对流单体

在流体动力学领域，对流池是当液体或气体内存在密度差异时发生的现象。 这些密度差异导致电流上升和/或下降，这是对流室的关键特征。 当一定体积的流体被加热时，它会膨胀并变得密度降低，因此比周围的流体浮力更大。 流体中温度较低、密度较大的部分下降到温度较高、密度较低的流体下方，这导致温度较高的流体上升。 这种运动称为对流，液体的运动体称为对流单元。 这种特殊类型的对流，水平流体层从下方被加热，被称为瑞利-贝纳德对流。 对流通常需要重力场，但在微重力实验中，已经观察到没有重力效应的热对流。

流体被概括为具有流动性的材料； 然而，这种行为并不是液体独有的。 流体特性也可以在气体中观察到，甚至在颗粒状固体（例如岩石滑坡期间的沙子、砾石和更大的物体）中也可以观察到。

对流单元在云的形成以及能量的释放和传输中最为显着。 当空气沿着地面移动时，它会吸收热量、失去密度并向上移动到大气中。 当它被迫进入气压较低的大气层时，它所含的液体不能像低海拔地区那样多，因此它会释放出潮湿的空气，从而产生雨水。 在这个过程中，暖空气被冷却； 它增加密度并落向地球，细胞重复这个循环。

对流单体可以在任何流体中形成，包括地球的大气层（在那里它们被称为哈德利细胞）、沸水、汤（细胞可以通过它们输送的颗粒来识别，例如米粒）， 海洋，或太阳表面。 对流单元的大小在很大程度上取决于流体的特性。 当流体的加热均匀时，甚至会发生对流单体。

当流体通过直接交换与较冷的液体交换热量时，或者在地球大气层的例子中，当它辐射热量时，上升的流体通常会在遇到冷表面时失去热量。 在某些时候，流体变得比它下面的流体更稠密，后者仍在上升。 由于它不能通过上升的流体下降，它会移动到一侧。 在一定距离处，它向下的力克服了它下方的上升力，流体开始下降。 当它下降时，它会通过表面接触或传导性再次变暖，然后循环重复。

暖空气的密度低于冷空气，因此暖空气在冷空气中上升，类似于热气球。 当携带水分的相对温暖的空气在较冷的空气中上升时，云就会形成。 随着潮湿空气上升，它会冷却，导致上升的空气包中的一些水蒸气凝结。 当水分凝结时，它会释放出被称为汽化潜热的能量，这使得上升的空气团比周围的空气冷却得更少，从而继续云的上升。 如果大气中存在足够的不稳定因素，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）。

所有雷暴，无论类型如何，都会经历三个阶段：“发展阶段”、“成熟阶段”和“消散阶段”。 平均雷暴的直径为 24 公里（15 英里）。 根据大气中存在的条件，这三个阶段平均需要 30 分钟才能完成。

太阳的光球层由称为颗粒的对流单元组成，这些单元是上升的过热 (5,800 °C) 等离子体柱，平均直径约为 1,000 公里。 等离子体在颗粒之间的狭窄空间中上升和下降时会冷却。