臺灣的節慶與化學：臺北101跨年煙火（上） 張元宇、楊水平* 國立彰化師範大學化學系 *yangsp@cc.ncue.edu.tw n  煙火的歷史 煙火的起源與火藥息息相關，1964年的《馬克斯恩格斯全集》第十四卷《炮兵》一文就有提到「在中國，還在很早的時期就用消石和其他引火劑混合製成了煙火劑，並把它使用在軍事上和盛大的典禮中。」文中的消石是指硝酸鉀（KNO3）。 南北朝（西元420~589年）陶弘景《本草經集注》中記載：「先時有得一種物，其色理與朴消大同小異，朏朏如握雪不冰，強燒之，紫青煙起，雲是真消石也」。文中的朴消是指硫酸鈉（Na2SO4）。 周密《後武林舊事》記載宋孝宗觀海潮放煙火的情景說：「淳熙十年（西元1183年）八月十八日，上詣德壽宮，共請兩殿往浙江觀潮……管軍命於江面分布五陣，乘騎弄旗，標槍舞刀，如履平地。點放五色煙炮滿江、及煙收、炮息，則諸船盡藏，不見一隻。」周密也在《齊東野語》（西元1225年至1264年）中記載當時皇宮觀看煙花的故事，說明當時爆竹和煙火盛行，並成為皇宮的娛樂活動。在元朝和明朝年間，許多詩人、文學家有相關鞭爆煙火的記述。自清代以來，鞭爆煙火已經普遍使用。 近千年來，煙火的顏色是黑火藥（black powder）產生的橙色閃光或火花以及金屬粉末的白色火花，圖1是在1749年英國倫敦的皇家在泰晤士河上燃放煙火的蝕刻作品。演進到1930年代，在義大利南部有化學領域的老“火師傅”，加入金屬鹽和氯化物粉末到煙火的組成，創造紅色、綠色、藍色和黃色的焰色。當時氯酸鉀（KClO3）是一種新的氧化劑，燃燒比硝酸鉀更快且更熱，創造新的煙火顏色並且使之更深和更亮。當時藉由電解獲得的純鎂和純鋁，也使煙火燒得明亮。當細粉末的以合適比例與氧化劑混合得到的閃光粉，比黑火藥的燃燒更熱且更快。 圖1：在1749年英國皇家在泰晤士河上燃放煙火的情景 （圖片來源：Fireworks, wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Fireworks.） 臺灣開始自行製作煙火的起源有二：（一）中華民國政府撤退來台之時，聯勤兵工廠的李蘭亭老先生參考日本書籍並自行研發；和（二）有人直接自日本引進技術。無論是哪種起源，臺灣煙火的製作歷史與日本有很大的淵源。早期臺灣開始施放煙火是國慶煙火，時至今日重要節慶或私人慶賀也常施放煙火，臺北101（Taipei 101）跨年煙火表演至今已有十次之多，備受國際關注和國人喜歡，如圖2所示。 圖2：臺北101跨年煙火表演之一 （圖片來源：蔡孟哲，MJohns Photography，http://mjohns.co。） n  地面煙火和高空煙火 根據煙火管理條例，爆竹煙火係供節慶、娛樂及觀賞之用，不包括信號彈、煙霧彈或其他類似物品，其分類如下。高空煙火：指煙火主體直徑在七點五公分以上，其火藥作用時垂直方向射程在七十五公尺以上者。一般爆竹煙火：指前款以外，其火藥作用後會產生火花、旋轉、飛行、爆音或煙霧等現象者。 煙火可分成兩方面：高空煙火（aerial fireworks）與地面煙火（ground-based fireworks）。高空煙火如國慶煙火，臺北101跨年煙火秀雖然在高處施放，但是其技術和效果接近地面煙火。高空煙火需要火藥量多，是高危險性的煙火；而臺北101煙火使用火藥少爆炸威力小，施放地點不必拉大與觀眾的距離。圖3是地面煙火施放的兩款效果。   圖3：地面煙火的二款效果 （圖片來源：由左而右，Cayusa, flickr,https://www.flickr.com/photos/cayusa/2640624383/；FleurP, flickr, https://www.flickr.com/photos/fleurphillips/2773607897/。） 臺灣煙火工業同業公會吳思源理事長表示，煙火分為兩類：高空煙火與花束煙火。高空煙火是火藥和光珠裝在圓形彈殼（煙火彈）內，彈殼下方有發射用的火藥，射到高空中圓形彈殼才爆炸，光珠才釋放各種焰色；而花束煙火則是在發射的同時就引燃煙火彈，光珠放出各種顏色光芒。