火焰是人類文明致勝的法寶之一，世界上只有人類具備隨心所欲應用火焰的能力。對於這樣司空見慣的東西，有時候也不禁會讓人們好奇，火焰到底是什麼組成？為什麼地球對大氣都有束縛的能力，使地球大氣絕大多數品質都集中在距地面10公里的範圍內，而火苗卻似乎能夠克服重力，具有向上飄的能力?

火焰的發生和組成

對於我們最熟知的火焰，大家可能都知道是可燃物和氧氣迅速發生反應導致的快速發光發熱的現象，伴隨著氣體、無機物灰燼的生成。問題是這個過程是怎麼發生的，可燃物是直接和氧氣反應還是另有玄機？

如果仔細觀察的話我們可以發現，火焰都不是產生於可燃物的內部，而總是附著在表層，內部的燃燒是氧氣通過間隙進入後較為緩慢且不是很充分的燃燒，雖然也能發出光和熱，但並無火焰，制木炭就是在氧氣不是很充分的情況下燃燒，使得木材成為多孔隙的構造，這樣的構造更便於氧氣進入就更易燃燒；附著在表面的火焰由於燃燒介質的不同，具有不同形態，氣體會飄散它們的火焰是飄忽不定的倒可以理解，固體的燃燒為什麼也是這樣呢?

火焰發生有一個很重要的條件，那就是超越燃點的溫度，在高溫下物質的粒子活動更劇烈，一些可燃物粒子脫離固體表面進入空氣中，在高溫中和氧氣的分子快速地化合，如果溫度比較高，物質粒子還會被離子化，也就是成為等離子態的，使得固體可燃物的燃燒也有一個很明顯的燃燒介面。也就是說火焰是發生於氣態狀態下的，固態可燃物的燃燒是先轉化為稀薄的氣體或者等離子態，然後才是和氧氣的反應，當然其中也會有一些不能燃燒的無機物灰燼被捲起。

所以，火焰的物質組成中有氧（氧自由基等形態）、可燃物粒子、等離子體、灰燼等；而火會發光是由於物質的原子在高溫下原子態被激發，電子躍遷發出可見光光譜，由於不同元素原子躍遷能級不同，使得火焰的顏色也不盡相同。

不同環境中火焰的狀態

在地球上，我們看到的火焰都是具有類似等形態，形成類似於水滴狀的形狀，尖尖的更黃更亮；不管是以氧氣為氧化物的燃燒反應還是以氯氣等為氧化物的反應，火焰都具有相似的形狀。

左：地球 右：太空

而在太空中火焰的形態卻大不相同，會形成一個圓球形覆蓋在燃燒介面上，不像地球上的火焰那樣會飄忽不定，並且火焰的顏色會更藍。

如果能夠理解地球和太空微重力環境的區別，就能夠理解為什麼地球上的火焰總是向上飄。

火焰向上飄的原因

空間站是人類建設在太空中的實驗平臺，內部的氣體環境雖然和地球大氣稍有不同，但是氣體中也包含燃燒反應的足量氧氣，所以這裡的不同不是造成太空和地球火焰形狀不同的原因。由於隨著空間站一同繞地球運動，地球對氣體的引力也提供了其圓周運動的向心力，所以氣體也是失重狀態，不像地球大氣大部分都集中在地表附近，太空中的氣體單純是靠自由的擴散運動維持著較為均衡的密度。

而地球上由於重力的作用，絕大多數大氣都被束縛在地表附近，而大氣分子品質小，在熱的催動下會發生較為劇烈的活動，也就是熱脹冷縮現象比較顯著，火焰的熱使得上部的氣體膨脹散失，火焰周圍形成一個氣體的低壓區域，同時熱空氣的上升也託舉著火焰，使火焰呈類似水滴的形狀。而周圍的氣體因為受熱少密度高氣壓就也比較高，在氣壓的推動下氣體會向火焰形成的低壓區域中壓，這種現象稱為對流。對流可以為火焰源源不斷地補充氧氣，以便持續支援燃燒。

在太空中火焰的熱雖然也會使燃燒介面附近的空氣膨脹，但是周圍受熱較少的氣體卻不會沉降，不能形成地球上的對流效應，使得火焰成為圓球形；因為對流現象不顯著，火焰燃燒的氧氣補充也比較緩慢，更容易發生不完全的燃燒，產生一氧化碳，而一氧化碳也能繼續燃燒，顏色卻是藍色。

綜上，說了這麼多，地球上的火焰能向上飄，莫不說正是地球引力的作用。火焰是發生在燃燒介面上的可燃物粒子和氧氣的迅速反應，而引力和熱脹冷縮現象使受熱不均的氣體形成了對流，對流中的氣體運動更迅速，拖動燃燒介面，使燃燒中的物質粒子克服了引力的作用，因此火焰才向上飄。