对流
duì liú
对流是流体中因温度和密度差异而形成的循环流动，温暖的物质上升，较冷的物质下沉。
Definition
对流是一种循环流动的物质环路：温暖的物质上升、冷却、下沉，然后再次受热，这一过程会在液体、气体乃至缓慢流动的地幔岩石中发生。对流是通过流体的运动来传递热量：当流体从底部受热时，会膨胀、密度变小并上升，冷却之后密度增大而下沉，从而形成一个循环的对流圈。对流驱动着大气中的天气变化、海洋中的洋流，以及推动构造板块运动的缓慢地幔流动，而真正的固体中热量则只能通过传导来传递。当热膨胀产生的浮力克服了粘滞阻力和热扩散作用时，对流便会发生，这种平衡可以用瑞利数 $Ra = \frac{\rho g \alpha \Delta T d^3}{\kappa \mu}$ 来表示，当瑞利数超过约 $1{,}000$ 这一临界值时，对流便开始发生。地球地幔的瑞利数量级约为 $10^6$ 至 $10^8$，因此尽管其粘度高达 $10^{21}\ \text{Pa}\cdot\text{s}$，仍能以每年几厘米的速度剧烈对流。地幔对流一部分由下方（地核热量）加热，一部分由内部（铀、钍、钾的放射性衰变）加热，因而产生的是狭窄的热地幔柱和宽广的冷下降流（俯冲板片），而不是对称的对流圈。
Example
在炉子上煮汤时，热汤在中央上升，向四周扩散，冷却后又在边缘下沉，地幔中发生的也是同样的过程，只是速度要慢得多。卡罗来纳地区午后的雷暴，正是被太阳加热的空气以对流方式上升而形成的；而在地幔中，大西洋中脊之下上升的炽热岩石与日本之下下沉的寒冷岩石，则是同一个巨大对流系统的组成部分。大气中的哈德利环流是行星尺度的对流：空气在赤道上升，在高空向两极流动，在约 $30^\circ$ 纬度附近下沉，再沿地表以信风的形式返回。海洋中的温盐环流则是同时由温度和盐度驱动的对流。
Key Insight
温暖的物质之所以上升，是因为密度较小，而不是因为热量本身会向上跑；热气球和地幔岩石遵循的是同一条规则。地幔是固体，却能够发生对流，这是因为在数百万年间，固体岩石在强烈的热和压力作用下会像流体一样蠕动，每年只移动几厘米。教科书中那种整齐的地幔对流圈推动板块运动的经典示意图，其实是过于简化的。俯冲的板片正是地幔对流中寒冷的下降肢，其负浮力（板片拉力）是推动板块运动的主要力量，因此板块是对流的参与者，而不是搭乘对流便车的乘客。