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杭州烟花火上热搜,怎么好像没看到蓝色烟花?

郭玮宏 上海科技馆 2023-02-18

时隔11年重启烟花秀,前天元宵节,杭州的烟花大会火上了热搜。

图源:微博

为了迎接亚运会、庆祝元宵节,近3万发烟花在杭州夜空中绽放。

图源:人民日报

中国人是从什么时候开始放烟花的呢?烟花五彩缤纷的色彩又是从哪里来的呢?为什么好像没怎么见过蓝色的烟花呢?今天,就让我们一起走进烟花的世界。

图源:https://dp.pconline.com.cn/public/photo/photo.jsp?pid=3565138


烟花的历史

提到烟花,就要从中国的四大发明之一——“火药”说起。

火药最早起源于春秋时期的炼丹术,后在隋朝被真正发明,在唐朝时期就被广泛使用。

唐太宗贞观年间,湘东连年旱涝大灾,民不聊生。被称为“花炮祖师”的李畋(生于公元601年)为驱除瘟疫,将火药装在竹筒中,利用火线点然使之爆炸,发出更大的响声和浓烈烟雾,驱散山岚瘴气,这就是早期的竹筒爆竹。

图源:https://view.inews.qq.com/a/20220210A02AHR00

人们在燃放爆竹时,常发现爆竹顶部有喷火现象,受此启发,制造出了喷花,即早期的烟花。

到了宋代,民间开始用纸筒装裹火药,并用麻茎编结成串,做成“编炮”,具有烟、火、光、声等不同的效果。南宋时期国内已开始举办多种大型烟花晚会,当时的许多烟花爆竹制作技术一直沿用至今。


为什么少见蓝色的烟花

为什么少见蓝色的烟花?要解开这个谜题首先需要了解,烟花的颜色是从哪里来的。
经常做饭的朋友可能有过这样的经历,炒菜的时候向菜锅里加食盐,一不小心手歪了,食盐洒到了锅外面被火点燃,这时食盐颗粒就会瞬间出现一个亮黄色的小火苗,烟花也是这样,只不过它点燃的不是食盐,而是一些别的金属或金属盐。这种金属或金属化合物被点燃时候会放出不同颜色火光的现象——有一个专业的名字——焰色反应
图源:https://haokan.baidu.com/v?pd=wisenatural&vid=7971113316630747186
产生焰色反应,是因为这些金属的原子结构不同。
原子是由原子核和电子组成的,平时这些电子的能量都不高,它们都安分守己地待在自己该待的地方,专业说法是“电子处于基态”,也就是最基本能量的状态。而当这些金属原子遇到火之后,最外层的电子就吸收了大量的能量,此时它们就像精力过剩的小孩一般,离开了基态,跃迁到了能量较高的地方,称为“激发态”,但这些小电子还是有想回到基态的欲望,那吸收的这些能量怎么办?只好以电磁波的形式释放出去了。不同原子的电子有着不同能量的基态和激发态,从激发态回到基态释放的能量也就不同,这就导致了它们产生的电磁波的波长不同,这种不同波长的电磁波表现在生活中,就是不同颜色的光了。
图源:http://doc.100lw.com/doc/c77618b5335f6600f2ec8d30208698a90b34f493/2

元素的焰色反应是明亮的黄色

元素的焰色反应是砖红色

元素为黄绿色

元素因其杂质不同可以从浅蓝到蓝绿色

元素是紫色

元素是蓝绿色


还有很多元素都有它自己独特的颜色,当我们把这些元素按照不同比例装进烟花中,点燃之后天空就会盛开出不同颜色的花朵了。

图源:https://pics1.baidu.com/feed/4bed2e738bd4b31ca2bb1cd3eb33e37b9f2ff839.jpeg@f_auto?token=34a25cfbea88a0c42315185cd024df4f&s=41C5D302C5F7BB88505C648E010070C1


回到问题,为什么很少看到蓝色的烟花?

因为蓝色烟花是烟花中最难以制造的。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。蓝色烟花制造原理是铜与氯结合形成氯化亚铜 ,发出蓝光。然而,如果温度超过一定水平,则会形成氧化铜氢氧化亚铜。这些化合物分别发出红光和绿光,会降低整体颜色质量。

也就是说,想要形成蓝色烟花的效果,需要有铜化合物和富含氯的烟花火焰,同时,火焰温度也必须恰到好处,这可真是太难了。此外,这种方法可能导致高度致癌的多氯化合物的形成。因此,科学家们致力于避免蓝色烟花中氯元素的使用。

