí quyển do địa hình đặc biệt (như dạng địa hình miệng loa) tạo ra tác động nâng cao địa hình và sự tụ họp ngang của luồng hơi so với mặt nước.

Một mặt là tác động của nhiệt lực và động lực có thể tạo ra đối lưu khí quyển, mặt khác đối lưu khí quyển cũng có thể ảnh hưởng đến cấu trúc nhiệt lực và động lực của khí quyển, đó là hiệu ứng phản hồi của đối lưu khí quyển. Trên vùng đất nhiệt đới, nơi khí quyển chủ yếu cư trú, tác động phản hồi này có vai trò quan trọng, đó là sự tụ họp và gia tăng nhiệt lượng của hơi nước do đối lưu khí quyển gây ra, là nguồn năng lượng chủ yếu cho sự di chuyển lớn của khí quyển ở khu vực đó.

Cấu trúc tầng khí quyển

Tầng khí đối lưu ở tầng thấp nhất của khí quyển, chứa khoảng 75% khối lượng không khí và hơn 90% khối lượng hơi nước. Ranh giới dưới của nó tiếp xúc trực tiếp với mặt đất, chiều cao ranh giới trên thay đổi theo vĩ độ và mùa vụ. Chiều cao trung bình ở vùng cận xích đạo là từ 17 đến 18 km, ở vùng vĩ độ trung bình là từ 10 đến 12 km, và ở cực là từ 8 đến 9 km. Tầng này cao hơn vào mùa hạ so với mùa đông.

Trong tầng đối lưu, nhiệt độ không khí giảm theo chiều cao, trung bình mỗi khi cao thêm 100 m, nhiệt độ giảm khoảng 0,65 °C. Vì sự ảnh hưởng lớn từ bề mặt Trái Đất, phân bố ngang của các yếu tố khí tượng (nhiệt độ không khí, độ ẩm, vv) không đồng đều. Chuyển động dọc của không khí có thứ tự và sự kết hợp hỗn loạn không theo quy tắc, đều mạnh mẽ tương đương. Sự hỗn hợp của hơi nước, bụi và nhiệt lượng giữa tầng trên và dưới đối lưu tạo ra sự trao đổi lẫn nhau. Với hơn 90% hơi nước tập trung trong tầng đối lưu, nhiều hiện tượng thời tiết như mây, sương mù, mưa, tuyết thường xảy ra ở đây.

Trong tầng đối lưu, từ mặt đất đến 1 - 2 km, tầng này bị ảnh hưởng bởi sự tương tác với mặt đất, khô và ẩm, lạnh và nóng khác biệt lớn, được gọi là tầng ma sát (hoặc biên giới khí quyển). Tầng ma sát ít bị ảnh hưởng bởi mặt đất hơn, được gọi là khí quyển tự do. Tầng quá độ ở giữa tầng đối lưu và tầng bình lưu - nằm phía trên tầng đối lưu, được gọi là đỉnh tầng đối lưu, có chiều dày từ vài trăm mét đến 2 km. Độ biến đổi ngang của nhiệt độ không khí gần đỉnh tầng đối lưu phụ thuộc vào chiều cao, có thể giảm nhỏ hoặc tăng khi chiều cao tăng, hoặc nhiệt độ không thay đổi khi chiều cao tăng, hoặc tăng theo chiều cao.

Tầng đối lưu áo khoác

Đối lưu địa mạn, hay còn gọi là đối lưu lớp phủ, là sự chuyển động mềm mại và chậm của lớp che phủ nham thạch Trái Đất, do sự di chuyển của năng lượng từ bên trong Trái Đất ra bên ngoài. Đây là một trong ba loại lực tạo ra sự biến đổi địa chất vòng quanh bề mặt Trái Đất.

Một giả thuyết giải thích sự di chuyển vật chất trong nội bộ Trái Đất và cơ chế chuyển động của vỏ Trái Đất và nham thạch quyển. Nó cho biết rằng trong lớp phủ tồn tại các luồng chảy lưu của vật chất. Ở trung tâm của lớp phủ, nhiệt độ tăng và vật chất trở nên nhẹ, chuyển động thong thả lên cao tạo thành các dòng chảy lên, đi lên tới đỉnh của quyển và chảy về phía bình lưu ngược chiều. Các dòng chảy lưu gặp nhau và khiến chúng biến thành các dòng chảy xuống thấp, tạo thành các hệ đối lưu hình vòng ngọc. Sự chuyển động ngang của các mảng nham thạch quyển - bình lưu ở phần trên của hệ đối lưu có quy mô lớn. Các dòng trào dâng hình thành núi dưới đại dương, trong khi các dòng xuống thấp tạo thành vùng sâu và va chạm với lục địa. Năm 1928, nhà địa chất người Anh Arthur Holmes lý giải rằng các dòng trào dâng mở rộng vỏ Trái Đất, hình thành các mạch núi. Năm 1939, nhà vật lí địa cầu người Mỹ David Tressel Griggs cho rằng sự dẫn nhiệt kém của nham thạch là nguyên nhân của các hệ đối lưu. Sau khi học thuyết mảng sinh ra vào những năm 1960, sự chuyển động đối lưu lớp phủ được xem là lực tạo ra sự biến đổi địa chất trong hàng triệu đến hàng trăm triệu năm.

Quyển chảy mềm ở dưới nham thạch quyển của Trái Đất chiếm 10% khối lượng nóng chảy. Lớp phủ từ nham thạch quyển trở xuống, với nhiệt độ cao và áp suất lớn, có tính chất mềm dẻo giống chất lỏng dính, và có thể tạo ra các dòng chảy. Trong lớp phủ, do sự biến chất của các đồng vị phóng xạ, nhiệt độ tăng và mật độ giảm, dẫn đến sự chuyển động của vật chất nhẹ lên và vật chất nặng xuống, giữ cho trạng thái năng lượng ổn định ở mức thấp nhất. Đây chính là đối lưu lớp phủ, với tốc độ chậm và các dòng trào dâng kéo dài từ vài chục triệu đến hàng trăm triệu năm.

Phát hiện sự dị hướng của sóng địa chấn và giả thuyết về sự sắp đặt hướng tinh thể do đối lưu lớp phủ đã phản đối mạnh mẽ lý thuyết này. Nhà vật lí địa cầu người Mỹ William Jason Morgan đã đề xuất mô hình đối lưu lớp phủ dưới dạng một lông chim đơn trục. Hệ đối lưu nâng lên từ đáy lớp phủ với tốc độ vài xăngtimét mỗi năm, hình thành các dòng trào dâng tập trung vào trung tâm trục và các dòng chảy xuống thấp hình dạng ống tròn bên ngoài. Vùng vỏ Trái Đất mà các dòng trào dâng hướng về được gọi là điểm nóng.

Thời tiết đối lưu

mưa, tuyết rơi,...

Mô hình toán học về đối lưu

Về mặt toán học, đối lưu có thể được mô tả bởi phương trình chuyển khối (phương trình khuếch tán - đối lưu).