Konvektion

Konvektion (von lat. convehere = mittragen, mitnehmen) ist, neben den konkurrierenden Prozessen Wärmeleitung und Wärmestrahlung ein Mechanismus zur Wärmeübertragung von thermischer Energie von einem Ort zu einem anderen. Konvektion ist stets mit dem Transport von Teilchen verknüpft, die thermische Energie mitführen. In undurchlässigen Festkörpern oder im Vakuum kann es folglich keine Konvektion geben - man kann aber heiße oder kalte Festkörper transportieren. Konvektion ist in Gasen oder Flüssigkeiten kaum zu vermeiden. Auch Feststoffpartikel in Fluiden können an der Konvektion beteiligt sein. Ursache für die transportierende Strömung können unterschiedliche Kräfte sein, wie z. B. die Schwerkraft oder Kräfte, die von Druck-, Dichte-, Temperatur- oder Konzentrationsunterschieden herrühren.

In der Meteorologie und Ozeanographie wird ein großräumiger, zeitlich gemittelter Transport allerdings nicht als Konvektion, sondern als Advektion bezeichnet. Unter Konvektion versteht man ausschließlich das kleinräumige und vertikale Umschichten von Masse aufgrund einer instabilen Schichtung. Die Schichtung der Atmosphäre ist durch ihre vertikale Struktur gekennzeichnet, wozu Temperatur, Druck und Wasserdampfgehalt (im Ozean stattdessen der Salzgehalt) beitragen. Sobald ein Luftpaket leichter ist als seine Umgebung, beginnt es aufzusteigen. In größeren Höhen sinkt der Druck, die Luft dehnt sich aus und wird dadurch kälter. Außerdem kann es zu Wolkenbildung kommen, wobei latente Wärme freigesetzt wird, welche diese Abkühlung vermindert. Somit verändert sich die Dichte des Luftpakets durch interne Prozesse und die Dichte der Umgebungsluft ändert sich ebenfalls entsprechend den atmosphärischen Bedingungen. Sobald die Luft wieder dieselbe Dichte hat wie die Umgebung, verschwindet der Antrieb der Konvektion, auch wenn es aufgrund der Trägheit noch ein Überschießen über diesen Punkt hinaus geben kann. Dies ist spätestens an der Tropopause der Fall, weil dort die Umgebungsluft mit der Höhe sogar wieder wärmer wird.

Freie und erzwungene Konvektion

Die freie oder natürliche Konvektion wird als der Teilchentransport bezeichnet, der ausschließlich durch Auswirkungen eines Temperaturunterschieds bewirkt wird - also zum Beispiel ein Auf- bzw. Abtrieb eines Fluids infolge eines Dichteunterschieds, der durch eine Temperaturänderung hervorgerufenen wurde.

Bei Erwärmung dehnen sich Stoffe in der Regel aus (Ausnahme z. B. die Dichteanomalie des Wassers). Unter Einwirkung der Gravitationskraft steigen Fluidpakete mit geringerer Dichte gegen das Gravitationsfeld auf (Auftrieb), während Fluidpakete mit höherer Dichte darin absinken. Wenn an der Unterseite Wärme zugeführt wird und an der Oberseite die Möglichkeit zur Abkühlung besteht, so entsteht eine kontinuierliche Strömung: Das Fluid wird erwärmt, dehnt sich dabei aus und steigt nach oben. Dort angelangt kühlt es sich ab, zieht sich dabei wieder zusammen und sinkt ab, um unten erneut erwärmt zu werden.

Bei der erzwungenen Konvektion wird der Teilchentransport durch äußere Einwirkung, zum Beispiel ein Gebläse oder eine Pumpe, oder durch das Aufsteigen der Luft an einem Gebirge hervorgerufen.

Beispiele für Konvektion

• Die MOC (Thermohaline Zirkulation) ist ein Musterbeispiel für Konvektion. Aus der Karibik wird warmes Oberflächenwasser zunächst entlang der Ostküste der USA, dann weiter in nord-östlicher Richtung quer über den Atlantik an Irland vorbei transportiert. Durch Abkühlung, Verdunstung und Meereisbildung wird das Wasser spezifisch schwerer und sinkt in hohen Breiten in die Tiefe. Ohne diese "Warmwasserheizung" wären die Temperaturen in Europa so niedrig, dass dort ein ähnliches Klima herrschen würde wie in Mittelkanada.
• Die Erdatmosphäre und die Ozeane beziehungsweise Meere bilden ein gigantisches System freier Konvektion mit einem Zweiphasensystem Luft/Wasser, mit Verdampfung/Kondensation und Mischung/Entmischung (Wolken/Regen) sowie Wärmequellen (solar beheizte Flächen auf dem Festland und den Meeren) und -senken (der Sonne abgewandte Seite der Erde oder polnahe Regionen), Zirkulation (Golfstrom) usw.
• In der temperaturbedingten Dichteschichtung von Seen kommt es zu Zeiten der oberflächlichen Abkühlung (nachts und im Herbst) zu vertikalen Konvektionsströmungen zwischen oberflächlichen und tieferen Wasserschichten.
• Im Inneren der Erde sind auch Feststoffe, in diesem Fall Gesteine, bedingt fließfähig und führen über einen langen Zeitraum hinweg zu Wärmetransportprozessen. Sowohl der Erdmantel als auch der äußere Erdkern bilden Konvektionssysteme planetarer Dimension. Im Erdmantel konvektiert das Gestein, das aufgrund der hohen Temperaturen auf geologischen Zeitskalen wie eine Flüssigkeit strömen kann (Festkörperkriechen). Man spricht von einer Mantelkonvektion durch die so genannten Plumes. Im äußeren Kern erzeugt die Konvektion der flüssigen Eisenlegierung das Erdmagnetfeld.

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Kontakt: Dieter Kasang