图源:http://www.keputj.cn/system/2017/12/27/011268172.shtml


另外,夜空虽然看起来是黑色,但其实仍然有相当浓重的蓝色调。也就是说,蓝色烟花还得考虑与夜空背景的对比度,难度可想而知。


烟花与安全

近年来,很多城市都有一定程度上禁止私自燃放烟花的规定,其中最重要的一项原因,就是出于安全的考虑
根据相关研究,燃放烟花爆竹可以引起包括烧伤、擦伤、撕裂伤在内的各种损伤,其中尤其以烧伤为主。
烟花爆竹的受伤部位以头面颈区域为主,严重程度以轻中度为主,占所有患者的85%左右。烟花爆竹伤具有面积小、深度大、手术率高的特点。防治烟花爆竹伤要重点关注5~14岁的男性儿童,加强儿童看护者的安全意识。
所以大家在燃放烟花的时候,一定要注意安全,保护好自己和财物哦。
各年龄段烟花爆竹伤患者性别分布[例(%)] 

图源:参考文献3

不同烧伤部位烟花爆竹伤患者烧伤深度比较[例(%)] 

图源:参考文献3




烟花与环境


禁止燃放烟花的另一个原因,还在于烟花对环境的污染

根据相关研究,烟花爆竹的集中燃放会在短时间内造成严重的大气污染,在PM2.5和PM10浓度迅速升高,甚至成倍增加,最高值分别达到 362 μg/m3和 623 μg/m3 

4个监测点位PM2.5浓度变化趋势对比  

图源:参考文献4

烟花爆竹的燃放对不同大气污染物的影响存在较明显的差别。其中,对颗粒物的影响最为显著,对CO(一氧化碳)的浓度也有较明显影响,而对O3(臭氧)和 NOx(氮氧化合物)等影响则相对较小。
烟花爆竹的燃放会对颗粒物化学组分造成明显的影响,受影响最大的是Mg(镁)Cl(氯),且在燃放期有机碳、元素碳、混合碳占比升高。
随着烟花爆竹的燃烧量大幅降低,经过几个小时的扩散衰减之后,其产生的颗粒物污染在次日的中午基本消失,说明烟花爆竹的燃放对PM2.5和PM10的影响具有一定的时效性。

烟花新科技

一方面,燃放烟花对安全和环境存在影响,另一方面,烟花所象征的节日气氛也是我们所需要的,那么这样的矛盾怎么解决呢?没关系,黑科技会出手。无火烟花、无声烟花、冷光烟花、芯片烟花等环保、科技烟花,来陪我们过年啦~

图源:http://www.hsrb.com.cn/detail/164436917044906.html

无火烟花利用无线遥控器代替了传统的引线点火方式。人们只要在百米之外按遥控按键,就可以发射相应的烟花,燃放更加安全。

无声烟花采用少装药、压紧纸筒等方法,无需通过内筒底火进行爆炸,所以爆炸声较低。筒内只装效果火药,燃放效果更加丰满。

冷光烟花,又称冷烟花,采用燃点较低的金属粉末,按一定的比例加工而成。这种金属粉末燃点较低,通常在60-80℃,燃放时烟花筒外温度低至30-50℃,可应用于大型焰火晚会、婚礼庆典、舞台造型等,甚至可以在室内燃放。冷烟花具有烟雾小、焰温低、气味轻等特点,其质量取决于原材料。优质的冷烟花燃放时花形呈现银白色、掉渣少、气味淡,几乎没有残留物质。

芯片烟花,用芯片来控制烟花燃放。看过北京奥运会开幕式的人,都对“脚印”“笑脸”“奥运五环”等别具特色的烟花印象深刻。奥运会的烟花运用了空气发射、膛压发射等新技术,采用数码点火系统进行控制,可以调控压力的强弱、控制发射高度,并且可以通过调整炮管角度,控制焰火飞行方向,当焰火到达空中同一平面时各点同时绽开,多点组合,实现空中动态焰火构图,为了有效控制烟花燃放,技术人员还在部分烟花弹中装入电脑芯片,植入“大脑”的烟花可以在规定的时间发射或爆炸。该技术为世界首创,我国拥有自主知识产权。

参考文献

[1] 中国花炮史:烟花是什么时候发明的?https://mp.weixin.qq.com/s/mcp_Ru7zppMocxtLHIdwtg

[2] 烟花为什么有多种颜色?[J]. 家庭生活指南, 2018(003):000.

[3] 周雪情, 谢卫国. 94例烟花爆竹伤住院患者的临床特征分析[J]. 感染.炎症.修复, 2019, 20(2):5.

[4] 陈威, 邢延峰, 孟庆庆,等. 春节期间烟花爆竹燃放对哈尔滨市区空气质量的影响[J]. 中国环境监测, 2018, 34(5):7.

[5] 环保烟花科技烟花齐绽放. https://mp.weixin.qq.com/s/QlH02jPCoiDRG6YMgxX2vg

[6] 为什么蓝色的烟花比较少见?[J]. 东方企业家, 2017(3):1.

[7] 公众号:中国科普博览,《让许幻山放不下的蓝色烟花,有多难生产?》




作者: 郭玮宏 一个读过博士的相声演员 

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