Sel konveksi

Di bidang dinamika fluida, sel konveksi adalah fenomena yang terjadi ketika ada perbedaan densitas di dalam benda cairan atau gas. Perbedaan kerapatan ini menghasilkan arus naik dan/atau turun, yang merupakan karakteristik utama sel konveksi. Ketika volume cairan dipanaskan, itu memuai dan menjadi kurang padat dan dengan demikian lebih apung daripada cairan di sekitarnya. Bagian cairan yang lebih dingin dan lebih padat turun untuk mengendap di bawah cairan yang lebih hangat dan kurang padat, dan ini menyebabkan cairan yang lebih hangat naik. Gerakan seperti itu disebut konveksi, dan benda cair yang bergerak disebut sebagai sel konveksi. Jenis konveksi khusus ini, di mana lapisan horizontal fluida dipanaskan dari bawah, dikenal sebagai konveksi Rayleigh–Bénard. Konveksi biasanya membutuhkan medan gravitasi, tetapi dalam eksperimen gayaberat mikro, konveksi termal telah diamati tanpa efek gravitasi.^[1]

Fluida digeneralisasikan sebagai bahan yang menunjukkan sifat aliran; Namun, perilaku ini tidak unik untuk cairan. Sifat fluida juga dapat diamati dalam gas dan bahkan pada partikel padat (seperti pasir, kerikil, dan benda yang lebih besar selama longsoran batu).

Sel konveksi paling menonjol dalam pembentukan awan dengan pelepasan dan transportasi energinya. Saat udara bergerak di sepanjang tanah, ia menyerap panas, kehilangan kepadatan dan naik ke atmosfer. Ketika dipaksa ke atmosfer, yang memiliki tekanan udara lebih rendah, ia tidak dapat menampung cairan sebanyak di ketinggian yang lebih rendah, sehingga ia melepaskan udara lembabnya, menghasilkan hujan. Dalam proses ini udara hangat didinginkan; itu mendapatkan kepadatan dan jatuh ke bumi dan sel mengulangi siklus.

Sel konveksi dapat terbentuk dalam cairan apa pun, termasuk atmosfer bumi (disebut sel Hadley), air mendidih, sup (di mana sel dapat diidentifikasi dengan partikel yang diangkutnya, seperti butiran beras), laut, atau permukaan Matahari. Ukuran sel konveksi sangat ditentukan oleh sifat fluida. Sel konveksi bahkan dapat terjadi ketika pemanasan cairan seragam.

Badan fluida yang naik biasanya kehilangan panas ketika bertemu dengan permukaan yang dingin ketika ia menukar panas dengan cairan yang lebih dingin melalui pertukaran langsung, atau dalam contoh atmosfer bumi, ketika ia memancarkan panas. Pada titik tertentu, cairan menjadi lebih padat daripada cairan di bawahnya, yang masih naik. Karena tidak dapat turun melalui fluida yang naik, ia bergerak ke satu sisi. Pada jarak tertentu, gaya ke bawahnya mengatasi gaya naik di bawahnya, dan cairan mulai turun. Saat turun, ia menghangat lagi melalui kontak permukaan atau konduktivitas dan siklus berulang.

Udara hangat memiliki kerapatan yang lebih rendah daripada udara dingin, sehingga udara hangat naik di dalam udara yang lebih dingin, mirip dengan balon udara panas. Awan terbentuk sebagai udara yang relatif lebih hangat yang membawa uap air naik di dalam udara yang lebih dingin. Saat udara lembab naik, ia mendingin, menyebabkan sebagian uap air dalam paket udara yang naik mengembun. Ketika uap air mengembun, ia melepaskan energi yang dikenal sebagai panas laten penguapan, yang memungkinkan paket udara yang naik menjadi lebih dingin daripada udara di sekitarnya, melanjutkan kenaikan awan. Jika ketidakstabilan yang cukup hadir di atmosfer, proses ini akan berlanjut cukup lama untukawan cumulonimbus terbentuk, yang mendukung kilat dan guntur. Umumnya, badai petir membutuhkan tiga kondisi untuk terbentuk: kelembaban, massa udara yang tidak stabil, dan gaya angkat (panas).

Semua badai petir, apa pun jenisnya, melewati tiga tahap: 'tahap berkembang', 'tahap dewasa', dan 'tahap menghilang'. Rata-rata badai petir memiliki diameter 24 km (15 mil). Tergantung pada kondisi yang ada di atmosfer, ketiga tahap ini membutuhkan waktu rata-rata 30 menit untuk dilalui.

Fotosfer Matahari terdiri dari sel konveksi yang disebut butiran, yang merupakan kolom naik dari plasma superpanas (5.800 °C) dengan diameter rata-rata sekitar 1.000 kilometer. Plasma mendingin saat naik dan turun di ruang sempit di antara butiran.