Corriente de Convección
Una corriente de convección es un flujo circulante en un fluido causado por diferencias de temperatura y densidad, en el que el material cálido asciende y el material más frío desciende.
Definition
Una corriente de convección es un ciclo de material en movimiento que se forma cuando algo cálido asciende, se enfría, desciende y vuelve a calentarse, y ocurre en líquidos, gases e incluso en la roca de flujo lento del manto. La convección es transferencia de calor por el movimiento de un fluido: cuando un fluido se calienta desde abajo, se expande, se vuelve menos denso y asciende, y al enfriarse se vuelve más denso y desciende, formando una celda circulante. Las corrientes de convección impulsan el clima en la atmósfera, las corrientes en el océano, y el flujo lento del manto que mueve las placas tectónicas, mientras que el calor se mueve a través de sólidos verdaderos solo por conducción. La convección ocurre cuando la fuerza de flotación producida por la expansión térmica supera la resistencia viscosa y la difusión térmica, un equilibrio expresado por el número de Rayleigh, $Ra = \frac{\rho g \alpha \Delta T d^3}{\kappa \mu}$, y la convección comienza por encima de un valor crítico cercano a $1{,}000$. El manto terrestre tiene un $Ra$ del orden de $10^6$ a $10^8$, por lo que convecta vigorosamente a pesar de viscosidades de $10^{21}\ \text{Pa}\cdot\text{s}$, a velocidades de centímetros por año. La convección del manto se calienta en parte desde abajo (calor del núcleo) y en parte desde dentro (desintegración radiactiva de uranio, torio y potasio), produciendo plumas cálidas estrechas y amplias corrientes descendentes frías (losas en subducción) en lugar de celdas simétricas.
Example
En una olla de sopa sobre la estufa, la sopa caliente asciende en el centro, se extiende, se enfría y desciende en los bordes, y lo mismo ocurre en el manto, solo que mucho más lentamente. Las tormentas eléctricas vespertinas sobre las Carolinas se forman cuando el aire calentado por el sol asciende en corrientes de convección, y en el manto, la roca caliente que asciende bajo la dorsal Mesoatlántica y la roca fría que desciende bajo Japón son partes de un enorme sistema de convección. La celda de Hadley en la atmósfera es convección a escala planetaria: el aire asciende en el ecuador, fluye hacia los polos en altura, desciende cerca de la latitud $30^\circ$, y regresa a lo largo de la superficie como los vientos alisios. La circulación termohalina en el océano es convección impulsada tanto por la temperatura como por la salinidad.
Key Insight
Las cosas cálidas ascienden porque son menos densas, no porque el calor en sí suba; los globos de aire caliente y la roca del manto funcionan bajo la misma regla. El manto es sólido, y aun así convecta, porque a lo largo de millones de años la roca sólida bajo calor y presión intensos fluye como un fluido, moviéndose solo unos pocos centímetros por año. El diagrama clásico de libro de texto de celdas de convección del manto ordenadas que empujan a las placas es una simplificación excesiva. Las losas en subducción son los brazos fríos y descendentes de la convección del manto, y su flotabilidad negativa (tracción de la losa) es la fuerza principal que mueve a las placas, de modo que las placas son participantes en la convección, no pasajeras de ella.