對流單體

在流體動力學領域，對流池是當液體或氣體內存在密度差異時發生的現象。 這些密度差異導致電流上升和/或下降，這是對流室的關鍵特征。 當一定體積的流體被加熱時，它會膨脹并變得密度降低，因此比周圍的流體浮力更大。 流體中溫度較低、密度較大的部分下降到溫度較高、密度較低的流體下方，這導致溫度較高的流體上升。 這種運動稱為對流，液體的運動體稱為對流單元。 這種特殊類型的對流，水平流體層從下方被加熱，被稱為瑞利-貝納德對流。 對流通常需要重力場，但在微重力實驗中，已經觀察到沒有重力效應的熱對流。

流體被概括為具有流動性的材料； 然而，這種行為并不是液體獨有的。 流體特性也可以在氣體中觀察到，甚至在顆粒狀固體（例如巖石滑坡期間的沙子、礫石和更大的物體）中也可以觀察到。

對流單元在云的形成以及能量的釋放和傳輸中最為顯著。 當空氣沿著地面移動時，它會吸收熱量、失去密度并向上移動到大氣中。 當它被迫進入氣壓較低的大氣層時，它所含的液體不能像低海拔地區那樣多，因此它會釋放出潮濕的空氣，從而產生雨水。 在這個過程中，暖空氣被冷卻； 它增加密度并落向地球，細胞重復這個循環。

對流單體可以在任何流體中形成，包括地球的大氣層（在那里它們被稱為哈德利細胞）、沸水、湯（細胞可以通過它們輸送的顆粒來識別，例如米粒）， 海洋，或太陽表面。 對流單元的大小在很大程度上取決于流體的特性。 當流體的加熱均勻時，甚至會發生對流單體。

當流體通過直接交換與較冷的液體交換熱量時，或者在地球大氣層的例子中，當它輻射熱量時，上升的流體通常會在遇到冷表面時失去熱量。 在某些時候，流體變得比它下面的流體更稠密，后者仍在上升。 由于它不能通過上升的流體下降，它會移動到一側。 在一定距離處，它向下的力克服了它下方的上升力，流體開始下降。 當它下降時，它會通過表面接觸或傳導性再次變暖，然后循環重復。

暖空氣的密度低于冷空氣，因此暖空氣在冷空氣中上升，類似于熱氣球。 當攜帶水分的相對溫暖的空氣在較冷的空氣中上升時，云就會形成。 隨著潮濕空氣上升，它會冷卻，導致上升的空氣包中的一些水蒸氣凝結。 當水分凝結時，它會釋放出被稱為汽化潛熱的能量，這使得上升的空氣團比周圍的空氣冷卻得更少，從而繼續云的上升。 如果大氣中存在足夠的不穩定因素，這個過程將持續足夠長的時間以形成積雨云，從而支持閃電和雷聲。 一般來說，雷暴的形成需要三個條件：水分、不穩定的氣團和升力（熱量）。

所有雷暴，無論類型如何，都會經歷三個階段：“發展階段”、“成熟階段”和“消散階段”。 平均雷暴的直徑為 24 公里（15 英里）。 根據大氣中存在的條件，這三個階段平均需要 30 分鐘才能完成。

太陽的光球層由稱為顆粒的對流單元組成，這些單元是上升的過熱 (5,800 °C) 等離子體柱，平均直徑約為 1,000 公里。 等離子體在顆粒之間的狹窄空間中上升和下降時會冷卻。