Konvektionsströme sind Bewegungen, die durch Temperaturänderungen in flüssigen oder gasförmigen Körpern verursacht werden. In solchen Körpern neigt wärmeres Material dazu, aufzusteigen und kühleres Material zu verdrängen, das anderswo zirkuliert; Die durch diesen Prozess erzeugte kontinuierliche Bewegung wird als Konvektionszelle bezeichnet. Konvektionsströmungen sind für viele Phänomene in der Natur verantwortlich, obwohl ihre Bedeutung oft übersehen wird. Ozeane, Gewitterwolken und die Erdkruste sind alles großräumige Systeme, die von diesen Strömungen betroffen sind. In kleineren Maßstäben können sie in einem Topf mit kochendem Wasser oder einer Tasse Kaffee beobachtet werden.
Wärme bewirkt, dass sich einzelne Materiemoleküle schnell bewegen. In einer Flüssigkeit, also in jedem flüssigen oder gasförmigen Stoff, dehnen sich diese erhitzten Moleküle aus und verlieren an Dichte. Dadurch steigen sie in der Flüssigkeit auf und verdrängen bereits vorhandene kühlere Moleküle. Diese kühleren Moleküle bewegen sich an anderer Stelle in der Flüssigkeit; treffen sie auf eine Wärmequelle, werden sie aufgeregt und steigen auf, während die zuvor erhitzten Moleküle abkühlen und absinken. Dieser Effekt erzeugt Konvektionszellen, die wiederum Konvektionsströme verursachen.
Konvektionsströme verursachen die Effekte, die bei einer Wassererwärmung auf einem Herd zu sehen sind. Das Wasser am Boden der Pfanne, dem Brenner am nächsten, erhitzt sich schnell und steigt an die Oberfläche. Blasen demonstrieren die Bewegung erhitzter Wassermoleküle, die die Hitze zirkulieren lassen, bis das gesamte Wasser kocht. Die Wirkung lässt sich besser beobachten, wenn man Sahne in eine heiße Tasse Kaffee gießt. Auch ohne Rühren beginnt die Sahne durch den heißeren Kaffee zu zirkulieren, und der Farbunterschied der beiden Flüssigkeiten macht die Konvektionsmuster gut sichtbar.
Konvektionsströmungen bestimmen im großen Maßstab die Bewegung der Atmosphäre um die Erde. Von der Sonne erwärmte Luft bewegt sich in kühlere Regionen und Gebiete, wodurch sich das Wettermuster ändert. Wolken entstehen, wenn warme, feuchtigkeitshaltige Luft aufsteigt und in höheren Lagen auf kühlere Luft trifft. Die Einwirkung von Konvektionszellen auf Wolken kann Gewitter und gelegentlich spektakulärere Ereignisse auslösen. Tornados und Hurrikane resultieren beide aus der heftigen Bewegung von Luft und Feuchtigkeit, die durch die durch die Atmosphäre strömende Hitze verursacht wird.
Konvektionsströmungen sind unter anderem auch für Erdbeben und seismische Aktivitäten verantwortlich. Die Erdoberfläche besteht aus einer Reihe fester Landmassen, die auf Strömen aus verflüssigtem Gestein schwimmen. Diese unterirdische Flüssigkeit, Magma genannt, unterliegt wie andere Flüssigkeiten der Bewegung von Konvektionszellen. Konvektionsströme im Magma können dazu führen, dass die Landmassen, sogenannte tektonische Platten, aufsteigen oder miteinander kollidieren. Dies kann zu Vulkanausbrüchen, Erdbeben und anderen katastrophalen seismischen Aktivitäten führen.