鉛直対流
出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2022/03/31 09:00 UTC 版)
上層ほど密度の大きな流体が静力学的不安定となり、流体の運動が生ずる対流を鉛直対流と呼ぶ。温度による流体の密度の変化が原因となる熱対流が最も一般的な例である。 熱対流の体系的な研究は、1900年にフランスのアンリ・ベナール（フランス語版）による実験から始まった。パラフィン、鯨油などの粘性の高い流体層の下面を一様に加熱すると、加熱された流体は浮力により上昇するため、流体内部に半定常的な細胞状の模様（対流セル）が形成されることがある。細胞の中心付近では上昇流、境界付近では下降流になっている。これをベナール・セルと呼ぶ。1916年にレーリー卿は、その理論的な解析を行った。そのことから細胞状のパターンが生ずる熱対流をレーリー＝ベナール型対流と呼ぶ。 ブジネスク近似（熱膨張による密度変化に比べて、膨張圧縮による密度変化が無視できる流体）が成り立つ流体におけるレーリー＝ベナール型対流は、実際の流体の厚さには直接関係無く、レーリー数 R a {\displaystyle Ra} とプラントル数 P r {\displaystyle Pr} と呼ばれる無次元の物理量によってその形状が決まる。対流が発生する最小のレーリー数を臨界レーリー数と呼び、その値は（流体系の上下とも固定境界の時は）約1,708である。それを超えると順に2次元の円筒形の対流セル、3次元の規則性の対流セルへと対流が発達する。レーリー数が非常に大きくなると（流体上下の温度差が大きくなるなど）乱流に遷移し、この時定常的なセルは生じず空間スケールがより小さな不規則な流れとなる。またレーリー数が大きい場合には、流体の流れにより鉛直方向への熱の輸送量が大きくなる。 地表付近の大気などの密度成層（下層ほど密度が高くなる状態）、あるいは回転系における流体などでは、対流の程度についてそれぞれの系に合わせた別の定義がされる。雲の形成など大気中の現象では、水蒸気の凝結による潜熱の影響が現れる。惑星など中心に向けて重力場を持つ回転球体における流体では、回転軸の周囲に、平行に円筒系のセルが並ぶような対流の形状を取ることが知られている。 地球内部のマントルにおける対流により、地球表面の大規模な変動（テクトニクス）が引き起こされるプルームテクトニクス理論が提唱されている。この場合のプルームとは、対流セルによって生ずる上昇流や下降流のことを意味する。 海洋内部においても密度によって循環が生じている（熱塩循環）。ただしこの場合は塩分濃度の影響が大きいことから、対流には含まないことが多い。
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