奇妙的物理世界：失重条件下的火焰

人们对失重条件下的植物生长、水的流动、火焰的形状、危险病原微生物传播的变化充满着好奇心，或许有一天我们人类会放弃地球进行人类历史上不知是第几次的宇宙移民旅程，那个时候也许就会用到我们对生命失重的研究结果，或许你的孙女、你的重孙子就是一个宇宙移民太空舱的园丁、大厨....

太空中的火焰(右)和地面上的火焰(左)

微重力能够产生更圆的温度更低的火焰。在这张对照图中，正常重力条件下产生的火焰(左侧)和微重力环境下的火焰(右侧)之间的区别可谓一目了然。与在地球上不同的是，微重力条件下的低密度热气体不会上升。其结果是，粒子从高温区向低温区扩散等其它过程占据了支配地位。在太空研究燃烧进一步揭示了有关这种现象的基本物理学原理，进而帮助研发用于未来太空探索任务的灭火技术、植物生长加温技术。

引发的思考：

1.太空中植物生长的温度该如何控制？火焰加温还是太阳能加热甚或是电加热？

2.如何利用火焰溢出的二氧化碳提高植物的光合作用效率？

3.空间电场/二氧化碳同补技术会是宇宙普适的技术吗？

物理学的解释

答案1

从理论上讲，燃烧的蜡烛在失重状态下会立刻熄灭。道理很简单：没有重力的情况下就不会有对流，燃烧产生的热空气上升，含有氧气的冷空气马上填充进来。氧化剂一旦与火焰接触就消耗殆尽，燃烧即中止。

这种解释完全合乎逻辑，可能正是这种逻辑妨碍人们在实践中去验证。乘坐宇宙飞船遨游太空的人，谁也不会想到去擦火柴或点蜡烛。

1987年2月，这种情况终于碰到了。 “和平号”宇宙空间站发生了故障——氧气发生器起火了。与理论上的看法相反，燃烧的火焰并没有自动熄灭，宇航员只好动手将火扑灭。

这起事故触发了俄罗斯和美国宇航员在失重条件下进行燃烧实验的想法。于是他们点燃了蜡烛，结果蜡烛持续燃烧起来，不过燃烧速度比在地面缓慢得多，尤其不同的是火焰的外形不是一般那样向上伸展，而是一个很标准的圆球，火球外围呈淡蓝色。

既然在失重状态下依然能够燃烧，科学家在设计国际宇航空间站时，就必须预先考虑到可靠的防火措施。

答案2

在地球上，由于受到重力的影响，燃烧后会使旁边空气形成上下对流，于是我们看到的火焰向上。在太空失重的情况下，这种上下对流消失，点燃后的蜡烛没有所谓的向上或向左等等的方向，其火焰就会向四周伸展，形成圆形火焰。在燃烧的同时，虽然消耗了氧气，重要是氧气分子是做规则的运动的，周围的氧气分子会填补原来的氧气的空间，蜡烛便得以继续燃烧，但由于受到废气的阻碍，燃烧时获得的氧气量会比在地球上相对减小，燃烧不够充分，所以我想其亮度会不会减弱，燃烧会比在地球上更缓慢。这也是对流吧，但没有重力的影响，各个方向对流的几率相等，所以火焰呈球形。

另外，在失重的状态下，对流是不是就不会发生呢？我想可以发生吧，因为分子的运动不可能停止。燃烧后的废气是运动的，周围氧气也是运动的，燃烧后的废气的量不可能把氧气和火焰阻完全隔开来，所以蜡烛得以继续燃烧。

答案3

对蜡烛火焰动态特征的分析表明，从正常重力状态过渡到微重力状态，火焰的空气动力学特征比质量和能量的传输特征的变化快。通过一台差分干涉仪首次测量得到了微重力环境中蜡烛火焰的温度。结果表明，微重力蜡烛火焰的温度小于正常重力蜡烛火焰的温度。微重力蜡烛火焰之所以呈蓝色是因为其温度小于烟黑生成的阈值温度1300K。但当环境氧浓度足够高时，火焰温度大于烟黑生成的阈值温度，火焰中明显有烟黑生成，颜色为亮黄色。

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