让许幻山放不下的蓝色烟花,有多难生产?

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  来源公众号中国科普博览(ID:kepubolan)

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  在电视剧《三十而已》中,“蓝色烟花”作为烟花设计师许幻山心中的最高梦想被反复提及,更是作为推动剧情的重要元素不断出现。

  那么,在现实中,蓝色烟花真的没人做出来过吗?

  当然不是。加入含铜化合物,就可以让烟花呈现蓝色。

  不过,蓝色烟花的确是烟花行业的圣杯,色泽纯正的蓝色烟花不仅好看,而且少见。

  

  图片来自周星驰电影《美人鱼》,有加工

  Part. 1

  为什么烟花有颜色?蓝色烟花为什么难制造?

  直到今天,色泽纯正的蓝色烟花仍然是烟火秀中的卖点,将其称为烟花行业的圣杯也并不为过。

  为什么蓝色烟花如此少见?

  首先我们要了解下烟花是如何“上色”的。

  

  你能记起常见的烟花有哪些颜色吗?

  (图源:Veer图库)

  烟花能呈现各种色彩,并不是真的加入了我们画画用的颜料,而是加入了不同的金属化合物,产生了一种叫“焰色反应”的物理变化。焰色反应,就是金属的原子或者离子在火焰中呈现不同颜色的现象。

  

  从左到右依次是钡、锶、锂、钠、铜、钾的焰色反应

  (图源:Fine Art America)

  当将金属元素置入火焰中时,金属的外层电子会吸收火焰能量发生“跃迁”——即本来拥有稳定轨道的电子会到达一个具有更高能量的轨道上。这就好比棒球运动中的击球手挥棒击球,让本来径直飞向自己的棒球飞向更高更远的地方。

  不过,跃迁后的电子并不稳定,它们会马上回到曾经较低的能量状态。这就好比棒球无论飞到多高,最后还是会掉落到地面上一样。这个过程同样称为跃迁,只不过跃迁方向是从高能量轨道回到低能量轨道。此时,电子会将原本吸收的能量以电磁波的形式释放出来。

  不同元素原子中的电子在跃迁时会释放出特定波长的电磁波,这个波长与具体的元素种类有关,是原子的特征属性。不少金属原子的电子在跃迁时释放的电磁波正好位于可见光波段,因此人们可以清楚地看到五彩缤纷的颜色,这就是焰色反应得名的由来。

  我们看到的蓝色烟花,其实就是无数的电子在以蓝色光的形式向外释放能量。

  一般,人们会利用铜或者铜的化合物作为发色剂来产生蓝色,包括铜粉、硫酸铜、碳酸铜、硝酸铜、氢氧化铜、碱式碳酸铜、氯化亚铜等。其中又以氯化亚铜(CuCl)释放的420-460纳米波长的蓝光最为纯正,因为其它铜盐产生的蓝色通常带有明显的绿色色调。

  好了,说清了蓝色烟花的原理,回到我们的主题,蓝色烟花为什么很难制造呢?

  这主要是以下几个方面的造成的。

  首先,夜空虽然看起来是黑色,但其实仍然有相当浓重的蓝色调。如何让蓝色烟花从背景中鲜明地凸显出来,并不是一件容易的事情。因为成分的细微改变就会造成燃烧温度、火焰颜色的极大变化,所以调控焰火剂的配比,从而让它们呈现出期望中的颜色本来就不是一件容易的事情。蓝色烟花更是还得考虑与夜空背景的对比度,难度可想而知。

  此外,还有一个天然存在的矛盾制约着蓝色烟花的制造。一般来说,焰火剂燃烧时的温度越高,焰色反应的颜色就越明亮,视觉观感就越好。但同时,过高的温度又会让作为发色剂的金属盐类发生分解,导致金属原子的状态改变,无法释放预期的颜色。最有希望产生纯正蓝光的氯化亚铜的分解温度只有几百度,当它发生焰色反应时,实际上已经开始分解了。因此,想要呈现蓝光时温度最好控制在1200摄氏度以下,否则就会产生其它白亮的杂色,影响蓝光的纯正性。

  不过归根结底,蓝色烟花难以制造的原因还是与材料的稀缺性有关。其它色系对应的无机金属盐种类繁多,但能够产生蓝光的却几乎只有氯化亚铜一种。当然,如果我们把有机铜盐也列入考察对象,那么可供选择的对象确实会大大增加。问题是,生产烟花需要消耗大量盐类,成本是非常关键的因素,而有机盐类显然太贵了。

  

  蓝色烟花(图源:林文城)

  为了寻找氯化亚铜的替代品,人类已经努力了几个世纪,不过直到今天,它还是蓝色烟花的首选原料。烟花工程师们只能通过不断调试焰火剂的配方来让最后呈现的蓝色尽量绚丽夺目。从这个意义上来说,电视剧中的情节确有一定的现实依据,我真的想为编剧渊博的知识鼓掌。

  Part. 2

  “GJ”“UU”……这些烟花图案都是怎么打出来的?

  除了蓝色烟花的制造难题,电视剧中还出现了“拼字烟花”。有厂家为了给剧中人物应援,在现实中也打出了女主姓名缩写图案的烟花。

  

  左侧为剧中出现的烟花,右侧为现实中的烟花,

  都属于拼字烟花(图源:微博)

  那么,这些拼字烟花,还有我们日常观看到的图案烟花,是如何打出来的呢?

