A Benard sejtek egy relatív fogalom a konvekciós ami azt jelenti, a jelenséget figyelhetjük meg 1900 folyamán egy egyszerű kísérletet végzett Henri Bénard , egy fizikus francia . Ezek olyan konvekciós sejtek, amelyek spontán módon jelennek meg egy folyadékban, ha külső hőforrást alkalmaznak rá. Egyszerűen és könnyen érthető módon szemléltetik a disszipatív rendszerek elméletét . Ezeknek a konvektív struktúráknak a kialakulása a folyékony közeg destabilizációjából adódik a Rayleigh-Bénard instabilitás keretein belül .
A kísérlet elvégzéséhez két párhuzamos lemez közé van zárva egy folyadékréteg, például víz, amely hőcserélő felületekként szolgál . A folyadék mélységének sokkal kisebbnek kell lennie, mint a közeg vízszintes mérete.
Kezdetben a felső és az alsó sík hőmérséklete azonos. A folyadék hőegyensúly felé fejlődik, ahol hőmérséklete homogén és azonos a külső környezet hőmérsékletével. Ha a külső hőmérséklet kissé változik, a folyadék új, egységes állapotba kerül, a termodinamika második elvének megfelelően .
Ezután elkezdjük melegíteni az alsó falat. Az energiaáramlás függőlegesen halad át a folyadékon, hővezetéssel , és a két lemez között lineáris hőgradiens jelenik meg . Ez a rendszer a statisztikai fizikával leírható .
Ha tovább emeljük az alsó lemez hőmérsékletét, akkor egy gyökeresen új jelenség következik be: a konvekciós cellák (néha konvekciós görgőknek ) megjelenése, vagyis a folyadék apró, egymástól jól elkülönülő mozgásai. Ezeknek a celláknak a nagysága milliméter nagyságrendű. A véletlenszerű mikroszkópos mozgás tehát spontán, nagyobb léptékben rendeződik és megfigyelhetővé válik. A konvekciós cellák stabilak, és forgásirányuk ellentétes két összefüggő cellával vízszintes irányban. Az egyik cellában a folyadék az óramutató járásával megegyező irányban forog, a másikban pedig az óramutató járásával ellentétes irányban.
Egy kicsi zavar nem képes megváltoztatni a sejtek forgását, de nagy eltérés igen. A Bénard-sejtek tehát a tehetetlenség, a hiszterézis egy formáját mutatják , úgy gondolhatjuk, hogy van egyfajta memóriájuk .
Megjegyezhetjük azt is, hogy egy mikroszkópos szintű determinisztikus jelenség makroszkópos szinten kiszámíthatatlan megnyilvánulást eredményez. Így tökéletesen megjósolhatjuk a konvekciós sejtek megjelenését, de abszolút nem tudjuk megjósolni azok forgásirányát. A kezdeti kísérleti körülmények apró zavarai megfigyelhető és mérhető hatást eredményeznek. A pillangóhatás szemléltetése .
Következésképpen a konvekció hőmérséklete bifurkációs pont , és a rendszer evolúciója bifurkációs diagram segítségével elemezhető . A bifurkációs pont hőmérséklete a folyadék viszkozitásától , hővezető képességétől és a kísérlet fizikai méreteitől függ.
Ha tovább növeljük az alsó sík hőmérsékletét, a szerkezet nagyon összetetté válik, turbulencia jelenik meg, megtörik a szimmetria és a rendszer kaotikussá válik .
A meleg levegő alacsonyabb sűrűségű, mint a hideg levegő, ezért ha ez utóbbi alá kerül, akkor felfelé irányuló archimedesi lökést tapasztal . A földön felmelegített levegő tehát helyileg bejuthat egy Bénard cellába. A felfelé mutató telek növekszik, de az adiabatikus hőgradiens szerint , amely instabil esetekben alacsonyabb, mint a környezet hőmérséklete. Ezért kevésbé sűrű, mint a környezet, és felfelé érő arkhimédészi erővel esik át . Ez a különbség a rendelkezésre álló konvekciós potenciál (EPCD).
Emelkedésével a légcsomag lehűl, és a benne lévő vízgőz kondenzálódik, amikor a relatív páratartalom eléri a 100% -ot, majd a konvektív felhő képződik, majd csapadék válik le. Ha az instabil légréteg függőlegesen nem nyúlik ki , akkor kialakul a cumulus humilis , a jó idő gomolya néven ismert szinonimája az emelkedő levegőnek . Ha a EPCD növekszik, akkor majd megy a gomolyfelhő mediocris , majd congestus vagy zivatarfelhő , a második és a harmadik termelő csapadék . Ezeknek a felhőknek az életciklusát a csapadékcsatorna teszi teljessé. Ezenkívül ezek a felhők légköri keringésben mozognak, és kevés időt töltenek a földön lévő pont felett.
A száraz konvekció viszont felhő-képződés nélküli jelenségeket eredményez, a levegő nedvességhiány miatt kondenzációt okozva emelkedik, csak a vitorlázórepülő pilóták vagy madarak által használt konvekciós buborékok . Ezek közül meg kell említeni a tengeri szellőket , a por és a tűz forgószeleit , az intertrópusi keringést és sok más jelenséget.
Végül az instabilitás a magassági levegőrétegbe kerülhet, és nem ezután a talaj felmelegedése okozza a Bénard-sejteket, hanem a réteg hőmérséklet-különbsége. Ennek egyik esete a rotorok kialakulása a hegytől lefelé. Az átmenet az emelkedő ág és a rotor belsejében lévő leereszkedő között mintegy ötven méteren keresztül hajtható végre. Az örvények a fő rotor és a hegyi hullám közötti felső határban is kialakulnak. Ennek oka az örvény (rotor) és a hullám közötti nyíróhatás, amely Kelvin-Helmholtz instabilitást generál .
A csillag fotoszférája, akárcsak a Nap, az úgynevezett granulátum konvekciós sejtekből áll , amelyek túlhevített plazma ( a Nap számára 5800 ° C-os) felszállói, átlagos átmérője körülbelül 1000 és 1500 km között van . A plazma hűl, miközben emelkedik és esik a szemcsék közötti keskeny terekben, és ezért Bénard-sejtet képez. A granulálás nagyon dinamikus jelenség, a granulátum élettartama általában nem haladja meg a 8-20 percet.