Конвекция это в астрономии кратко

Обновлено: 30.06.2024

Зона конвекции или конвективная зона - это термодинамически нестабильный слой звезды. Энергия в основном или частично переносится конвекцией посылок внутри этой области, в отличие от зоны излучения, где энергия переносится испускаемым излучением и проводимостью . Следовательно, это массовое движение плазмы внутри звезды, которое обычно образует круговой конвекционный ток, когда нагретая плазма поднимается, а охлажденная плазма падает.

Критерий Шварцшильда выражает условия, при которых область звезды, таким образом, является нестабильной. Слегка поднявшийся газовый поток окажется в среде с более низким давлением, чем та, из которой он возник. Его объем увеличивается, а затем его температура понижается. Если восходящий пакет остынет до температуры ниже, чем температура его новой среды, тогда он будет иметь более высокую плотность, чем окружающий газ, и, согласно принципу Архимеда, он упадет обратно туда, откуда пришел. Однако, если температурный градиент достаточно крутой (то есть температура быстро меняется с расстоянием от центра звезды), или если газ имеет очень высокую теплоемкость (то есть - скажем, его температура изменяется медленно во время расширения звезды). объем), посылка останется более теплой и менее плотной, чем ее новая среда, и ее плавучесть заставит ее продолжать расти.

Резюме

Состояние Шварцшильда

Температурный градиент определяет, будет ли элемент звезды подниматься или опускаться, если он перемещается случайными колебаниями в звезде, или если принцип Архимеда вернет его в исходное положение. Критерий Шварцшильда для подавления конвекции:

Звезды основной последовательности

В главной последовательности звезд более чем в 1,3 раза от массы Солнца , температура ядра очень высока , и приводит к тому , ядерного синтеза из водорода в гелий , главным образом , через углерод-азот-кислород (CNO) цикла. Вместо протон-протонного цепи , который меньше подвержен влиянию температуры. Ядро этих звезд окружено слоем излучения, которое находится в тепловом равновесии и практически не перемешивается.

С другой стороны, верхний слой нагревается у основания излучением и охлаждается сверху внешним слоем звезды. Таким образом, сильный температурный градиент создает зону конвекции, в которой водородное топливо медленно смешивается с гелиевым продуктом. У самых массивных звезд зона конвекции может простираться от ядра до поверхности.

В звездах главной последовательности с массой менее 10 солнечных масс внешняя оболочка звезды содержит область, в которой частичная ионизация водорода и гелия увеличивает теплоемкость. Относительно низкая температура в этой области одновременно приводит к тому, что поглощение , обусловленное более тяжелыми элементами, становится достаточно высоким для создания крутого температурного градиента. Такое сочетание обстоятельств создает зону внешней конвекции, верхняя часть которой видна на Солнце как солнечная грануляция . Звезды главной последовательности с малой массой, такие как красные карлики с массой менее 0,35 солнечной, а также звезды пути Хаяши до главной последовательности , являются конвективными по всему своему объему и не содержат зонального излучения.

Звезды солнечного типа

Для звезд главной последовательности, подобных Солнцу, с излучающим ядром и конвективной оболочкой, переходная область между конвекционной зоной и излучающей зоной называется тахоклином . В случае самого Солнца конвективная зона распространяется на 0,8 солнечных луча от центра до видимой поверхности Солнца. Он отделен от зоны излучения тахоклином толщиной около 3000 километров, который, согласно недавним исследованиям, может быть местом сильных магнитных полей и играть важную роль в солнечном динамо . Температура колеблется от 2 миллионов до ~ 5 800 Кельвинов . Материал достиг поверхности, охлаждается, снова погружается в основание конвективной зоны, чтобы получить тепло от верхней части зоны излучения и т. Д. Образованные таким образом гигантские конвективные ячейки ответственны за солнечные грануляции, наблюдаемые на поверхности звезды. Турбулентность, возникающая в этой области, создает динамо-эффект, ответственный за магнитную полярность север-юг на поверхности Солнца.

Красные гиганты

У красных звезд- гигантов , и особенно во время асимптотической ветви звезд- гигантов , область поверхностной конвекции изменяется по толщине во время фаз ядерного синтеза во внутренней оболочке вблизи ядра звезды. Это вызывает недолговечные события драгирования элементов, приводящие к плавлению ядра звезды на поверхность.

Пример

Наблюдение за красным гигантом π1 Груис (ru) выявило конвекционные ячейки диаметром около 120 миллионов километров, или почти 30% диаметра звезды.

Зона конвекции — область Солнца (или более обще, звезды) в которой перенос энергии из внутренних районов во внешние происходит главным образом путём активного перемешивания вещества — конвекции.

