対流・放射

熱の分野では、対流と輻射の2つのプロセスが議論される。対流とは、動く粒子を利用して熱を伝える方法です。放射線は、エネルギーを伝達するために粒子や媒体を必要としません。この2つのプロセスは、多くの分野で重要な役割を担っています。これらの概念は、熱・熱力学の科学、大気科学、気象解析、気候解析、流体力学、さらには医学の分野で広く活用されている。これらの概念を正しく理解することは、これらの概念が多用される分野で活躍するために不可欠なことです。今回は、対流と放射とは何か、その定義、対流と放射の応用、それらの類似性、最後に対流と放射の違いについて説明します。

放射線とは？

電磁波、または一般に放射線や電磁放射と呼ばれるものは、熱の伝達方法の一つである。電磁波は、ジェームス・クラーク・マクスウェルによって初めて提唱された。その後、ハインリッヒ・ヘルツが初めて電磁波を発生させることに成功し、確認された。マクスウェルは、電磁波の波形を導き出し、その速度の予測に成功した。この波の速度が光速の実験値と等しいことから、マクスウェルは「光は実は電磁波である」とも提唱した。電磁波には電場と磁場があり、電場は互いに垂直、磁場は波の伝搬方向に垂直に振動している。真空中では、すべての電磁波は同じ速度を持っています。電磁波の周波数は、それが蓄えるエネルギー量を決定する。その後、量子力学によって、この波が実は波のパケットであることが示されました。このパケットのエネルギーは、波の周波数に依存します。これにより、物質の波動と粒子の二重性という分野が切り開かれた。これで、電磁波は波と粒子として見ることができることがわかった。物体は、絶対零度以上の温度では、さまざまな波長の電磁波を放射する。光子が放出するエネルギーの最大値は、体温によって異なる。

対流とは？

対流とは、流体の全体的な動きを表す言葉である。しかし、本論文では、対流は熱対流の一形態であると考える。伝導とは異なり、対流は固体では起こりえない。対流とは、物質が直接移動することによってエネルギーが伝達されることです。液体や気体では、下から加熱する場合、底の層が先に加熱される。このとき、高温の空気層は膨張し、冷たい空気より密度が低いため、対流となって上昇する。次の流体層でも同じような現象が起こる。一方、第一熱気層は今冷えてきているので、これから降りてくるでしょう。この効果により、下層から上層へと常に熱を放出する伝導ループが形成される。これは気象システムにおいて非常に重要なパターンである。これは、地表の熱が大気圏上層部に放出される仕組みです。