重力對火焰有什麼影響？如果失重火焰是怎樣的？

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好久沒寫認真答案了冒個泡。

太長不看：失重條件下的火焰是球形的，藍色的，會安靜地自滅，還有，不要踩。

火焰的本質是什麼？是可燃物的燃燒。更具體一點，一定溫度下，可燃物和氧氣化學反應放熱。放熱會產生兩個效果：

1. 空氣受熱變輕，向上飄
2. 激發空氣分子發光

以上兩點放在一起就顯示出來一個火焰的形狀。熱空氣一邊發光一邊向上移動，移動到一定距離以後冷了下來停止反應，也就不再發光。而冷空氣趁虛而入從蠟燭芯側面進入，把火焰下端雕刻成一個半球形。他們接著變熱開始反應，形成一個循環。這個循環直到空氣用完，或者燃料用完。

失重下有會發生什麼呢？

火球

空氣還是會被加熱，但是不會上升了，因為此時根本沒有「上」，沒有浮力，沒有對流。畢竟在地球上輕氣體上升重氣體下降的原因就是重的氣體被重力向地面方向拖。現在沒人拖了，空氣就希望安靜地呆著。[1] 於是，火焰就成了一個安靜的球形。如果你學過對稱性，這個是很好理解的。在失重下各個方向是對稱的，於是火焰的形狀就不會有區別。一個各向同性的火焰，自然只能是球形。

更深的藍

右邊的火球有沒有比左邊的火焰更藍？這是因為燃燒的東西不一樣。有對流的時候不光是 H, 許多 C 也能被燃燒掉。但是失重下 C 就不太容易燒著了，於是就變藍色。因為燃燒起來 C 是黃色的，H 是藍色的。

自滅

在 NASA 早期的飛行任務中，他們就在無人飛船中做燃燒試驗了。因為馬上要上宇航員，他們呼吸需要純氧，會不會有偶發的火焰產生巨大問題。他們發現：火焰自己滅了。

火焰自己會滅掉，也是因為缺乏對流。在重力條件下的火焰，如前文描述一樣有源源不斷的冷新鮮空氣從下端接近蠟燭芯開始燃燒，替換掉受熱飛起來的 CO2. 可是現在失重了……CO2跑不掉，氧氣也不想進來。沒有對流，就沒有氣體的交換。慢慢地火焰球中的氧氣用差不多了，就續不住了。

知道了火焰會自我毀滅，NASA 很開心。可是…… 1967 年一場火災燒毀了在發射台上的阿波羅一號和裡面的三名乘員。因為此時他們還在地面，並不是失重環境。防火重於泰山。

別踩

在地球上你見到了不想見到的火，可以踩滅它。但是在失重中，這樣做只會適得其反。因為當你劇烈移動甚至攤開火球的時候，你為它手工製造了一場對流。新鮮的氧氣進來，火球更開心了，更加猛烈地燃燒。別踩。

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[1] 嚴格來說空氣並不會完全呆住： 畢竟空氣密度不同，他們會有密度流和擴散。但是這個相對於重力提供的對流就差很多了，可以假裝不存在。

Reference:

https://www.zmescience.com/science/physics/how-fire-burns-space-zero-gravity/?

www.zmescience.com

https://www.scientificamerican.com/article/how-does-a-flame-behave-i/?

www.scientificamerican.com

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火焰會產生熱量，重力會影響氣體對流，使火焰出現「向上」的趨勢。

完全失重狀態火焰呈球狀，由於沒有對流補充氧氣，如果沒有額外的相對運動得話火焰只靠氣體擴散一般不足以支持燃燒，會逐漸熄滅。

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因本身重力形成一個球吧

參考恆星

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火焰是熱等離子體，即高溫下被拆分的正離子和電子的混合物，當溫度降低會自行複合成中性分子。你可以把等離子體當成氣體理解，這不影響。

先解釋火焰為什麼會被看到。

電子在電子層繞原子轉動，具有確定的能量，離核最近的能量低。當原子獲得外加能量時，會有一個或幾個電子躍遷到離核較遠的軌道上，處於能量較高的軌道，這個過程叫激勵。一段時間後，電子又會回到正常的軌道上。這時產生激勵的能量就會以光子的形式放出，通俗的說就是發光。

在火焰里，就是化學能促使物質升溫，高溫使分子、原子電離成為正離子和電子，這個過程中電子會不斷躍遷和回到基態，於是燃燒會發光。當溫度降低至不會再電離時，發光停止。

也就是高溫下氣體會發光，低溫時不發光。

再說重力。重力的作用是產生浮力，即密度大的流體下沉，密度小的上浮。

所以燃燒產生的發光熱等離子體會同時有兩個運動趨勢：向四周膨脹和上浮。運動出一定的距離後冷卻不再發光。於是火焰成為了我們所看到的那樣向上拉長的球形。

當我們去除重力的作用，熱等離子體就只剩下向四周膨脹的運動方式，然後一定距離後冷卻不再發光。於是會是一個光球。

—弱分割—

另外看到有題主說到燃燒元素和顏色的問題。這個我不太熟悉，但是跟所謂的「燃燒元素」應該無關。其一碳在真空中一樣會和氧氣反應。其二氫燃燒藍色≠含氫物質燃燒藍色。（不知道是不是我了解太淺 @王瑞揚 （二更如下，看來是的））

（二更部分）

［評論區指出，顏色不同是由於不完全燃燒時固體副產物加熱下的黑體輻射。@byoshovel

我搜索了一下，實際上火焰內外焰的出現和反應發生的位置有關。

盜圖 @胡林翼 ：

圖中藍色三角邊緣的最亮的一層即反應與不反應的分界面。內部燃料受其加熱電離躍遷，佔據多數的氫原子發出藍光。而反應分界面以外發生燃燒，燃燒會出現不充分的情況，從而導致了固體副產物發生黑體輻射。

這樣就解釋的通了。。］

本部分原答案：

顏色的不同多半還是和反應釋放的能量有關。

外焰的等離子體環境溫度低，複合時電子降落能級多，釋放能量大，溫度高，發光也更亮；而內焰處於火焰的核心，受到四周外焰的溫度影響，反而不容易複合，電子降落能級也低，溫度低，發光也弱，等離子體只能一直保持電離的狀態。

至於真空中主要為藍色的原因，可能是因為表面積大，能量分散。這只是猜測，如有錯誤，歡迎大家指出。

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關掉手機，抬頭，看看太陽

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