Содержание

Расположение и строение

Выше зоны конвекции расположена фотосфера, ниже — зона лучистого переноса. Вещество в конвективной зоне все ещё непрозрачно для излучения, как и в лучистой зоне, однако его плотность уже не настолько велика, чтобы препятствовать его перемешиванию. Наглядным аналогом процессов, происходящих в конвективной зоне, является подогрев воды в сосуде. Пламя нагревает нижние слои воды, и они в результате теплового расширения вытесняются вверх другими, холодными и более тяжёлыми слоями. Аналогичный процесс происходит и в Солнце, где источником энергии служит солнечное ядро с происходящими в нем термоядерными реакциями.

Конвективные зоны звёзд различной массы

Обычная конвективная зона

Солнце, а также все звезды главной последовательности, имеющие среднюю массу, обладают конвективной зоной, которая занимает приблизительно треть объёма звезды. Когда горячая плазма поднимается к верхней границе конвективной зоны, она охлаждается за счёт излучения энергии в фотосферу, остывает и погружается вглубь, где нагревается излучением лучистой зоны, после чего цикл повторяется. Поскольку зона ядерных реакций отделена от зоны перемешивания вещества зоной лучистого переноса, то гелий практически не выносится в поверхностные слои Солнца, а накапливается в его ядре.

Ядерная конвективная зона

У звёзд, чья масса превышает солнечную в 1,1 раза синтез гелия осуществляется не протон-протонным, а азотно-углеродным циклом. Скорость этой реакции очень сильно зависит от температуры, поэтому температура внутри ядра по мере движения от центра звезды очень быстро опускается. Большой температурный градиент внутри ядра создаёт условия для формирования ещё одной, внутриядерной зоны конвекции, которая лежит под зоной лучистого переноса, и в которой происходит активное перемешивание массы вещества, участвующего в ядерных реакциях.

Звезды без лучистой зоны

У звёзд главной последовательности, имеющих малую массу — красных карликов, зона конвекции занимает все пространство от ядра до фотосферы, поскольку давление в их недрах не может сжать вещество настолько, чтобы препятствовать его перемешиванию, и привести к возникновению зоны лучистого переноса. У красных гигантов зона конвекции также простирается непосредственно до ядра.

На уроке мы изучим строение внутренних и внешних слоев Солнца, узнаем, как внутри Солнца выделяется и передается энергия, и обсудим вопрос его происхождения и перспектив. Солнце – это одна из множества звезд во Вселенной. Мы изучим, какие бывают звезды, чем они отличаются между собой, как они образуются и преобразуются со временем.

Если приблизить руку к включенной электролампе или поместить ладонь над горячей плитой, можно почувствовать движение теплых потоков воздуха. Тот же эффект можно наблюдать при колебании листа бумаги, помещенного над открытым пламенем. Оба эффекта объясняются конвекцией.

Что представляет собой?

В основе явления конвекции лежит расширение более холодного вещества при соприкосновении с горячими массами. В таких обстоятельствах нагреваемое вещество теряет плотность и становится легче по сравнению с окружающим его холодным пространством. Наиболее точно данная характеристика явления соответствует перемещению тепловых потоков при нагревании воды.

Движение молекул в противоположных направлениях под воздействием нагревания – это именно то, на чем основывается конвекция. Излучение, теплопроводность выступают схожими процессами, однако касаются прежде всего передачи тепловой энергии в твердых телах.

Яркие примеры конвекции – перемещение теплого воздуха в середине помещения с отопительными приборами, когда нагретые потоки движутся под потолок, а холодный воздух опускается к самой поверхности пола. Именно поэтому при включенном отоплении вверху комнаты воздух заметно теплее по сравнению с нижней частью помещения.

Закон Архимеда и тепловое расширение физических тел

Чтобы понять, что представляет собой естественная конвекция, достаточно рассмотреть процесс на примере действия закона Архимеда и явления расширения тел под воздействием теплового излучения. Так, согласно закону, повышение температуры обязательно приводит к увеличению объемов жидкости. Нагреваемая снизу жидкость в емкостях поднимается выше, а влага большей плотности, соответственно, перемещается ниже. В случае нагрева сверху более и менее плотные жидкости останутся на своих местах, в таком случае явления не произойдет.

Возникновение понятия

Виды конвекции

Существует несколько видов описываемого нами явления – естественная и вынужденная конвекция. Пример перемещения потоков горячего и холодного воздуха в середине помещения как нельзя лучше характеризует процесс естественной конвекции. Что касается вынужденной, то ее можно наблюдать при перемешивании жидкости ложкой, насосом или мешалкой.

Конвекция невозможна при нагревании твердых тел. Всему виной достаточно сильное взаимное притяжение при колебании их твердых частиц. В результате нагрева тел твердой структуры не возникают конвекция, излучение. Теплопроводность заменяет указанные явления в таких телах и способствует передаче тепловой энергии.

