将火种带离地球：太空“冷火焰”呈现蓝色球状

北京时间9月17日消息，据国外媒体报道，人类祖先发现火焰已有数千年的历史，即便如此，我们还是忍不住被篝火上危险跳动的火焰吸引着，生火和控制火，已成为人类最古老的化学操作之一，几个世纪以来，我们已经对火焰在陆地上燃烧的特征表现产生基本认知，在人类不断探索极限的过程中，有些人决定将火种“带离地球”，观察火会发生怎样的变化……2012年，宇航员在国际空间站分析火焰燃烧情况，通过这项“灭火实验（简称FLEX）”，科学家验证了更深层的理论知识，己烷液滴在氧气存在下能被点燃，形成蓝色、球状冷火焰。但是火焰怎么会是冷的呢？为什么我们要首先抵达太空观察冷火焰呢？让我们来全面分析一下吧！冷焰形成的化学原理当某物体点燃时，其周围气体会变得过热，开始发光产生火焰，火的“配方”很简单，因为仅需要三种原料：氧气、燃料和热量，这种基本关系也被称为“火三角”。在地球上，我们不必担心火焰缺少氧气的问题，在任何时候，地球都容纳着大约12万亿吨氧，除了维持生命，这种富含氧气的环境为生火提供了完美条件。接下来，我们讲一下燃料，它是任何氧气存在的条件下燃烧并在该过程释放能量的物质，从技术上讲，我们周围的一切都是燃料，如果让它达到足够高的温度，就会着火。然而，我们更喜欢使用易燃或者燃点低的材料作为燃料，包括：煤、石油或者己烷。火焰燃烧涉及一个简单的化学过程，称为燃烧，在这个过程中，燃料与氧气结合，进行几种化学反应，以光和热的形式释放能量。然而，燃料只有在高于着火温度时才能与氧气发生反应。达到这一温度并启动燃烧过程所需的多余能量由外部热源提供，例如：点燃炉灶的热源是电火花，而对于火柴棒而言，它是火柴头与火柴盒纹理面板摩擦生热点燃火柴头上的燃料。冷火焰的形成遵循完全相同的化学过程，燃料碳氢化合物在氧气存在下点燃并燃烧，而且这些火焰不会冻结事物，而是熔化它们。它们之所以被称为“冷火焰”，是因为这些火焰的温度相当低，普通炉灶产生的火焰大约1700摄氏度，而冷火焰的温度在400-600摄氏度之间。冷火焰有什么独特之处？在国际空间站观察到的冷火焰是球形的，这在正常情况下几乎不可能在地球上重现。我们大多数人可能没有意识到，但重力对于地球火焰燃烧现象起着重要作用，当人们点燃火焰时，它周围的气体会被加热，通过对流作用，密度较小的热气体上升，吸入更冷、更新鲜的空气，从而维持火焰继续燃烧。这种较轻热气体和轻重冷空气之间的推拉效应产生了明显的泪滴状火焰，在太空环境中，没有重力作用产生密度梯度，这就解释了为什么会形成球状火焰。同时，冷火焰无法获得氧气补给，可使用一个外部调节器，例如风扇，用于增加火焰。这种可控的氧气流动产生微弱的蓝色火焰，燃料完全燃烧形成一氧化碳和甲醛，没有任何残留烟灰。冷火焰在调节条件下保持的外形略有差异。如果我们仔细观察蜡烛的火焰，就可以发现两种类型的火焰：外部蓝色火焰和内部黄色火焰，原因是氧含量和温度不同，火焰外层蓝色区域由于周围新鲜空气进入，氧气浓度最高，使其成为火焰中最热的区域，这里的燃料（大部分是碳基燃料）处于完全燃烧状态，因此只产生二氧化碳和水作为副产物。另一方面，黄色区域的温度较低，含氧量也较低，这就导致了燃料不完全燃烧，形成了未燃烧的碳颗粒——“煤烟”，以及二氧化碳和水，烟灰碳颗粒随后二次加热，并形成火焰典型的黄色。虽然不是很常见，但是地球上可以产生完全蓝色的火焰，人们要做的就是将足够的氧气引入火焰，像本生灯和焊枪这样的设备通过仔细调节氧气和燃料流量，几乎可以产生完全蓝色的火焰。何种原因导致太空火焰“变冷”？首先，太空火焰变冷是由于是在太空环境中点燃，其次，火焰扩散燃烧过程较慢。在微重力环境下，氧气通过扩散接触火焰，而不是像地球上重力形成密度梯度形成吸力，这种缓慢的氧气流动大幅降低了火焰温度，而火焰温度高度依赖于火焰中可用的燃料和氧气数量，由于缺乏热辐射发光的电离化学物质，这些火焰确实增强了周围温度或者呈现出明亮火焰。缓慢而低温的火焰似乎是一种安全迹象，但事实恰恰相反，地球上火焰是一个快速燃烧过程，需要持续快速流动的氧气来继续燃烧，这使得开始和停止都更容易，如果将氧气供应切断一会，火焰就会熄灭。然而，对于冷火焰而言，情况并非如此，在燃烧存在的情况下，这些火焰可以维持很长时间，即使在氧气流量有限的情况下。事实上，我们对低温火焰和地球之外的火焰燃烧现象了解甚少，揭晓冷火焰的神秘化学物质属性不仅能使太空旅行更加安全，还能帮助我们研发高效的无烟内燃机！