대류

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1. 개요
2. 정의
3. 분류
4. 대류의 메커니즘
5. 대류의 수학적 모형
6. 대류의 응용
참조

1. 개요

대류는 유체의 움직임에 의한 열 또는 물질의 이동을 의미하며, 유체역학 및 열역학에서 다양한 의미로 사용된다. 자연 대류, 열 대류, 중력 대류, 강제 대류, 열자기 대류, 마랑고니 대류 등으로 분류되며, 중력, 온도 차이, 외부 힘, 자기장, 표면 장력 변화 등이 대류의 원인으로 작용한다. 대류는 기상 현상, 해양 순환, 지구 내부, 별의 내부 등 다양한 자연 현상에서 발생하며, 원자로 냉각, 건물 환기 등 공학 분야에서도 활용된다. 대류 현상은 아르키메데스 수, 그라스호프 수, 레일리 수 등 무차원 수를 통해 설명 및 예측이 가능하며, 혼합 대류에서는 그라스호프 수와 레이놀즈 수의 상대적인 크기에 따라 지배적인 대류 형태가 결정된다.

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대류
개요
정의	유체 내에서 밀도차이에 의해 일어나는 열에너지의 전달 현상
원인	온도에 따른 밀도 변화, 중력 등의 외력 작용
관련 분야	기상학, 해양학, 공학, 천체물리학
유형
자연 대류	유체 자체의 밀도 변화로 인해 발생
강제 대류	외부 힘(펌프, 팬 등)에 의해 유체의 흐름이 발생하여 열 전달
습윤 대류	공기 덩이가 상승하면서 단열 팽창하여 이슬점에 도달, 수증기가 응결하며 방출하는 잠열에 의해 추가적인 상승 운동이 발생하는 대류 현상
응용
예시	난방 시스템 냉각 시스템 기상 현상 (구름 형성, 해류 등) 지질학적 현상 (맨틀 대류)
특징
열전달 효율	전도나 복사에 비해 높은 열전달 효율을 보임
유체 이동	유체의 움직임을 동반함
밀도 변화	밀도 변화가 클수록 대류 현상이 활발해짐

2. 정의

유체 역학에서 넓은 의미의 대류는 원인에 상관없이 유체의 움직임을 말한다.^[56]^[57] 하지만 열 역학에서의 대류는 열의 대류를 서술하는 의미로 주로 쓰인다.^[58]

"대류"라는 단어는 다양한 과학 또는 공학적 맥락이나 응용 분야에서 서로 다르지만 관련된 용법으로 사용된다.

유체역학에서 "대류"는 더 넓은 의미를 가진다. 밀도(또는 기타 속성) 차이에 의해 발생하는 유체의 움직임을 의미한다.^[2]^[3]

열역학에서 "대류"는 종종 대류에 의한 열전달을 의미하며, 여기서 접두사 '자연 대류'는 이 기사에서 다루는 대류의 유체역학적 개념을 대류 열전달과 구별하는 데 사용된다.^[4]

대류 세포와 표면적으로 유사한 효과를 나타내는 일부 현상은 (부정확하게) 대류의 한 형태로 언급될 수도 있다. 예를 들어, 열-모세관 대류 및 입자 대류가 있다.

3. 분류

대류는 발생 원인과 장소에 따라 다양하게 분류할 수 있다.

유체에 수평 방향의 온도 차가 주어지면 수평 대류가 발생한다. 대기에서는 대륙과 해양의 온도 차로 발생하는 '''계절풍''', 해안 근처 지표면과 해수면의 온도 차로 발생하는 '''해륙풍''', 도시의 기온 상승(열섬 효과)으로 인해 도심으로 바람이 부는 '''교외풍''' 등이 있다.

지구 대기에서는 위도에 따라 태양 복사 흡수량이 달라 열대에서 극으로 수평 대류(대기 대순환)가 발생하는데, 이는 해들리 순환, 페렐 순환, 극 순환으로 분류된다.

유체역학 및 열전달 공학 분야에서는 열 대류를 '''자연 대류'''(또는 '''자유 대류''')라고 부르며, 송풍기나 펌프 등으로 유발되는 '''강제 대류'''와 구별한다.^[1]

3. 1. 자연 대류

'''자연 대류'''는 유체의 일부가 다른 부분보다 무거워져 발생하는 흐름이다. 대부분의 경우, 이는 '''자연 순환'''으로 이어진다. 즉, 열에너지 전달과 함께 중력 하에서 시스템 내의 유체가 지속적으로 순환하는 능력이다.

자연 대류가 일어나려면 중력이 필요하다. 국제 우주 정거장과 같이 자유 낙하하는 환경에서는 대류가 일어나지 않는다. 공기나 물에 뜨겁고 차가운 영역이 있으면 자연 대류가 발생할 수 있는데, 이는 가열될수록 밀도가 낮아지기 때문이다. 예를 들어, 따뜻하고 밀도가 낮은 공기는 상승하고, 차갑고 밀도가 높은 공기는 하강하여 순환 흐름인 대류를 생성한다.

자연 대류는 자연과 공학 분야 모두에서 나타나기 때문에 연구자들의 많은 관심을 받아왔다. 자연에서 햇빛에 의해 따뜻해진 육지나 물 위로 상승하는 공기로 형성된 대류 세포는 모든 기상 시스템의 주요 특징이다. 대류는 화재에서 발생하는 뜨거운 공기의 상승, 판 구조론, 해류 (열염분 순환), 해풍 형성(상승 대류가 코리올리 힘에 의해 수정되기도 함)에서도 관찰된다. 공학적 응용 분야에서 대류는 용융 금속 냉각 중 미세 구조 형성, 덮개형 열 발산 핀 주위의 유체 흐름, 태양 연못 등에서 흔히 볼 수 있다. 팬 없이 자유 공기 냉각을 하는 것도 자연 대류의 일반적인 산업 응용 분야이며, 소규모(컴퓨터 칩)에서 대규모 공정 장비까지 가능하다.

