保罗·罗尼在1997年4月看到的那些小小的火球，是如此圆润、如此完美、如此几乎静止，以至于让他震惊，尽管他一直在寻找它们——尽管他已经将一套设备送入了太空穿梭机轨道，仅仅是为了创造它们。这套设备是一个直径一英尺的铝制圆筒，里面充满了气体，其中约5%是氢气；透明的石英窗使罗尼的摄像机能够记录里面的情况。当他第一次让一个火花通过那个腔室时，他得到了直径三分之一英寸的火焰球。它们像微型不明飞行物一样在腔室里缓慢漂移，彼此避开，也避开墙壁，而且从未熄灭——直到罗尼预设的程序在八分钟后将它们扑灭。他从未想过它们会持续那么久。“这有点令人失望，”南加州大学洛杉矶分校的燃烧物理学家罗尼说。“就像一个100岁的老人被公交车撞倒了，你会想，‘他还能活多久？’”罗尼在太空中看到的火焰球是地球上极其复杂的现象——火焰——的异世界的理想形态。当你在航天飞机上一个密封的圆筒内燃烧最简单的可燃物之一——氢气时，重力、风、大多数燃料的化学复杂性——所有这些都不再重要。罗尼和任何其他科学家都无法完全解释他的火焰球。但与他们试图预测新型V-6发动机的燃料燃烧效率和清洁度相比，他们已经接近解释火焰球了——这是一个对汽车行业有些重要的问题。他们甚至比理解一根简单的燃烧蜡烛要更接近于理解火焰球。像大多数火一样，蜡烛是一种使碳氢化合物分子与氧气反应以产生热量和光，以及二氧化碳和水的系统。“这真的很一团糟，”美国宇航局高级研究员霍华德·罗斯说。“从燃料蒸气产生并离开烛芯到它实际燃烧并产生二氧化碳和水，有成千上万的反应在发生。”当融化的蜡通过烛芯上升时，其长链的碳氢化合物分子会被火焰散发出的热量蒸发并裂解。一些碎片向外迁移。一些被转化为称为多环芳烃的环状分子；它们聚集在一起，形成大的烟尘颗粒，这些颗粒向上漂移并燃烧，或者作为烟雾从火焰顶部逸出。大部分热量——但不是光——在火焰表面释放，在那里从烛芯扩散出来的燃料蒸气与从周围空气中扩散进来的氧气相遇。各种碳化合物和氧分子O2的键比CO2和H2O的键弱，但具有更高的势能。当碳和氧结合形成CO2和水时，一些能量差会以不可见的红外辐射或热量的形式释放出来。蜡烛火焰的可见光是由两种不同的过程引起的：白炽和化学发光。火焰舌中明亮的黄光来自炽热的烟尘颗粒。底部周围的微弱蓝光来自正在疯狂振动的CH和C2，它们仍在燃烧过程中。普通的火不会被动地等待氧气扩散过来。相反，它会主动获取。火焰加热的空气上升时，富含氧气的冷空气会从底部流入。（森林火灾可以产生超过每小时100英里的风。）物理学家马克·图拉德（Marc Thuillard）说，这是火最令人着迷的特征之一——它的闪烁——的起源。图拉德是西门子在瑞士的一个制造烟雾和火焰探测器的部门Cerberus的物理学家。一个制作精良的蜡烛通常不会闪烁，除非它受到外部气流的冲击。但燃烧专业人士所说的“池火”——任何东西，从化工厂泄漏的碳氢化合物燃烧池，到一锅油炸的法式可丽饼——几乎总是会闪烁，即使在静止的房间里也是如此。事实上，如果燃料以规则的方式分布，燃烧的池会像时钟一样有规律地脉动。在没有重力或风的塑造下，在航天飞机充满氢气的圆筒中点燃的火焰会形成直径三分之一英寸的长燃火球。图片由Paul Ronney/NASA提供想象一下，在图拉德防火实验室的地板上放着一个很小的、圆形的、浅浅的乙醇盘，这个实验室是一个约30英尺高、30英尺宽、基本空的混凝土立方体。图拉德的一位同事用一个Bic打火机点燃了乙醇，伴随着一声低沉的“呼”声。当我们看着它时，图拉德解释说，火焰中发生的是，吹过火焰的冷空气在火焰上形成了一道波浪，就像风吹过大海一样。火焰波从池塘边缘向中心传播，在那里形成一个火焰蘑菇，向上和向外膨胀——然后，下一次闪烁循环就开始了。当有阵风助长火势时，或者当你在壁炉里烧的是一堆木柴而不是一池乙醇时，闪烁就会变得不规则。但图拉德发现，无论哪种情况，火焰仍然包含隐藏的数学规律，使其可以与其他光源区分开来，例如阳光在墙上闪烁，因为它被外面的吹拂的树叶不规则地阻挡了。在过去的几年里，Cerberus公司已经售出了数万个采用了图拉德这一见解的新型火焰探测器。他说，到目前为止，还没有人报告过误报。为了展示其功能，他和他的同事将探测器放在实验室的一侧，并在其正前方放置一个明亮的灯泡和一个闪烁的橙色警示灯；探测器保持静默。在这些干扰依然耀眼的情况下，图拉德的同事在25英尺外点燃了一个两英寸的乙醇盘。当火焰波开始从盘中脉动上升时，探测器开始发出持续的哔哔声。火焰中的闪烁或海洋上的波纹都是重力波的例子，它们发生在密度不同的液体或气体边界——在火焰的情况下，是重力作用下想要下沉的致密的冷空气与想要上升的热空气之间的边界。在太空的微重力环境下，火焰大概不会以同样的方式闪烁。在霍华德·罗斯让宇航员在航天飞机和俄罗斯空间站上点燃蜡烛之前，有些人甚至质疑火焰在太空中是否能获得足够的氧气来燃烧。他们指出，因为在太空中热空气不会上升，冷空气就不会流入来供给火焰。在罗斯的实验中，蜡烛的火焰是球形的，非常微弱，几乎看不见，并留下漂浮的液态蜡球。然而，最微弱、最奇怪的火焰记录似乎属于罗尼。他的火焰球——其中氢气和氧气在静止与和谐中扩散，创造出完美的球形光——只产生一到两瓦的功率，大约是生日蜡烛功率的五十分之一。无论气体室的大小或内部压力如何，它们都是如此。“如果这一切听起来有点奇怪，”罗尼说，“你并不孤单。即使我和燃烧专家同事谈论火焰球，他们的第一反应也是‘我不相信。’”今年，美国宇航局给了罗尼一次再次飞行他的实验的机会。他说，火焰球之于燃烧物理学，就像果蝇之于遗传学。如果我们能破解他称之为“最简单的火焰”的原理，我们将更有可能设计出燃烧更清洁、污染更少的内燃机。而至少，我们可能会更好地理解蜡烛。
网络资源
有关马克·图拉德智能火焰探测器的详尽描述，包括图表和照片，请参阅 www.siemens.com/FuI/en/zeitschrift/ archiv/Heft1_99/ artikel03/index.html。有关太空中的火的更多信息，请参阅美国宇航局的“微重力下的蜡烛火焰”网页： zeta.lerc.nasa.gov/expr/candle.htm