  这就不得不提到大型烟花要使用的烟花弹了。

  烟花弹是烟花的一种,它的核心部分是焰火剂,也就是燃烧时产生各种颜色火焰的药剂。焰火剂的主要成分包括:氧化剂、可燃物、发色剂和粘合剂。它的工作原理是氧化剂在可燃物的作用下受热分解,释放出的氧气再供可燃物进一步燃烧产生高温,从而促使(金属)发色剂发生焰色反应,粘合剂则起到将各种成分粘结成整体的作用。

  发色剂通常由能够呈现焰色反应的各种金属盐类构成。如果仅仅需要耀眼的白光,还可以加入以镁粉和铝粉为代表的光辉剂。普通烟花燃烧时的温度在2000摄氏度左右,但加入光辉剂后,燃烧温度能达到3000摄氏度,可以呈现异常明亮的白炽光芒。

  烟花弹通常是球形或者环形构造,制成球状的焰火剂位于球或环的外周部分,中心处是用来起爆的火药,起爆火药直接连接着引信。将烟花弹装入发射管时,其实管内已经有了一定量的发射火药,发射火药的作用是将烟花弹发射到空中。

  发射火药点火的同时,引信也同时被引燃。等到烟花弹正好升到了预定的高度,引信也燃烧到了烟花弹内部,之后起爆火药发生爆炸,焰火剂中的可燃成分随之被引燃。

  

  烟花弹结构(图源:加藤烟火|株)

  人们常将焰火剂制成多层结构,由外向内的每一层中包含有不同成分的发色剂。这样,在上空发生爆炸时,外层发色剂就会最先爆炸,然后是中层,最后是内层。这样的好处是烟花会呈现出明显的阶段性变色效果,增强观赏性。

  至于拼字烟花和图案烟花,则主要是通过控制起爆火药的装药方向和装药量,达到以不同力度、向不同方向喷射焰火剂球的效果。如北京奥运会开幕式上让人印象深刻的大脚印,就是通过这样的原理得以实现的。

  

  心形烟花结构(图片来源:加藤烟火|株)

  Part. 3

  烟花虽美,也要时刻注意安全存储、安全燃放

  

  大阪2019年淀川烟火大会(图源:林文城)

  烟花是易燃易爆物品,制造、使用以及存储等每一个环节都可能发生危险。不论是需要由专业人士进行操作的大型烟花弹,还是普通的民用烟花,都曾造成过多起爆炸、火灾事故。对于烟花制造厂家和专业燃放人员而言,把控好每一个生产、流通环节,是对确保自身以及公众安全必须尽到的责任。对于一般消费者而言,了解烟花燃放中可能发生的隐患,是必须具备的生活常识。

  大型烟花使用时常见的安全问题有以下三种。

  第一,引信失效造成的哑弹,装载着大量火药的哑弹最终会落回地面。虽然一般的烟花表演都会尽量确保即便有哑弹或残留物落下,也会直接落入湖面海面,但如果真的遇到了烟花哑弹,务必要第一时间联系消防部门进行处理。

  第二,点火器失效造成的点火失灵,电子设备都有发生故障的可能,历史上也多次出现因为此类原因导致烟花表演失败或者终止的实例。

  此时如果需要进行临时人工点火,操作员应该务必做好防护,另外装药量超过了某一程度后必须进行远距离点火。

  第三,烟花发射过程中还可能出现发射筒倒伏之类意外,因此务必需要提前确保设备处于最佳状态。

  对于普通的民用烟花来说,虽然装药量与大型烟花比相去甚远,但发生危险的概率也不可忽视,基本的安全事项必须遵守。

  首先必须明确,在禁放区域和禁放时间内燃放烟花爆竹是违法行为,燃放前务必确定清楚相关信息;燃放时千万不能对准人以及其它动物,也要务必留意周围是否有易燃易爆物品的存在;燃放之前,记得查看天气预报,强风天气容易导致火灾,应该避免在这类气象条件下燃放烟花;当点燃管状烟花后,如果没有顺利引燃,千万不要用眼睛直视烟花的喷出口;最后,将烟花外包装分解,再倒出火药点燃的行为非常危险!每年都有因此受伤甚至失去生命的惨剧发生,我们一定要注意安全,严格遵守相关安全规定,珍爱生命与健康。

  人们常用生如夏花来比喻短暂的美好,可是烟花却比夏花还要易逝。星河如梦,烟花易冷,绚烂以后是什么却很难确定。电视剧中的烟花设计师就曾经拥有很多,在最后却都荡然一空。我们的生活和烟花也有相似之处,既要追求烟花绽放时的闪耀,但也记得要走好生产存放中不起眼的每一步,否则,绚烂的下一秒很可能就是烟消云散。

  参考文献

  [1] Blue Flame Pyrotechnic Compositions:

  A Concise Reviewhttp://www.jpyro.co.uk/?p=1148.

  [2] Why you don't see brilliantly

  bluefireworkshttps://www.businessinsider.com/fireworks-blue-pyrotechnics-chemical-hard-make-2019-7.

  [3] Red, white but rarely blue – the science of fireworks colors,

  explainedhttps://theconversation.com/red-white-but-rarely-blue-the-science-of-fireworks-colors-explained-119284.

  [4] The Evolution of

  Fireworkshttps://web.archive.org/web/20160106154801/https://ssec.si.edu/stemvisions-blog/evolution-fireworks.

  [5] Why Blue Fireworks Are Hard to Make, According to

  Sciencehttps://www.inverse.com/article/33623-blue-fireworks.

  出品:科普中国

  制作:张昊(大阪大学)

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  (本文中标明来源的图片已获得授权)

  文章仅代表作者观点,不代表中国科普博览立场

  本文来源于”中国科普博览“公众号(kepubolan)

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