자연 대류는 두 유체 사이의 밀도 변화가 클수록, 대류를 유발하는 중력 가속도가 클수록, 대류 매체를 통과하는 거리가 길수록 더 빠르고 쉽게 발생한다. 반대로 확산이 더 빠르거나(대류를 유발하는 열 구배를 확산시킴) 점성이 더 높은(끈적한) 유체일수록 덜 빠르고 쉽게 발생한다. 자연 대류의 시작은 레일리 수 ('''Ra''')로 결정될 수 있다.

1830년대 브리지워터 논문집에서 윌리엄 프라우트는 '대류'라는 용어를 과학적 의미로 사용했다. 프라우트는 열의 이동이 세 가지 방식으로 이루어진다고 설명하며, 그중 하나로 불을 통과하고 불 근처를 지나가는 공기가 뜨거워져서 불에서 얻은 온도를 굴뚝 위로 '운반'하는 현상을 '대류'라고 제안했다.^[1]

공기는 물과 마찬가지로 열을 잘 전달하지 못하는 부도체이다. 따라서 공기 속을 열전도로 열이 이동하는 일은 드물고, 주로 대류에 의해 열이 이동한다. 공기가 가열되면 물보다 열팽창이 잘되므로 차가운 공기보다 밀도가 작아져 상승 기류가 생긴다. 촛불 옆에서 따뜻해진 공기와 함께 연기가 상승하는 것을 보면 이를 알 수 있다.

지구 내부의 맨틀에서의 대류는 지구 표면의 대규모 변동(테토닉스)을 유발하는 플룸 테코닉스 이론으로 이어진다.

3. 1. 1. 열 대류

온도 차이로 인한 밀도 변화가 주된 원인인 대류를 열 대류라고 한다. 1900년 프랑스의 앙리 베나르(Henri Bénard)는 파라핀, 고래 기름 등 점성이 높은 유체를 가열하는 실험을 통해 열 대류 현상을 체계적으로 연구하였다. 가열된 유체는 부력에 의해 상승하기 때문에 유체 내부에 반정상적인 세포 모양의 무늬(대류 셀)가 형성될 수 있는데, 이를 베나르 셀이라고 한다. 1916년에 레일리 경은 베나르의 실험을 이론적으로 해석하여 레일리-베나르 대류를 설명하였다.

부시네스크 근사가 성립하는 유체에서의 레일리-베나르형 대류는 레일리 수 ($Ra$) 와 프란틀 수 ($Pr$) 라는 무차원 물리량에 의해 그 모양이 결정된다. 대류가 발생하는 최소 레일리 수를 임계 레일리 수라고 부르며, 유체계의 상하 모두 고정 경계일 때 그 값은 약 1,708이다. 레일리 수가 임계 레일리 수보다 커지면 2차원 원통형 대류 셀, 3차원 규칙적인 대류 셀로 대류가 발달한다. 레일리 수가 매우 커지면 난류로 전이되며, 이때 정적인 셀은 생기지 않고 공간 스케일이 더 작은 불규칙한 흐름이 된다.

3. 1. 2. 중력 대류

중력 대류는 온도 외의 물질 특성 변화로 인해 발생하는 부력 차이에 의해 유도되는 자연 대류의 한 유형이다. 일반적으로 이는 유체의 가변적인 조성에 의해 발생한다. 변화하는 특성이 농도 기울기인 경우, 이를 '''용질 대류'''라고도 한다.^[5] 예를 들어, 마른 소금원이 염분 내 담수의 부력으로 인해 젖은 토양으로 아래쪽으로 확산되는 현상에서 중력 대류를 볼 수 있다.^[6]

물의 가변적인 염도와 공기 덩어리의 가변적인 수분 함량은 해양과 대기에서 대류를 일으키는 빈번한 원인이다. 이는 열을 포함하지 않거나, 열팽창으로 인한 밀도 변화 외에 추가적인 조성 밀도 요인을 포함하는 경우이다. (''열염분 순환'' 참조). 지구 내부에서도 아직 최대 안정성과 최소 에너지를 달성하지 못한, 즉 가장 밀도가 높은 부분이 가장 깊은 곳에 위치하지 않은 가변적인 조성 때문에 유동 암석과 용융 금속의 대류가 발생한다.

중력 대류는 자연 열 대류와 마찬가지로 발생하기 위해 중력 환경이 필요하다.

3. 2. 강제 대류

펌프, 팬, 송풍기 등 외부적인 힘에 의해 인위적으로 유체의 흐름을 만들어 열을 전달하는 방식이다. 유체역학 및 열전달 공학 분야에서는 '''강제 대류'''(forced convection)라고 부르며, 자연 대류와 구별한다.^[1]

3. 3. 기타 대류

열자기 대류는 외부 자기장이 강자성 유체에 가해지고, 자화율이 변동될 때 발생할 수 있다. 온도 구배가 존재하면, 이는 불균일한 자기력으로 이어져 유체의 움직임을 유발한다. 강자성 유체는 자기장이 존재할 때 강하게 자화되는 액체이다.