Отдельным видом выступает так называемая капиллярная конвекция. Происходит процесс при перепадах температуры во время движения жидкости по трубам. В естественных условиях значение такой конвекции наряду с естественной и вынужденной крайне несущественно. Однако в космической технике капиллярная конвекция, излучение и теплопроводность материалов становятся весьма значимыми факторами. Даже самые слабые конвективные движения в условиях невесомости приводят к затруднению реализации некоторых технических задач.

Конвекция в слоях земной коры

Процессы конвекции неразрывно связаны с естественным образованием газообразных веществ в толще земной коры. Рассматривать земной шар можно как сферу, состоящую из нескольких концентрических слоев. В самом центре располагается массивное горячее ядро, которое представляет собой жидкую массу высокой плотности с содержанием железа, никеля, а также прочих металлов.

Окружающими слоями для земного ядра выступают литосфера и полужидкая мантия. Верхний слой земного шара представляет собой непосредственно земную кору. Литосфера сформирована из отдельных плит, которые находятся в свободном движении, перемещаясь по поверхности жидкой мантии. В ходе неравномерного нагревания различных участков мантии и горных пород, которые отличаются разным составом и плотностью, происходит образование конвективных потоков. Именно под воздействием таких потоков возникает естественное преобразование ложа океанов и перемещение несущих континентов.

Отличия конвекции от теплопроводности

Под теплопроводностью следует понимать способность физических тел к передаче тепла посредством движения атомных и молекулярных соединений. Металлы выступают отличными проводниками тепла, так как их молекулы находятся в неразрывном контакте друг с другом. Напротив, газообразные и летучие вещества выступают плохими проводниками тепла.

Как происходит конвекция? Физика процесса основывается на переносе тепла за счет свободного движения массы молекул веществ. В свою очередь, теплопроводность заключается исключительно в передаче энергии между составляющими частицами физического тела. Однако и тот, и другой процесс невозможен без наличия частиц вещества.

Примеры явления

Наиболее простым и доступным для понимания примером конвекции может послужить процесс работы обыкновенного холодильника. Циркуляция охлажденного газа фреона по трубам холодильной камеры приводит к снижению температуры верхних пластов воздуха. Соответственно, замещаясь более теплыми потоками, холодные опускаются вниз, охлаждая, таким образом, продукты.

Расположенная на тыльной панели холодильника решетка играет роль элемента, способствующего отводу теплого воздуха, образованного в компрессоре агрегата во время сжатия газа. Охлаждение решетки также основывается на конвективных механизмах. Именно по этой причине не рекомендуется загромождать пространство позади холодильника. Ведь только в таком случае охлаждение может происходить без затруднений.

Другие примеры конвекции можно заметить, наблюдая за таким природным явлением, как движение ветра. Нагреваясь над засушливыми континентами и охлаждаясь над местностью с более суровыми условиями, потоки воздуха начинают вытеснять друг друга, что приводит к их движению, а также перемещению влаги и энергии.

На конвекции завязана возможность парения птиц и планеров. Менее плотные и более теплые воздушные массы при неравномерном нагревании у поверхности Земли приводят к образованию восходящих потоков, что способствует процессу парения. Для преодоления максимальных расстояний без затраты сил и энергии птицам требуется умение находить подобные потоки.

Хорошие примеры конвекции – образование дыма в дымоходах и вулканических кратерах. Перемещение дыма вверх основано на его более высокой температуре и низкой плотности по сравнению с окружающей средой. При остывании дым постепенно оседает в нижние слои атмосферы. Именно по этой причине промышленные трубы, посредством которых происходит выброс вредных веществ в атмосферу, делают максимально высокими.

Наиболее распространенные примеры конвекции в природе и технике

Среди наиболее простых, доступных для понимания примеров, которые можно наблюдать в природе, быту и технике, следует выделить:

движение воздушных потоков во время работы бытовых батарей отопления;
образование и движение облаков;
процесс движения ветра, муссонов и бризов;
смещение тектонических земных плит;
процессы, которые приводят к свободному газообразованию.

Приготовление пищи

Все чаще явление конвекции реализуется в современных бытовых приборах, в частности в духовых шкафах. Газовый шкаф с конвекцией позволяет готовить разные блюда одновременно на отдельных уровнях при различной температуре. При этом полностью исключается смешение вкусов и запахов.

Нагрев воздуха в традиционном духовом шкафу основывается на работе единственной горелки, что приводит к неравномерному распределению тепла. За счет целенаправленного перемещения горячих потоков воздуха при помощи специализированного вентилятора блюда в конвекционном духовом шкафу получаются более сочными, лучше пропекаются. Такие устройства быстрее нагреваются, что позволяет уменьшить время, требуемое на приготовление пищи.

Естественно, для хозяек, которые готовят в духовом шкафу всего лишь несколько раз в год, бытовой прибор с функцией конвекции нельзя назвать техникой первой необходимости. Однако для тех, кто не может жить без кулинарных экспериментов, такое устройство станет просто незаменимым на кухне.

Надеемся, представленный материал оказался полезным для вас. Всего доброго!

Читайте также: