科普｜奥林匹克圣火永不熄灭的秘密草芽圈

北京时间7月23日19时，第32届夏季奥林匹克运动会开幕式在东京奥林匹克体育场拉开帷幕。经过连续传递，最终日本网球运动员、大满贯得主大阪直美点燃了东京奥运会的主火炬台，熊熊燃烧的黄色火焰，标志着东京夏季奥运会正式启动。

历届奥运会开幕式上最激动人心的时刻，莫过于奥运圣火被点燃的一瞬间，熊熊火焰点亮了沉寂的夜空，也点燃了全世界的奥运梦想与激情。而奥林匹克圣火通常需在奥运会开幕前几个月在奥运会发源地——希腊奥林匹亚的赫拉神庙前点燃。圣火的采集方式遵循古希腊的传统，首先由首席女祭司在奥林匹亚的赫拉神庙前朗诵致太阳神的颂词，然后通过将太阳光集中在凹面镜的中央，从而产生高温引燃圣火，这也是采集奥林匹克圣火的唯一方式。然后经过火炬接力，将奥运圣火传递至举办奥林匹克运动会的城市主会场，并在奥运会比赛期间一直燃烧，象征着光明、团结、友谊、和平、正义。

图2. 奥运圣火采集仪式（图片源自网络）

图3. 凹面镜聚焦形成热源采取奥运圣火的原理

奥运圣火为什么能长久不灭？

燃烧，可以依据燃烧前燃烧气体与助燃氧化剂气体的混合状态不同，可以分为扩散燃烧和预混燃烧。扩散燃烧即可燃性气体与氧化剂气体互相扩散，边混合边燃烧。俗话说“风助火势”，《三国演义》中为大家津津乐道的典故“火烧赤壁”，正是由于诸葛亮的“巧借东风”，为熊熊烈火助势，最终大火将曹操的战船全部烧毁，进而孙刘联军大破曹军。这正是因为在一定范围内，风能带来空气（氧气），单位时间内含有的氧气越多，燃烧就能持续旺盛。当然，当超过一定范围内，单位时间内即使氧气含量很多，但是风也会稀释火焰周边的热量，使得温度降低到燃点以下，这自然造成火焰熄灭。正如在我们日常生活中，一个小火苗，比如蜡烛，当我们用扇子简单煽动或者吹一下，都可以把火焰熄灭。

图4. 2008年北京奥运会“祥云”火炬

奥运圣火在传递过程中所使用的奥运火炬，一般是经过特殊处理的，里面有着特殊的供应的系统。然后这个燃烧供应系统里面包含一个燃料存储器，还有一个气压稳固装置，同时还有一个回热的装置。稳压装置可以稳定气体燃烧所需的压力，气态的燃料以相对较高的压力进入稳压装置的进口，以高出环境压力一定范围的压力流出，保证燃烧所需的燃料压力和流量。而回热装置可以将火焰的热量向下传导，给下部的燃料瓶进行加热保持燃料室温度，保证燃料燃烧所需气压。

奥运圣火在传递却可以维持火焰长久不灭，原因不仅在于奥运火炬的巧妙设计，同时内含燃料的燃烧方式也大不相同——预混燃烧，即可燃气体与氧化剂气体预先混合，这种燃烧方式的速率快慢，氧气的补充速率已经不是火势的限制因素，主要就取决于发生的化学反应的速率。当燃气流出后，一部分进入燃烧器的主燃室，在火炬外形成扩散的比较饱满的火焰；另一部分进入预燃室，在火炬内保持一个比较小的但十分稳定的火焰，如果出现极端情况，主燃室火焰熄灭，预燃室仍能保持燃烧，保证火炬不熄灭。

图5. 奥运圣火使用的燃料演变

在氧气中燃烧：2Mg+O2 = 2MgO

在氮气中燃烧：3Mg +O2 = Mg3N2

在二氧化碳中燃烧： 2Mg+CO2 = C+2MgO

1972年的慕尼黑奥运会的火炬传递燃料首次采用气体燃料，为液化石油气，主要成分为丙烷、丙烯、丁烷以及丁烯中的一种或两种，其在燃烧时主要产生二氧化碳和水。当然液化石油气内也含有少量难以除去的硫化物杂质，从而在燃烧时会产生二氧化硫等有毒气体，这也是造成酸雨的主要危害气体。

1976年的蒙特利尔奥运会，改用橄榄油为燃料，同时也是历史上第一次采用液态燃料。

经测试，奥运火炬的燃烧系统可以抵御11级强风以及每小时50毫米的数倍大雨。所以不灭奥运圣火是在科技高速发展的今天，是完全可以做到的。