3. 3. 1. 열자기 대류

외부 자기장이 강자성 유체에 가해지고, 자화율이 변동될 때 열자기 대류가 발생할 수 있다. 온도 구배가 존재하면, 이는 불균일한 자기력으로 이어져 유체의 움직임을 유발한다. 강자성 유체는 자기장이 존재할 때 강하게 자화되는 액체이다.

3. 3. 2. 마랑고니 대류

마랑고니 대류는 유체 표면의 표면 장력이 불균질해지는 것이 원인이 되어 유체의 흐름이 구동되는 대류 현상이다. 이 이름은 이탈리아의 물리학자 카를로 마랑고니의 이름을 따서 지어졌다. 마랑고니 대류가 일어나면 표면 장력이 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 흐름이 생기고, 주변 액체의 표면 장력을 낮추도록 퍼져나간다. 최초의 표면 장력 변화는 주로 온도차, 농도차가 원인이 된다. 일단 마랑고니 대류가 발생하면, 흐름에 의해 온도나 농도가 불균질해지기 때문에, 어떤 조건에서는 준정상적인 대류가 지속된다.

실리콘 등 반도체 재료를 용융하여 냉각, 재결정시키는 과정에서 마랑고니 대류가 발생하기 때문에, 균질한 단결정을 생성하는 것이 어려워진다는 것이 알려져 있다.

마랑고니 대류의 해석에는 다음의 마랑고니 수 ''Ma'' 라는 무차원량이 사용된다^[53]。

: ''Ma'' = - (∂σ/∂T) × (ΔT × L) / (μ × κ)

여기서

σ: 표면 장력
''T'': 온도 (온도차에 의한 마랑고니 대류의 경우)
Δ''T'': 대표 온도차
''L'': 대표 길이
μ: 점성
κ: 열확산율

정상 상태에서는 표면 장력 σ의 기울기와 흐름이 다음 식으로 관련된다^[54]:

: μ × (dv_x/dz) = dσ/dx

여기서 ''x''와 ''z''는 각각 수평 방향과 수직 방향의 좌표, ''v_x''는 수평 방향의 유속이다.

4. 대류의 메커니즘

대류는 일반적으로 중력과 같이 유체 내에서 작용하는 체적력 때문에 발생한다.^[1] 상층일수록 밀도가 큰 유체가 정역학적으로 불안정해져 유체의 운동이 발생하는 대류를 연직 대류라고 부른다.^[1] 온도에 의한 유체의 밀도 변화가 원인이 되는 '''열 대류'''가 가장 일반적인 예이다.^[1]

열 대류에 대한 체계적인 연구는 1900년 프랑스의 Henri Bénard|앙리 베나르^프랑스어의 실험에서 시작되었다.^[1] 파라핀, 고래 기름 등 점성이 높은 유체층의 아래쪽 면을 균일하게 가열하면, 가열된 유체는 부력에 의해 상승하기 때문에 유체 내부에 반정상적인 세포 모양의 무늬(대류 셀)가 형성될 수 있다.^[1] 세포의 중심 부근에서는 상승류, 경계 부근에서는 하강류가 된다.^[1] 이를 '''베나르 셀'''이라고 부른다.^[1] 1916년에 레일리 경은 그 이론적인 해석을 수행했다.^[1] 그 때문에 세포 모양 패턴이 발생하는 열 대류를 '''레일리-베나르형 대류'''라고 부른다.^[1]

부시네스크 근사(열팽창에 의한 밀도 변화에 비해 팽창 및 압축에 의한 밀도 변화를 무시할 수 있는 유체)가 성립하는 유체에서의 레일리-베나르형 대류는 실제 유체의 두께와 직접적인 관련 없이, 레일리 수 $Ra$ 와 프란틀 수 $Pr$ 라고 불리는 무차원 물리량에 의해 그 모양이 결정된다.^[1] 대류가 발생하는 최소 레일리 수를 '''임계 레일리 수'''라고 부르며, 그 값은 (유체계의 상하 모두 고정 경계일 때) 약 1,708이다.^[1] 그것을 넘으면 순서대로 2차원 원통형 대류 셀, 3차원 규칙적인 대류 셀로 대류가 발달한다.^[1] 레일리 수가 매우 커지면 (유체 상하의 온도차가 커지는 등) 난류로 전이되며, 이때 정적인 셀은 생기지 않고 공간 스케일이 더 작은 불규칙한 흐름이 된다.^[1] 또한 레일리 수가 큰 경우에는 유체의 흐름에 의해 연직 방향으로의 열 수송량이 커진다.^[1]

5. 대류의 수학적 모형

대류 현상은 레일리 수, 프란틀 수, 그라스호프 수, 누셀트 수 등 무차원 수를 사용하여 설명하고 예측할 수 있다.^[13]

혼합 대류(자연 대류와 강제 대류가 함께 발생하는 경우)에서는 그라쇼프 수와 레이놀즈 수의 제곱의 상대적인 크기, 즉 리차드슨 수를 통해 어떤 형태의 대류가 지배적인지 알 수 있다. $\rm Gr/Re^2 \gg 1$ 이면 강제 대류를 무시할 수 있으며, $\rm Gr/Re^2 \ll 1$ 이면 자연 대류를 무시할 수 있다. 리차드슨 수가 대략 1이면 강제 대류와 자연 대류를 모두 고려해야 한다.

자연 대류의 발생은 레일리 수(Ra)에 의해 결정된다. 레일리 수는 다음과 같이 주어진다.^[49]

: $\textbf{Ra} = \frac{\Delta\rho g L^3}{D\mu}$

여기서

$\Delta \rho$ 는 혼합되는 두 물질 덩어리 간의 밀도 차이이다.
$g$ 는 국지적인 중력 가속도이다.
$L$ 은 대류의 특성 길이 척도이다. (예: 끓는 냄비의 깊이)
$D$ 는 대류를 일으키는 특성의 확산율이다.
$\mu$ 는 동점성 계수이다.

