Les courants de convection sont des mouvements provoqués par des changements de température dans des corps liquides ou gazeux. Dans de tels corps, la matière plus chaude a tendance à s’élever, déplaçant la matière plus froide, qui circule ailleurs ; le mouvement continu créé par ce processus est connu sous le nom de cellule de convection. Les courants de convection sont responsables de nombreux phénomènes dans le monde naturel, bien que leur importance soit souvent négligée. Les océans, les nuages d’orage et la croûte terrestre sont tous des systèmes à grande échelle affectés par ces courants. À plus petite échelle, ils peuvent être observés dans une casserole d’eau bouillante ou une tasse de café.
La chaleur fait que les molécules individuelles de matière se déplacent rapidement. Dans un fluide, c’est-à-dire ici toute substance liquide ou gazeuse, ces molécules chauffées se dilatent, devenant moins denses. Cela les fait monter dans le fluide, déplaçant toutes les molécules plus froides déjà présentes. Ces molécules plus froides se déplaceront ailleurs dans le fluide ; s’ils rencontrent une source de chaleur, ils vont s’agiter et monter, tandis que les molécules préalablement chauffées vont se refroidir et descendre. Cet effet crée des cellules de convection, qui à leur tour provoquent des courants de convection.
Les courants de convection provoquent les effets que l’on peut voir dans une casserole d’eau chauffante sur un poêle. L’eau au fond de la casserole, la plus proche du brûleur, chauffe rapidement et remonte à la surface. Les bulles témoignent de l’agitation des molécules d’eau chauffées, qui font circuler la chaleur jusqu’à ce que toute l’eau bout. L’effet peut être plus facilement observé en versant de la crème dans une tasse de café chaude. Même sans remuer, la crème commencera à circuler dans le café plus chaud et la différence de couleur entre les deux liquides rend les motifs de convection faciles à observer.
A très grande échelle, les courants de convection régissent le mouvement de l’atmosphère autour de la Terre. L’air chauffé par le soleil se déplace vers des régions et des zones plus froides, ce qui modifie les conditions météorologiques. Les nuages se forment lorsque l’air chaud et humide s’élève et rencontre de l’air plus frais à des altitudes plus élevées. Les actions des cellules de convection sur les nuages peuvent provoquer des orages et, occasionnellement, des événements plus spectaculaires. Les tornades et les ouragans résultent tous deux de l’agitation violente de l’air et de l’humidité causée par la chaleur se déplaçant dans l’atmosphère.
Parmi leurs divers autres effets, les courants de convection sont également responsables des tremblements de terre et de l’activité sismique. La surface de la Terre est constituée d’une série de masses terrestres solides flottant sur des courants de roche liquéfiée. Ce liquide souterrain, appelé magma, est soumis au mouvement des cellules de convection, tout comme les autres liquides. Les courants de convection dans le magma peuvent provoquer l’élévation ou la collision des masses continentales, appelées plaques tectoniques. Cela peut entraîner des éruptions volcaniques, des tremblements de terre et d’autres activités sismiques catastrophiques.