據國外媒體報道，人類(lèi)祖先發(fā)現火焰已有數千年的歷史，即便如此，我們還是忍不住被篝火上危險跳動(dòng)的火焰吸引著(zhù)，生火和控制火，已成為人類(lèi)最古老的化學(xué)操作之一，幾個(gè)世紀以來(lái)，我們已經(jīng)對火焰在陸地上燃燒的特征表現產(chǎn)生基本認知，在人類(lèi)不斷探索極限的過(guò)程中，有些人決定將火種“帶離地球”，觀(guān)察火會(huì )發(fā)生怎樣的變化……

2012年，宇航員在國際空間站分析火焰燃燒情況，通過(guò)這項“滅火實(shí)驗（簡(jiǎn)稱(chēng)FLEX）”，科學(xué)家驗證了更深層的理論知識，己烷液滴在氧氣存在下能被點(diǎn)燃，形成藍色、球狀冷火焰。但是火焰怎么會(huì )是冷的呢？為什么我們要首先抵達太空觀(guān)察冷火焰呢？讓我們來(lái)全面分析一下吧！

冷焰形成的化學(xué)原理

當某物體點(diǎn)燃時(shí)，其周?chē)鷼怏w會(huì )變得過(guò)熱，開(kāi)始發(fā)光產(chǎn)生火焰，火的“配方”很簡(jiǎn)單，因為僅需要三種原料：氧氣、燃料和熱量，這種基本關(guān)系也被稱(chēng)為“火三角”。

在地球上，我們不必擔心火焰缺少氧氣的問(wèn)題，在任何時(shí)候，地球都容納著(zhù)大約12萬(wàn)億噸氧，除了維持生命，這種富含氧氣的環(huán)境為生火提供了完美條件。接下來(lái)，我們講一下燃料，它是任何氧氣存在的條件下燃燒并在該過(guò)程釋放能量的物質(zhì)，從技術(shù)上講，我們周?chē)囊磺卸际侨剂?，如果讓它達到足夠高的溫度，就會(huì )著(zhù)火。然而，我們更喜歡使用易燃或者燃點(diǎn)低的材料作為燃料，包括：煤、石油或者己烷。

火焰燃燒涉及一個(gè)簡(jiǎn)單的化學(xué)過(guò)程，稱(chēng)為燃燒，在這個(gè)過(guò)程中，燃料與氧氣結合，進(jìn)行幾種化學(xué)反應，以光和熱的形式釋放能量。然而，燃料只有在高于著(zhù)火溫度時(shí)才能與氧氣發(fā)生反應。達到這一溫度并啟動(dòng)燃燒過(guò)程所需的多余能量由外部熱源提供，例如：點(diǎn)燃爐灶的熱源是電火花，而對于火柴棒而言，它是火柴頭與火柴盒紋理面板摩擦生熱點(diǎn)燃火柴頭上的燃料。

冷火焰的形成遵循完全相同的化學(xué)過(guò)程，燃料碳氫化合物在氧氣存在下點(diǎn)燃并燃燒，而且這些火焰不會(huì )凍結事物，而是熔化它們。它們之所以被稱(chēng)為“冷火焰”，是因為這些火焰的溫度相當低，普通爐灶產(chǎn)生的火焰大約1700攝氏度，而冷火焰的溫度在400-600攝氏度之間。

冷火焰有什么獨特之處？

在國際空間站觀(guān)察到的冷火焰是球形的，這在正常情況下幾乎不可能在地球上重現。我們大多數人可能沒(méi)有意識到，但重力對于地球火焰燃燒現象起著(zhù)重要作用，當人們點(diǎn)燃火焰時(shí)，它周?chē)臍怏w會(huì )被加熱，通過(guò)對流作用，密度較小的熱氣體上升，吸入更冷、更新鮮的空氣，從而維持火焰繼續燃燒。這種較輕熱氣體和輕重冷空氣之間的推拉效應產(chǎn)生了明顯的淚滴狀火焰，在太空環(huán)境中，沒(méi)有重力作用產(chǎn)生密度梯度，這就解釋了為什么會(huì )形成球狀火焰。

同時(shí)，冷火焰無(wú)法獲得氧氣補給，可使用一個(gè)外部調節器，例如風(fēng)扇，用于增加火焰。這種可控的氧氣流動(dòng)產(chǎn)生微弱的藍色火焰，燃料完全燃燒形成一氧化碳和甲醛，沒(méi)有任何殘留煙灰。冷火焰在調節條件下保持的外形略有差異。

如果我們仔細觀(guān)察蠟燭的火焰，就可以發(fā)現兩種類(lèi)型的火焰：外部藍色火焰和內部黃色火焰，原因是氧含量和溫度不同，火焰外層藍色區域由于周?chē)迈r空氣進(jìn)入，氧氣濃度最高，使其成為火焰中最熱的區域，這里的燃料（大部分是碳基燃料）處于完全燃燒狀態(tài)，因此只產(chǎn)生二氧化碳和水作為副產(chǎn)物。

另一方面，黃色區域的溫度較低，含氧量也較低，這就導致了燃料不完全燃燒，形成了未燃燒的碳顆粒——“煤煙”，以及二氧化碳和水，煙灰碳顆粒隨后二次加熱，并形成火焰典型的黃色。

雖然不是很常見(jiàn)，但是地球上可以產(chǎn)生完全藍色的火焰，人們要做的就是將足夠的氧氣引入火焰，像本生燈和焊槍這樣的設備通過(guò)仔細調節氧氣和燃料流量，幾乎可以產(chǎn)生完全藍色的火焰。

何種原因導致太空火焰“變冷”？

首先，太空火焰變冷是由于是在太空環(huán)境中點(diǎn)燃，其次，火焰擴散燃燒過(guò)程較慢。

在微重力環(huán)境下，氧氣通過(guò)擴散接觸火焰，而不是像地球上重力形成密度梯度形成吸力，這種緩慢的氧氣流動(dòng)大幅降低了火焰溫度，而火焰溫度高度依賴(lài)于火焰中可用的燃料和氧氣數量，由于缺乏熱輻射發(fā)光的電離化學(xué)物質(zhì)，這些火焰確實(shí)增強了周?chē)鷾囟然蛘叱尸F出明亮火焰。

緩慢而低溫的火焰似乎是一種安全跡象，但事實(shí)恰恰相反，地球上火焰是一個(gè)快速燃燒過(guò)程，需要持續快速流動(dòng)的氧氣來(lái)繼續燃燒，這使得開(kāi)始和停止都更容易，如果將氧氣供應切斷一會(huì )，火焰就會(huì )熄滅。然而，對于冷火焰而言，情況并非如此，在燃燒存在的情況下，這些火焰可以維持很長(cháng)時(shí)間，即使在氧氣流量有限的情況下。

事實(shí)上，我們對低溫火焰和地球之外的火焰燃燒現象了解甚少，揭曉冷火焰的神秘化學(xué)物質(zhì)屬性不僅能使太空旅行更加安全，還能幫助我們研發(fā)高效的無(wú)煙內燃機！