아래에서 가열로 인한 열 대류의 경우, 열팽창 및 열 확산율에 맞게 방정식이 수정된다. 열팽창으로 인한 밀도 변화는 다음과 같다.

:

\Delta\rho=\rho_0 \beta \Delta T

여기서

$\rho_0$ 는 기준 밀도이다. (일반적으로 매질의 평균 밀도)
$\beta$ 는 열팽창 계수이다.
$\Delta T$ 는 매질 전체의 온도 차이이다.

일반적인 확산율,

D

는 열 확산율,

\alpha

로 재정의된다.

:

D=\alpha

이러한 대입을 통해 열 대류를 예측하는 데 사용되는 레일리 수는 다음과 같다.^[49]

:

\textbf{Ra} = \frac{\rho_0 g \beta \Delta T L^3}{\alpha \mu}

자연 대류 시스템이 난류로 변하는 경향은 그라쇼프 수(Gr)에 달려 있다.^[50]

:

Gr= \frac{g \beta \Delta T L^3}{\nu^2}

매우 끈적이는 점성 유체에서는 유체 운동이 제한되어 자연 대류가 난류가 되지 않는다.

그라쇼프 수는 농도 구배로 인해 발생하는 자연 대류(열-용질 대류)에 대해 다음과 같이 공식화될 수 있다.

:

Gr= \frac{g \beta \Delta C L^3}{\nu^2}

자연 대류는 뜨거운 표면의 기하학적 구조에 크게 의존하며, 열 전달 계수를 결정하기 위해 다양한 상관 관계가 존재한다. 다양한 기하학적 구조에 적용되는 일반적인 상관 관계는 다음과 같다.

:

Nu = \left[Nu_0^\frac{1}{2} + Ra^ \frac{1}{6} \left(\frac {f_4\left(Pr\right)}{300}\right)^\frac{1}{6} \right]^2

f_4(Pr)

의 값은 다음 공식을 사용하여 계산된다.

:

f_4(Pr)= \left[1+ \left ( \frac {0.5}{Pr} \right )^\frac{9}{16} \right]^\frac{-16}{9}

Nu는 누셀트 수이며, Re을 계산하는 데 사용되는

Nu_0

및 특성 길이는 아래 표에 나와 있다.

기하학적 구조	특성 길이	$Nu_0$
경사면	x (평면을 따른 거리)	0.68
경사 디스크	9D/11 (D = 직경)	0.56
수직 원통	x (원통의 높이)	0.68
원뿔	4x/5 (x = 경사면을 따른 거리)	0.54
수평 원통	$\pi D/2$ (D = 원통의 직경)	0.36 $\pi$

유체의 흐름이 가열의 결과로 발생하고, 유체가 이상적인 2원자 분자이며, 일정한 온도의 수직 평판에 인접하고, 유체의 흐름이 완전히 층류라고 가정하면, 평균 누셀트 수는 다음과 같은 상관 관계를 갖는다.^[52]

$Nu_m = 0.478(Gr^{0.25})$ ^[52]

평균 누셀트 수 $Nu_m = h_mL/k$ ^[52]

여기서,

$h_m$ = 평판의 하단 가장자리와 거리 L 내의 임의의 지점 사이에 적용되는 평균 계수 (W/m². K)
$L$ = 수직 표면의 높이 (m)
$k$ = 열전도율 (W/m. K)

그라쇼프 수

Gr = [gL^3(t_s-t_\infty)]/v^2T

^[51]^[52]

여기서,

$g$ = 중력 가속도 (m/s²)
$L$ = 하단 가장자리 위 거리 (m)
$t_s$ = 벽의 온도 (K)
$t∞$ = 열 경계층 외부의 유체 온도 (K)
$v$ = 유체의 동점성 계수 (m²/s)
$T$ = 절대 온도 (K)

흐름이 난류일 때는 그라쇼프 수와 프란틀 수 모두의 함수인 레일리 수와 관련된 다른 상관 관계를 사용해야 한다.^[52]

상층일수록 밀도가 큰 유체가 정역학적으로 불안정해져 유체의 운동이 발생하는 대류를 연직 대류라고 부른다. 온도에 의한 유체의 밀도 변화가 원인이 되는 '''열 대류'''가 가장 일반적인 예이다.

열 대류에 대한 체계적인 연구는 1900년 프랑스의 앙리 베나르|Henri Bénard^프랑스어의 실험에서 시작되었다. 파라핀, 고래 기름 등 점성이 높은 유체층의 아래쪽 면을 균일하게 가열하면, 가열된 유체는 부력에 의해 상승하기 때문에 유체 내부에 반정상적인 세포 모양의 무늬(대류 셀)가 형성될 수 있다. 이를 '''베나르 셀'''이라고 부른다. 1916년에 레일리 경은 그 이론적인 해석을 수행했다. 그 때문에 세포 모양 패턴이 발생하는 열 대류를 '''레일리-베나르형 대류'''라고 부른다.

