Il processo di convezione è il principale mezzo di trasferimento del calore all’interno di un fluido esposto a una fonte di calore. Solitamente il fluido, che può essere un liquido o un gas, viene riscaldato dal basso da una superficie calda; l’aumento della temperatura si traduce in una diminuzione della densità, causando l’aumento del fluido e il flusso del fluido più freddo verso l’interno per sostituirlo. Mentre sale, perde calore nell’ambiente circostante, diventando più denso e più pesante del fluido sottostante. Non può scendere attraverso questo fluido in salita, quindi si diffonde orizzontalmente prima di ricadere verso la superficie ed essere attirato verso il punto di partenza dal fluido in salita. Questo sistema è noto come cella di convezione ed è una caratteristica della fluidodinamica che può essere osservata in una varietà di situazioni, dall’acqua riscaldata in una pentola a processi su scala planetaria o stellare.
L’atmosfera terrestre è caratterizzata da celle di convezione su vasta scala: le regioni equatoriali ricevono più calore dal sole rispetto ai poli, facendo salire l’aria calda per poi fluire verso latitudini più elevate, dove scende per rifluire verso l’equatore, formando un’enorme cella di convezione da entrambe le parti. Queste sono note come cellule di Hadley. Il vapore acqueo nell’aria che sale si condensa mentre l’aria si raffredda ad altitudini più elevate e può formare torreggianti cumulonembi che producono temporali. L’aria discende generalmente di circa 30 gradi a nord ea sud dell’equatore, momento in cui ha perso la maggior parte della sua umidità; di conseguenza, queste regioni sono solitamente aride e contengono alcuni dei più grandi deserti del mondo. Il successivo movimento dell’aria verso l’equatore è responsabile degli alisei.
Il calore del nucleo terrestre mantiene la circolazione della roccia calda e fluida nel mantello superiore, formando celle di convezione sotto la crosta. Il movimento risultante della roccia fusa o semifusa guida il processo noto come tettonica a zolle che è responsabile della scissione della crosta in “piastre” continentali che si muovono l’una rispetto all’altra. Questo fenomeno è responsabile di terremoti e attività vulcanica. Le aree della superficie terrestre che si trovano direttamente sopra una cella di convezione possono dividersi e allontanarsi, formando nuove placche, come nella Rift Valley africana. Una placca esistente, spinta dalle correnti convettive sottostanti, può spingersi in un’altra placca, costruendo catene montuose come l’Himalaya.
Le celle di convezione esistono anche nel sole. Le immagini della superficie del sole rivelano una struttura granulare costituita da aree luminose e calde circondate da confini più scuri e più freddi. Ogni granulo indica la sommità di una cella di convezione formata da plasma che viene riscaldato dal basso e sale in superficie, raffreddandosi poi allargandosi e ridiscendendo al confine.