火焰为何会向上升起？引力不会使火焰向下沉降？

在生活中，很多事情的真实本质其实隐藏在表象之后，有时我们了解了其发生的部分原因，或者是间接原因，但没有深挖其本质的原因所在，就会错失很多有趣的故事。火焰的形状就是其中之一，看似简单，其实包含着很深刻的物理本质。

火焰的形状是我们在生活中经常会看到的现象，不管是何时何地火焰都会往上窜，呈现出“泪滴形”，所以我们形象地称之为火苗，那么火焰为何会上升呢？而其上升的原因为何会与向下作用的引力有关？先看下面这张图片。

火焰不同形状的间接原因

上图中的火焰形状分别呈现出了“泪滴形”和“球形”，左边的情况是在有引力的作用下形成的，也是我们大家熟悉的火焰，而右边的形状是在国际空间站的失重环境下形成的。它们为什么会表现出不同的形状呢？相信你肯定听过下面的解释。

在地球上，我们常会听说这样的真理：冷空气下降，热空气上升，事实确实是这样的。在火焰附近的空气被加热以后，由于密度的减小就会上升，上升的热空气就会造成局部区域的压力降低，而离火焰稍微远的冷空气就会下降并且补充到压力低的区域，然后再次被加热上升，循环往复。从冷热空气的对流，我们就能知道，上升的热空气会把火焰带上去，形成“泪滴”的形状。

而在失重的环境下，火焰表现出球形的原因，根据上文我们也能猜出来是因为火焰周围的空气不会发生对流。也就是说，火焰周围的热空气不会上升，稍远一点的冷空气也不会下降。

大多数的回答就只解释到了这里，确实也解释清楚了火焰形状不同的原因，但根本问题、也就是本质原因没有说清楚。为什么失重下的空气就不发生对流呢？蜡烛火焰周围的热空气密度低，为什么不会上升？其本质原因就在于引力对大气的分层作用。

下面我们就了解下，引力是如何让空气对流的？

根据牛顿的引力方程，我们就能看出引力的作用方式就是对密度更大（质量更大）的物体有着更强的吸引力，而我们地球在形成的过程中，引力就会使得重元素发生沉降，而轻元素就会上升，从地核到地壳，密度也会从大到小排列，地核密度大于地幔，地幔密度大于地壳。

但是地球目前来说，并不是完美的按照这样的层次分布的，也就是说还有大量的、本应该沉降到底部的元素还处在轻元素的上层，这是因为固态物体的流动性差一点，发生沉降的速度十分缓慢，但每隔一段时间，地球都会趋向于往更完美的结构发展，也就是重元素就会发生沉降，每次沉降的过程就是地震发生的根本原因，而地震的能量来源正是因为万有引力的作用。

现在再来看下地壳之上，地壳之上的地球组成要么是海洋，要么就是大气，液态物质和气态物质的流动性较好，在引力的作用下所有分成也趋向于完美的分层！你看，海洋在地壳之上，大气在海洋之上；在大气中更重的气体在最底部，而那些比较轻的气体，例如：氢气、氦气早已经逃逸的外太空了。这就是为什么地球氦气如此稀缺的原因，氢气因为大量存在于水里，所以制备氢气很简单，而氦气只能通过地球内部重元素的放射性衰变产生。

正是因为引力对大气的分层作用，也就是对密度较大的气体有更强的吸引力，对密度较小的气体有较弱的吸引力。在蜡烛周围，空气被加热以后密度降低，受到的引力减小，周围的冷空气由于密度较高，受到的引力较大，就会迅速的沉降挤占热空气的位置，使得热空气上升。也就是说，正是因为引力对冷空气向下力，导致了热空气被挤走，让火焰向上窜动。所以，在地球上火焰的形状，其本质的原因是向下的引力作用。

如果在国际空间站，由于没有引力的作用，热空气和冷空气不会感受到任何力的作用，空气也不会发生分层，蜡烛周围的热空气会一直包围着火焰，以分子间的热传导和热辐射的形式散发热量，并不会发生对流。

所以，综上所述

正是因为地球上引力的存在，才造成了火焰的形状，而空气的对流也只是造成火焰形状的间接原因。下次，你就可以直接告诉其他人，是引力让火焰往上窜的。是不是显得更高大上一点了！