부시네스크 근사(열팽창에 의한 밀도 변화에 비해 팽창 및 압축에 의한 밀도 변화를 무시할 수 있는 유체)가 성립하는 유체에서의 레일리-베나르형 대류는 레일리 수

Ra

와 프란틀 수

Pr

라고 불리는 무차원 물리량에 의해 그 모양이 결정된다. 대류가 발생하는 최소 레일리 수를 '''임계 레일리 수'''라고 부르며, 그 값은 (유체계의 상하 모두 고정 경계일 때) 약 1,708이다. 그것을 넘으면 순서대로 2차원 원통형 대류 셀, 3차원 규칙적인 대류 셀로 대류가 발달한다. 레일리 수가 매우 커지면 (유체 상하의 온도차가 커지는 등) 난류로 전이되며, 이때 정적인 셀은 생기지 않고 공간 스케일이 더 작은 불규칙한 흐름이 된다. 또한 레일리 수가 큰 경우에는 유체의 흐름에 의해 연직 방향으로의 열 수송량이 커진다.

해양 내부에서도 밀도에 의해 순환이 발생하고 있다 (열염 순환). 다만 이 경우에는 염분 농도의 영향이 크기 때문에 대류에 포함하지 않는 경우가 많다.

6. 대류의 응용

대류는 대기, 해양, 행성 맨틀에서 대규모로 발생하며, 태양과 모든 별의 가장 바깥쪽 내부의 상당 부분을 차지하는 열 전달 메커니즘을 제공한다. 대류 중 유체 이동은 보이지 않을 정도로 느리거나, 허리케인과 같이 명확하고 빠르게 일어날 수 있다. 천문학적 규모에서 기체와 먼지의 대류는 블랙홀의 강착 원반에서 빛의 속도에 가까운 속도로 발생한다고 생각된다.^[35]

자연 순환 시스템에는 토네이도 및 기타 기상 시스템, 해류, 가정 환기가 있다. 일부 태양열 온수기는 자연 순환을 사용한다. 걸프 스트림은 물의 증발로 인해 순환하며, 이 과정에서 물의 염분과 밀도가 증가한다. 북대서양에서는 물의 밀도가 너무 높아져 가라앉기 시작한다.

원자로에서 자연 순환은 설계 기준이 될 수 있다. 주목할 만한 예로는 자연 순환 상태에서 최대 출력의 상당 부분을 차지하도록 설계된 S5G 원자로^[43]^[44]^[45] 및 S8G 원자로^[46]^[47]^[48] 미 해군 원자로가 있으며, 이는 해당 추진 시스템을 조용하게 만든다.

'''스택 효과''' 또는 '''굴뚝 효과'''는 부력으로 인해 건물, 굴뚝, 굴뚝 가스 스택 또는 기타 용기 안으로 공기가 들어가고 나오는 현상이다. 일부 냉각탑은 이 원리로 작동하며, 마찬가지로 태양열 상승 기류 타워는 스택 효과를 기반으로 전기를 생산하기 위한 장치로 제안되었다.

6. 1. 기상 현상

'''대기 대순환'''은 공기의 대규모 이동으로, 느리게 진행되는 해양 순환 시스템과 함께 열에너지가 지구 표면에 분산되는 수단이다. 위도 방향 순환은 단위 면적당 입사되는 태양 복사가 열 적도에서 가장 높고 위도가 증가함에 따라 감소하여 극에서 최솟값에 도달하기 때문에 발생한다. 이것은 해들리 순환과 극 순환의 두 주요 대류 세포로 구성되며, 해들리 순환은 구름 형성 과정에서 더 높은 고도에서 수증기의 응결에 의한 잠열 에너지 방출로 인해 더 강한 대류를 경험한다.^[14]

경도 방향 순환은 해양이 육지보다 비열이 높고 (또한 열전도율이 높아서 열이 표면 아래로 더 깊이 침투할 수 있음) 더 많은 열을 흡수하고 방출하지만, 온도 변화는 육지보다 적기 때문에 발생한다. 이것은 낮에는 물에 의해 냉각된 공기인 해풍을 육지로 가져오고, 밤에는 지면과의 접촉으로 냉각된 공기인 육풍을 바다로 내보낸다.^[17]^[18]

전 지구적인 대기 이동보다 더 국지적인 현상 또한 대류로 인해 발생하며, 여기에는 바람과 일부 수문 순환이 포함된다. 예를 들어, 푄 풍은 산맥의 바람받이 측에서 발생하는 하강풍이다. 이는 바람받이 경사면에서 수분의 대부분을 잃은 공기가 단열 가열되면서 발생한다. 습한 공기와 건조한 공기의 서로 다른 단열 감률 때문에 바람의 반대쪽 경사면의 공기는 바람받이 경사면과 같은 높이에서보다 더 따뜻해진다.^[15]^[16]

열 기둥은 지구 대기 하층부에서 상승하는 공기의 수직 단면이다. 열은 태양 복사열에 의한 지구 표면의 불균등한 가열로 생성된다. 태양은 지면을 데우고, 지면은 다시 그 위의 공기를 데운다. 따뜻해진 공기는 팽창하여 주변 공기 덩어리보다 밀도가 낮아지고, 열적 저기압을 생성한다. 가벼운 공기 덩어리는 상승하며, 상승하면서 낮은 기압에서 팽창하여 냉각된다. 주변 공기와 같은 온도로 냉각되면 상승을 멈춘다.

따뜻한 공기는 차가운 공기보다 밀도가 낮으므로, 열기구와 유사하게 차가운 공기 내에서 상승한다.^[19]^[20] 수분을 운반하는 비교적 따뜻한 공기가 차가운 공기 내에서 상승하면서 구름이 형성된다. 습한 공기가 상승하면서 냉각되어 상승하는 공기 덩어리의 일부 수증기가 응결된다.^[21] 수분이 응결되면 잠열이라고 알려진 에너지가 방출되어 상승하는 공기 덩어리가 주변 공기보다 덜 냉각되어 구름의 상승이 계속된다.^[22] 대기에 충분한 대류 가용 위치 에너지가 존재하면 이 과정이 적란운이 형성될 때까지 충분히 오래 지속되어 번개와 천둥을 지원한다.

