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Was ist Atmosphärische Zirkulation – Konvektionsströme – Definition

Eines der Phänomene, die für das Erdklima von höchster Bedeutung sind, ist die atmosphärische Zirkulation, also die großräumige Bewegung der Luft. Wärmetechnik

Konvektionsströme – Atmosphärische Zirkulation

Earth_Global_Circulation - Konvektionsströme
Quelle: nasa.gov Lizenz: Public Domain

Eines der Phänomene, die für das Erdklima von höchster Bedeutung sind, ist die atmosphärische Zirkulation , bei der es sich um eine großflächige Bewegung der Luft handelt, und mit der Wärmeenergie (zusammen mit der Zirkulation der Ozeane) auf der Erdoberfläche verteilt wird . Die atmosphärische Zirkulation der Erde variiert von Jahr zu Jahr, aber die großräumige Zirkulationsstruktur bleibt ziemlich konstant.

Die atmosphärische Zirkulation ist eine Folge der Erleuchtung der Erde durch die Sonne und der Gesetze der Thermodynamik . Die atmosphärische Zirkulation kann als Wärmekraftmaschine betrachtet werden, die von der Energie der Sonne angetrieben wird und deren Energie letztendlich in der Dunkelheit des Weltraums liegt. Unter diesem Gesichtspunkt werden auch Windkraftanlagen von der Sonne angetrieben.

Erzeugung von Konvektionsströmen

Die Erzeugung von Konvektionsströmen  basiert auf drei physikalischen Annahmen:

  • Vorhandensein einer Wärmequelle . Wärmequelle ist erforderlich, da  Konvektionsströme  durch Dichteunterschiede im Fluid aufgrund von Temperaturgradienten erzeugt werden. Bei der natürlichen Konvektion nimmt die eine Wärmequelle umgebende Flüssigkeit Wärme auf und wird durch Wärmeausdehnung weniger dicht und steigt an. Die Wärmeausdehnung des Fluids spielt eine entscheidende Rolle. Mit anderen Worten fallen schwerere (dichtere) Komponenten, während leichtere (weniger dichte) Komponenten ansteigen, was zu einer Bewegung der Flüssigkeitsmenge führt.
  • Vorhandensein einer ordnungsgemäßen Beschleunigung. Natürliche Konvektion kann nur in einem Gravitationsfeld oder bei Vorhandensein einer anderen geeigneten Beschleunigung wie Beschleunigung, Zentrifugalkraft und Coriolis-Kraft auftreten. Natürliche Konvektion funktioniert im Wesentlichen nicht in der Erdumlaufbahn. Beispielsweise sind in der umlaufenden Internationalen Raumstation andere Wärmeübertragungsmechanismen erforderlich, um eine Überhitzung elektronischer Komponenten zu verhindern.
  • Richtige Geometrie . Das Vorhandensein und die Größe der natürlichen Konvektion hängen auch von der Geometrie des Problems ab. Das Vorhandensein eines Fluiddichtegradienten in einem Gravitationsfeld gewährleistet nicht die Existenz natürlicher Konvektionsströme. Dieses Problem wird in der folgenden Abbildung veranschaulicht, in der eine Flüssigkeit von zwei großen horizontalen Platten unterschiedlicher Temperatur (T oben upper  T unten ) eingeschlossen wird.
    • Im  Fall A ist  die Temperatur der unteren Platte höher als die Temperatur der oberen Platte. In diesem Fall nimmt die Dichte in Richtung der Gravitationskraft ab. Diese Geometrie induziert die Flüssigkeitszirkulation und die Wärmeübertragung erfolgt über die  natürliche Zirkulation . Die schwerere Flüssigkeit sinkt und erwärmt sich dabei, während die leichtere Flüssigkeit steigt und sich bei Bewegung abkühlt.
    • Im  Fall B ist  die Temperatur der unteren Platte niedriger als die Temperatur der oberen Platte. In diesem Fall nimmt die Dichte in Richtung der Gravitationskraft zu. Diese Geometrie führt zu stabilen Bedingungen, einem stabilen Temperaturgradienten und induziert keine Fluidzirkulation. Die Wärmeübertragung erfolgt ausschließlich über Wärmeleitung.

 

natürliche Zirkulation - Geometrie

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Dieser Artikel basiert auf der maschinellen Übersetzung des englischen Originalartikels. Weitere Informationen finden Sie im Artikel auf Englisch. Sie können uns helfen. Wenn Sie die Übersetzung korrigieren möchten, senden Sie diese bitte an: translations@nuclear-power.com oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.