科普｜奥林匹克圣火永不熄灭的秘密

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。

 图1. 大阪直美点燃东京奥运会圣火（图片来源：人民日报）

奥林匹克圣火的起源

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

凹面的抛物面镜，平行光照于其上时，通过其反射而聚在镜面前的焦点上。当太阳光足够强时（一般为当天正午），平行照射在凹面镜上之后将反射并聚焦于焦点，使得太阳光的热量聚焦产生高温环境，从而引燃取火。

奥运圣火为什么能长久不灭？

东京奥林匹克圣火的火种是2020年3月12日在希腊采集，2020年3月20日到达日本。本应该在2020年夏天举办的奥运会由于全球疫情原因，推迟到2021年7月。然而根据国际奥委会的规定，点燃的奥运圣火是不能熄灭的，必须一直燃烧至奥运会的闭幕式。此次东京奥运会的闭幕式定于2021年8月8日，这意味着从奥运圣火将持续燃烧一年零五个月！从2021年3月25日开始，从福岛出发，奥运圣火开始在日本境内传递。在经过121天，行程超过2000公里的传递，本届奥运会圣火抵达东京开幕式主体育场。看到这，很多读者或许都很好奇，奥运圣火在此期间内是如何保持不灭的？在传递过程中，难免会遇到刮风下雨等恶劣天气，奥运圣火又是如何持续燃烧的呢？

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

奥运圣火能够顺利完成传递的前提是火炬能够在复杂甚至极端的天气条件下持续燃烧一段时间，那么除了火炬的设计科技，使用的燃料同样非常重要。

从1936年柏林奥运会首次火炬传递，采用的燃料为复合镁粉，并持续好几届奥运会。镁粉是一类活性金属，可以在氧气、氮气甚至惰性气体二氧化碳中燃烧，镁粉在燃烧的时候会冒出浓郁白烟，并伴随着耀眼的火光。这种耀眼强光可能会对眼睛造成灼伤，同时也会产生有害物质。

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

1960年罗马奥运会，火炬传递采用的燃料为天然松香。松香是松树科植物中的一种油树脂，其主要成分为C19H29COOH，其燃烧过程产生二氧化碳和水，其在点燃条件下的化学反应方程式为2C19H29COOH+53O2 =40CO2+30H2O。本身松香毒性不大，但是因含有铅等重金属和少量有毒化合物多少会对人体健康产生影响。

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。

1984年的洛杉矶奥运会，首次采用丙烷丁烷混合气体作为火炬燃料，并一直沿用至今。丙烷在燃烧时产生的火焰为亮黄色，非常显眼，即使在跑动或者不同背景下都可以被轻易捕捉。点燃情况下丙烷的燃烧化学反应方程式为C3H8+5O2 = 3CO2+4H2O，燃烧副产物为二氧化碳和水，绿色环保，不会对环境造成污染，同时丙烷也是一种价格低廉的常用燃料。另外，丙烷即使在–40 oC的极端环境下也可以产生1个以上的饱和大气压，高于外界大气压，满足燃烧要求，同时丙烷能具有较宽温度燃烧的适应性。

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。

奥运圣火登顶世界之巅珠穆朗玛峰

图6. 2008年北京奥运圣火登顶珠穆朗玛峰的路线（网络图）

图7. 2008年北京奥运圣火成功登顶世界之巅珠穆朗玛峰

北京时间2008年5月8日上午9：17分，在中国登山队19名队员的接力之下，2008年北京奥运圣火在海拔8844.43米的世界之巅珠穆朗玛峰点燃，熊熊燃烧在珠峰顶端的奥运圣火标志着奥运火炬传递珠峰工作的圆满成功，这是人类历史上第一次将奥运圣火带到地球之巅。奥运火炬成功登顶，一方面证明火炬可以在极端天气条件下做到保持火焰不熄灭，另一方面也充分展现出了中华儿女自强不息、奋发图强的精神面貌，深刻诠释了奥林匹克运动“更快、更高、更强”的目标以及“和平、友谊、进步”的宗旨，这是奥林匹克运动历史上的一次壮举，是中国人民献给奥林匹克远东、献给全人类的一份厚礼。