뇌우는 '''발달 단계''', '''성숙 단계''', 그리고 '''소멸 단계'''의 세 단계를 거친다.^[23] 평균적인 뇌우의 직경은 24km이다. 대기 중의 조건에 따라 이 세 단계를 거치는 데 평균 30분이 걸린다.^[24]

대기에서는 대륙과 해양의 온도 차에 의해 발생하는 '''계절풍''', 해안 근처의 지표면과 해수면의 온도 차에 의해 발생하는 '''해륙풍''', 도시부의 기온이 상승하는 것(열섬 효과)으로 인해 도심으로 불어오는 바람이 발생하는 '''교외풍''' 등이 수평 대류에 분류된다.

지구 대기에서 위도에 따라 태양 복사 흡수량이 다르기 때문에 발생하는 열대에서 극으로의 수평 대류(대기 대순환)는 크게 해들리 순환, 페렐 순환, 극 순환의 세 가지로 분류할 수 있다.

6. 2. 해양 순환

열염 순환은 해양에서 온도와 염분 차이에 의해 발생하는 대규모 순환으로, 지구의 기후 시스템에 큰 영향을 미친다. 걸프 스트림과 같은 해류는 대류와 바람의 상호작용으로 발생한다.^[25]^[26]

태양 복사는 해양에 영향을 미친다. 적도에서 데워진 따뜻한 물은 극으로 이동하고, 차가운 극지방의 물은 적도를 향해 이동한다. 표층 해류는 표층 바람의 영향을 받는다. 무역풍은 열대 지역에서 서쪽으로 불고,^[25] 편서풍은 중위도에서 동쪽으로 분다.^[26] 이 바람 패턴은 북반구의 아열대 해양 표면에 회전을 일으키고,^[27] 남반구에서는 반대 현상이 나타난다. 그 결과 스베드럽 수송은 적도 방향이다.^[28] 잠재 와도 보존으로 인해, 아열대 고기압의 서쪽 가장자리에서 극쪽으로 이동하는 바람과 물의 상대 와도가 증가하기 때문에, 수송은 좁고 가속되는 극쪽 해류에 의해 균형을 이루며, 고위도에서 시작되는 차가운 서쪽 경계 해류와의 마찰 효과보다 더 크다.^[29] 전체 과정은 서쪽 강화 현상으로 알려져 있으며, 이는 해양 분지의 서쪽 경계의 해류가 동쪽 경계의 해류보다 더 강하게 만든다.^[30]

극쪽으로 이동하는 따뜻한 물은 강한 온난 해류에 의해 운반되면서 증발 냉각을 겪는다. 물 위로 이동하는 바람은 물을 식히고 증발을 일으켜 염분 농도가 높은 물을 남긴다. 이 과정에서 물은 더 짜고 밀도가 높아지며 온도가 감소한다. 해빙이 형성되면 소금이 얼음에서 빠져나가는데, 이를 염수 배제라고 한다.^[31] 이 두 과정은 더 밀도가 높고 차가운 물을 생성한다. 북 대서양의 물은 밀도가 너무 높아져서 덜 짜고 덜 밀도가 높은 물 속으로 가라앉기 시작한다. 이 무겁고 차갑고 밀도가 높은 물의 하강 기류는 남쪽으로 흐르는 북대서양 심층수의 일부가 된다.^[32]

6. 3. 지구 내부

'''맨틀 대류'''는 지구 내부의 열을 지구 표면으로 운반하는 대류 현상에 의해 발생하는, 지구 암석 맨틀의 느린 이동이다.^[33] 이는 지구 표면에서 판이 이동하게 만드는 3가지 원동력 중 하나이다.^[34]

지구 표면은 여러 개의 판으로 나뉘어져 있으며, 이들은 반대쪽 판 경계에서 끊임없이 생성되고 소멸된다. 생성(성장)은 맨틀이 판의 가장자리에 추가되면서 발생한다. 이 뜨겁게 추가된 물질은 열의 전도와 대류에 의해 냉각된다. 판의 소멸 가장자리에서 물질은 열적으로 수축하여 밀도가 높아지며, 해구에서 섭입 과정을 통해 자체 무게로 가라앉는다. 이 섭입된 물질은 지구 내부의 일정 깊이까지 가라앉으며, 더 이상 가라앉는 것이 금지된다. 섭입된 해양 지각은 화산 활동을 촉발한다.

지구 맨틀 내부의 대류는 판 이동의 원동력이다. 맨틀 대류는 하부 맨틀이 상부 맨틀보다 더 뜨겁고 밀도가 낮은 열 구배의 결과이다. 이로 인해 두 가지 주요 유형의 불안정성이 발생한다. 첫 번째 유형에서는 플룸이 하부 맨틀에서 솟아오르고, 그에 해당하는 불안정한 암석권 영역이 맨틀로 다시 떨어진다. 두 번째 유형에서는 섭입하는 해양 판(맨틀의 상부 열 경계층을 크게 구성)이 맨틀로 다시 들어가 핵-맨틀 경계를 향해 아래로 이동한다. 맨틀 대류는 연간 수 센티미터의 속도로 발생하며, 대류 주기를 완료하는 데 수억 년이 걸린다.

