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Lexikon der Geowissenschaften: Konvektion

Konvektion, 1) Geophysik:Wärmetransport durch Stofftransport. Neben der reinen Wärmeleitung erfolgt ein erheblicher Wärmetransport in der Erde durch die Kopplung an einen Massentransport. Man unterscheidet zwischen freier Konvektion und erzwungener Konvektion (Advektion). Die freie Konvektion wird allein durch Temperaturunterschiede und dadurch bedingte Dichteunterschiede verursacht. Sie erfolgt dann, wenn eine kritische Temperaturdifferenz überschritten wird (adiabatischer Temperaturgradient). Zur Beschreibung der freien Konvektion haben sich dimensionslose Zahlen bewährt. Für die Abschätzung, ob eine freie Konvektion in wassergefüllten porösen Gesteinen möglich ist, bietet die Rayleigh-Zahl Ra = ρw·cw·αv·k·g·ΔT·z/νλr, benannt nach Lord Rayleigh, einem englischer Physiker (1842-1919), eine wichtige Grundlage. Die Parameter sind Dichte (ρw) und spezifische Wärmekapazität (cw) des Grundwassers, thermische Volumenausdehnung (αv), Permeabilität der porösen Gesteine (k), Schwerebeschleunigung (g), Temperaturdifferenz (ΔT), Schichtdicke (z), kinematische Viskosität (ν) des Wassers und Wärmeleitfähigkeit des Gesteins (λr). Eine weitere wichtige Zahl ist die Nusselt-Zahl Nu = α·z/λr, benannt nach dem deutscher Physiker Wilhelm Nusselt (1882-1957), wobei α der Wärmeübergangskoeffizient ist. Die kritische Rayleigh-Zahl, oberhalb der eine freie Konvektion beginnt, ist Rac ≥ 40. Viele Bohrungen zeigen hydraulisch gestörte Temperatur-Tiefenprofile. Zur Bestimmung der nicht durch Konvektion gestörten Wärmestromdichte müssen konduktiver und konvektiver Wärmetransport getrennt werden. Dies kann mit Hilfe der Péclet-Zahl Pe, benannt nach dem franz. Physiker Jean Claude Eugene Péclet (1793-1857), erfolgen, die das Verhältnis von konvektivem zu konduktivem Wärmetransport angibt. Ist

Pe

1, überwiegt der konduktive Wärmetransport, ist

Pe

> 1 überwiegt der konvektive Wärmetransport. Im tiefen Erdinnern findet oberhalb des adiabatischen Temperaturgradienten (ca. 0,3 mK/m) freie Konvektion statt. Im Erdmantel ist mit großräumigen Konvektionszellen zu rechnen, die die Grundlage für globale geodynamische Prozesse sind (Plattentektonik). Die Geometrie der Konvektionszellen und das Verhältnis von Ra/Rac bestimmen die Geschwindigkeit der Konvektionsströmung. Die erzwungene Konvektion (Advektion) ist an Grundwasserfließvorgänge gebunden, die durch Druckdifferenzen verursacht werden. Diese werden durch Niveauunterschiede im Grundwasserspiegel erzeugt. Das Darcysche Gesetz vf = kf·grad h (kf = Durchlässigkeitsbeiwert, grad h = Druckgefälle) bildet das theoretische Fundament. In sedimentärenSchichten mit hoher Porosität und Permeabilität erfolgt ein lateraler Grundwasserfluß auch über große Entfernungen. Während des Fließvorganges nimmt das Wasser Wärme aus der Umgebung auf. Ein Wiederaufstieg des warmen Wassers erfolgt bevorzugt an vorhandenen Störungen, in vielen Fällen als artesisch gespanntes Wasser. Typische Beispiele sind Sedimentbecken. Die Ergebnisse aus tiefen Bohrungen zeigen, daß ein advektiver Wärmetransport auch bis Tiefen von 10 km möglich ist. 2) Hydrologie: Transport gelöster und ungelöster Stoffe (Schwebstoffe) in Fließgewässern durch die Strömung (Gerinneströmung), näherungsweise bei mittlerer Fließgeschwindigkeit. 3) Klimatologie: Bezeichnung für Bewegungsvorgänge, die durch den Auftrieb in einer Atmosphäre mit labiler Temperaturschichtung hervorgerufen werden (thermische Konvektion). Dabei kommt es zum Aufsteigen wärmerer und zum Absinken kälterer Luftpakete. Die entstehenden Bewegungsformen reichen von einzelnen Aufwinden bis hin zu geordneten Konvektionszellen (z.B. Bonard-Zellen, Wolkenstraße). Spielt die Kondensation von Wasserdampf keine Rolle, so spricht man von trockener Konvektion (bei Segelfliegern auch Blauthermik genannt). Kondensiert in den aufsteigenden Luftpaketen der Wasserdampf (feuchte Konvektion), so führt dies zur Bildung von Konvektionswolken. Diese können sich wie im Fall der Cumulonimbus-Wolke (Wolkenart) bis zur Tropopause erstrecken. Die Konvektion sorgt besonders in der atmosphärischen Grenzschicht für einen effektiven vertikalen Wärmetransport zwischen dem durch solare Einstrahlung erwärmten Untergrund und der kühleren freien Atmosphäre. 4) Kristallographie: Begriff für Strömungen in beweglichen Phasen. Die Nährphase für die Kristallzüchtung ist i.d.R. eine mobile, fluide oder gasförmige Phase. Aufgrund von Konzentrationsunterschieden und Temperaturgradienten vor der Wachstumsfront kann es zu auftriebs- oder oberflächenspannungsgetriebenen Strömungen kommen. Diese nennt man Konvektionen. Je nach Umgebungsbedingungen können laminare, oszillierende oder turbulente Strömungen auftreten, die die Verhältnisse direkt vor der Wachstumsfront entscheidend beeinflussen können. Sie verändern z.B. die Schichtdicke der am Kristall haftenden Schicht, in der nur Diffusion abläuft. Gerade beim gerichteten Erstarren wird der Konzentrationsverlauf im erstarrten Festkörper stark von der Konvektion beeinflußt. Für ein kontrolliertes Wachstum ist eine Beherrschung der Konvektionsströme äußerst wichtig. Dazu werden Bedingungen geschaffen, die die Konvektion entweder unterdrücken oder durch aufgeprägte, erzwungene Strömungen gleichmäßig gestalten. Wichtige Erkenntnisse für diese Züchtungsbedingungen wurden durch die Kristallzüchtung unter Mikrogravitation gewonnen. 5) Ozeanographie:Prozeß des Absinkens von Oberflächenwasser in die tieferen Schichten nach Dichteerhöhung durch Abkühlung oder Salzanreicherung. Zentren tiefreichender Konvektion durch Abkühlung sind das Weddellmeer sowie die Grönlandsee und die Labradorsee. Salzanreicherung aufgrund erhöhter Verdunstung führt zu tiefreichender Konvektion im Europäischen Mittelmeer und im Roten Meer. Salzanreicherung tritt auch bei Eisbildung im Meer auf und führt zu intensiver Konvektion über den Arktischen und Antarktischen Schelfen. Der Konvektionsprozeß gilt als Antrieb der thermohalinen Zirkulation und damit der Tiefenzirkulation im Weltmeer.

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