지구 핵에서 측정한 중성미자 플럭스(참조 kamLAND)는 내핵 열의 약 3분의 2가 ⁴⁰K, 우라늄 및 토륨의 방사성 붕괴에서 비롯된다는 것을 보여준다. 이로 인해 지구의 판 이동은 지구 형성에서 남은 열이나, 지구 내부의 밀도가 높은 부분이 행성 중심을 향해 물리적으로 재배열되는 결과로 인한 중력 에너지로 생성된 열(일종의 연장된 낙하 및 정착)에 의해 구동되는 경우보다 훨씬 더 오래 지속될 수 있었다.

지구 내부 맨틀에서의 대류에 의해 지구 표면의 대규모 변동(테토닉스)이 유발되는 플룸 테토닉스 이론이 제기되었다. 이 경우의 플룸은 대류 셀에 의해 생기는 상승류 및 하강류를 의미한다.

6. 4. 천체 물리학

별의 대류 지역은 에너지가 핵심 영역에서 주로 복사가 아닌 대류에 의해 외부로 수송되는 반경의 범위이다. 이것은 대류가 에너지를 수송하는 데 있어 복사보다 더 효율적인 정도로 불투명한 반경에서 발생한다.^[35]

별의 구조와 적색 거성의 그림으로, 대류 지역을 보여준다. 이것들은 이 별들의 외층에 있는 과립 영역이다.

태양의 광구에 있는 과립은 광구 내의 플라즈마의 대류에 의해 생기는 광구의 대류 세포의 가시적인 상단이다. 과립의 상승 부분은 플라즈마가 더 뜨거운 중심에 위치한다. 과립의 바깥쪽 가장자리는 더 차가운 하강 플라즈마로 인해 더 어둡다. 전형적인 과립은 지름이 약 1000km이며 각 과립은 소멸되기 전에 8~20분 동안 지속된다. 광구 아래에는 지름이 최대 30000km이고 수명이 최대 24시간인 훨씬 더 큰 "초과립" 층이 있다.

천문학적 규모에서 기체와 먼지의 대류는 블랙홀의 강착 원반에서 빛의 속도에 가까운 속도로 발생한다고 생각된다.

6. 5. 공학적 응용

원자로에서 자연 순환은 설계 기준이 될 수 있다. 이는 유체 흐름에서 난류와 마찰을 줄이고(즉, 압력 손실을 최소화하고), 작동하지 않는 펌프를 유체 경로에서 제거할 수 있는 방법을 제공함으로써 달성된다. 또한, 원자로(열원)는 증기 발생기 또는 터빈(열 싱크)보다 물리적으로 낮아야 한다. 이러한 방식으로 자연 순환은 전력을 펌프에 공급할 수 없는 경우에도 원자로가 열 싱크보다 뜨거운 한 유체가 계속 흐르도록 보장한다. 주목할 만한 예로는 자연 순환 상태에서 최대 출력의 상당 부분을 차지하도록 설계된 S5G 원자로^[43]^[44]^[45] 및 S8G 원자로^[46]^[47]^[48] 미 해군 원자로가 있으며, 이는 해당 추진 시스템을 조용하게 만든다. S6G 원자로는 자연 순환 상태에서 전력으로 작동할 수 없지만, 정지된 상태에서 비상 냉각을 유지하는 데 사용할 수 있다.

자연 순환의 특성상, 유체는 일반적으로 매우 빠르게 움직이지 않지만, 높은 유속이 안전하고 효과적인 원자로 작동에 필수적이지 않으므로 이것이 반드시 나쁜 것은 아니다. 현대 설계의 원자력 발전소에서는 유동 반전이 거의 불가능하다. 주된 유체 순환 방식으로 자연 순환을 사용하는 것을 주 목적으로 설계된 원자로를 포함한 모든 원자로는 자연 순환이 충분하지 않은 경우 유체를 순환시킬 수 있는 펌프를 갖추고 있다.

'''스택 효과''' 또는 '''굴뚝 효과'''는 부력으로 인해 건물, 굴뚝, 굴뚝 가스 스택 또는 기타 용기 안으로 공기가 들어가고 나오는 현상이다. 부력은 온도 및 습도 차이로 인한 실내와 실외 공기 밀도의 차이로 발생한다. 열 차이와 구조물의 높이가 클수록 부력이 커지고, 스택 효과도 커진다. 스택 효과는 자연 환기 및 침투를 촉진한다. 일부 냉각탑은 이 원리로 작동하며, 마찬가지로 태양열 상승 기류 타워는 스택 효과를 기반으로 전기를 생산하기 위한 장치로 제안되었다.

참조

_[1] 서적 Chemistry, meteorology and the function of digestion: considered with reference to natural theology http://archive.org/d[...] William Pickering
_[2] 서적 Fundamentals of Fluid Mechanics John Wiley & Sons
_[3] 서적 Fluid Mechanics, a short course for physicists http://www.weizmann.[...] Cambridge University Press
_[4] 서적 Thermodynamics:An Engineering Approach McGraw-Hill Education
_[5] 간행물 Pattern Formation in Solutal Convection: Vermiculated Rolls and Isolated Cells
_[6] 간행물 Steady Gravitational Convection Induced by a Line Source of Salt in a Soil
_[7] 간행물 On convection in ice I shells of outer Solar System bodies, with detailed application to Callisto
_[8] Youtube Convection Experiment - GCSE Physics https://www.youtube.[...] 2020-12-12
_[9] Youtube Convection Experiment https://www.youtube.[...]
_[10] Youtube Convection Current Lab Demo https://www.youtube.[...] 2017-09-29
_[11] Youtube Colorful Convection Currents - Sick Science! #075 https://www.youtube.[...] 2012-02-15
_[12] Youtube Convection in gases https://www.youtube.[...] 2018-08-22
_[13] 간행물 Exploring the Impact of Concentration and Temperature Variations on Transient Natural Convection in Metal Electrodeposition: A Finite Volume Method Analysis https://iopscience.i[...] 2023
_[14] 웹사이트 CHAPTER 8: Introduction to the Hydrosphere (e). Cloud Formation Processes http://www.physicalg[...] Physical Geography 2009-01-01
_[15] 웹사이트 What is a monsoon? http://www.wrh.noaa.[...] National Weather Service Western Region Headquarters 2009-03-08
_[16] 간행물 The Role of Mountains in the South Asian Monsoon Circulation
_[17] 웹사이트 Sea and Land Breezes. http://cimss.ssec.wi[...] University of Wisconsin 2006-10-24
_[18] 웹사이트 The Sea Breeze. http://www.srh.weath[...] National Weather Service 2006-10-24
_[19] 서적 Civil engineers' pocket book: a reference-book for engineers, contractors https://books.google[...] D. Van Nostrand Company 2009-08-31
_[20] 서적 Ancient Chinese Inventions https://books.google[...] Chinese International Press 2009-06-18
_[21] 웹사이트 Fog And Stratus – Meteorological Physical Background http://www.zamg.ac.a[...] Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik 2009-02-07
_[22] 서적 Storm world: hurricanes, politics, and the battle over global warming https://books.google[...] Houghton Mifflin Harcourt 2009-08-31
_[23] 서적 Extreme Weather https://archive.org/[...] Black Dog & Leventhal Publisher
_[24] 웹사이트 A Severe Weather Primer: Questions and Answers about Thunderstorms http://www.nssl.noaa[...] National Oceanic and Atmospheric Administration 2006-10-15
_[25] 웹사이트 trade winds http://amsglossary.a[...] American Meteorological Society 2008-09-08
_[26] 웹사이트 Westerlies. http://amsglossary.a[...] American Meteorological Society 2009-04-15
_[27] 문서 Regional Oceanography: an Introduction. http://www.es.flinde[...] 2009-05-06
_[28] 웹사이트 Lesson 6: Unraveling the Gulf Stream Puzzle - On a Warm Current Running North. http://earthguide.uc[...] University of California at San Diego 2009-05-06
_[29] 서적 Ocean circulation. https://books.google[...] 2009-05-07
_[30] 웹사이트 Investigating the Gulf Stream. http://www.science-h[...] North Carolina State University 2009-05-06
_[31] 웹사이트 Thermohaline Ocean Circulation http://www.windows.u[...] University Corporation for Atmospheric Research 2009-01-06
_[32] 웹사이트 Atlantic Ocean water masses http://seis.natsci.c[...] California State University Long Beach 2009-01-06
_[33] 웹사이트 Mantle Convection http://theory.uwinni[...] Physics Department, University of Winnipeg 2002-12-16
_[34] 서적 Plate tectonics and crustal evolution https://books.google[...] Butterworth-Heinemann
_[35] 서적 Discovering the Cosmos https://books.google[...] University Science Books
_[36] 논문 Semi-Implicit Fem Analysis of Natural Convection in Freezing Water 1999-10-01
_[37] 웹사이트 Water - Density, Specific Weight and Thermal Expansion Coefficient https://www.engineer[...] 2018-12-01
_[38] 뉴스 Supercooled and Glassy Water http://polymer.bu.ed[...] 2018-12-01
_[39] 논문 Phase change problems with free convection: fixed grid numerical simulation 1999-12
_[40] 논문 Natural convection of water in a rectangular cavity including density inversion 1993-12
_[41] 논문 Numerical investigation of transient natural convection heat transfer of freezing water in a square cavity 2016-10
_[42] 논문 Structural transformation in supercooled water controls the crystallization rate of ice 2011-11
_[43] 웹사이트 Technical Innovations of the Submarine Force http://www.chinfo.na[...] Chief of Naval Operations Submarine Warfare Division 2006-03-12
_[44] 웹사이트 Appendix C, Attachment to NR:IBO-05/023, Evaluation of Naval Reactors Facility Radioactive Waste Disposed of at the Radioactive Waste Management Complex http://ar.inel.gov/i[...] 2006-03-12
_[45] 서적 Submarine Torpedo Tactics: An American History https://books.google[...] McFarland 2014-11-04
_[46] 웹사이트 http://ship.bsu.by/m[...] 2006-03-12
_[47] 웹사이트 The Ohio, US Navy's nuclear-powered ballistic missile submarine http://www.submarine[...] 2006-03-12
_[48] 웹사이트 Members-only feature, registration required http://tech.military[...] 2006-03-12
_[49] 서적 Geodynamics Cambridge University Press
_[50] 서적 Convective Heat and Mass Transfer, 4E McGraw-Hill Professional
_[51] 서적 Unit Operations of Chemical Engineering McGraw-Hill
_[52] 서적 Momentum, Heat and Mass Transfer https://archive.org/[...] McGraw-Hill
_[53] 서적 コンピュータによる流体力学シュプリンガー・フェアラーク東京
_[54] 서적 界面の物理と科学丸善出版
_[55] 서적 Fundamentals of Heat and Mass Transfer John Wiley & Sons
_[56] 서적 Fundamentals of Fluid Mechanics https://archive.org/[...] John Wiley & Sons
_[57] 서적 Fluid Mechanics, a short course for physicists http://www.weizmann.[...] Cambridge University Press
_[58] 서적 Thermodynamics:An Engineering Approach https://archive.org/[...] McGraw-Hill Education

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