國慶日煙火屬於高空煙火，臺北101煙火屬於花束煙火。 花束煙火是黑火藥放在發射筒的底部，再塞入各種光珠，點然黑火藥就會點燃光珠，產生各種花樣。至於，臺北101煙火有些在發射出去相當距離後才發光，吳思源說，這種效果是在光珠外層裹黑火藥，射出時黑火藥先點燃，等到燃燒到內層的光珠才發光，造成延遲發光的效果。 高空煙火的花樣不勝枚舉而且繽紛璀璨。高空煙火彈有許多不同的尺寸，常見者有直徑從3～12英寸（7.6~30.5公分），從點燃火藥至煙火開花的時間約3~7秒，爆炸後的直徑範圍在80~300公尺，高度為80~450公尺。7英吋的煙火彈原本是日本獨有的品種，臺灣承襲日本的傳統，每年國慶煙火的煙火彈中7英吋的數量頗為龐大。建國百年國慶煙火10月10日晚間，在彰濱工業區施放，首度施放16英吋（40.6公分）焰火彈，比過去12英吋的體積足足大上一倍多，此煙火在高空中畫出寬1200公尺的大範圍彈幕。日本甚至發射過36英吋的巨型煙火彈，在裝設此煙火彈時，需要用大吊車才能裝進發射管。通常，高空煙火與地面煙火一起施放，以增加變化的花樣，如圖4所示。 圖4：高空煙火與地面煙火一起施放 （圖片來源：由左而右，孤雲出岫Free Cloud, flickr, https://www.flickr.com/photos/kent1124/8251835186/；InstantPyro, flickr, https://www.flickr.com/photos/pyroeffect/14640308938/。） n  臺北101跨年煙火 臺北101摩天大樓於2004年12月31日啟用，曾於2004年12月31日至2010年1月4日期間，擁有世界第一高樓的紀錄，目前是世界第五高樓。2005年1月1日成為全球有記錄以來，第一座施放超大型煙火的摩天大樓，最高施放點高達508公尺，位於大樓的尖塔頂部，是全世界施放點離地面最高的煙火。2008至2009年跨年表演施放的煙火數量高達16000發，創下世界上摩天大樓施放煙火數量最高的紀錄，相當受到國際媒體關注。 美國有線電視新聞網（CNN）2012年評選全球十大最夯跨年景點，臺北101跨年煙火秀世界排名第九名。CNN表示，臺北市以創新手法，在跨年夜當晚，把樓高508公尺的101摩天大樓，變身成一束火樹銀花，長達188秒的跨年煙火秀，讓人歎為觀止。 臺北101跨年煙火秀在煙火施放時間和施放煙火彈方面，2005年1月1日：30秒、3000多發，施放紅、白二色火花。2006年：128秒，8100發。2007年：188秒，9000發。2008年：188秒，12000發。2009年：188秒，16000發。2010年：188秒，22000發。2011年：288秒，30000發，建國百年慶典活動。2012年：202秒，30000發，除方塊型、飛瀑型煙火外，增加平行及向下的角度，使煙火呈現更多層次。2013年：188秒，22000發，第一次施放高空煙火，以「冷光低煙」（cold luminescence and low emission levels）打造色彩鮮豔及講究環保的跨年煙火秀。2014年：218秒，24800發。每年施放煙火彈數量非常多，施放煙火的花樣和火花的密度在視覺上目不暇給。 n  臺北101大樓煙火架設 臺北101大樓地上有96層，地下有5層，高508公尺。此大樓結構如同竹節般，第27層至第90層，共8節，每一節有8層樓，每一節有向外延伸的平台（陽台），如圖5所示。 […]

臺灣的節慶與化學：臺北101跨年煙火（下） 張元宇、楊水平* 國立彰化師範大學化學系 *yangsp@cc.ncue.edu.tw é  承【臺灣的節慶與化學：臺北101跨年煙火（上）】 n  大樓煙火彈的內部結構 臺北101跨年煙火秀的花式（效果）為什麼如此的千變萬化？例如：突然從地平面上爆發的地雷煙火、像噴泉般連續噴出火花的噴泉煙火、快速閃爍星星的閃爍煙火。讓煙火綻放出各式各樣的花式，創作出炫麗的效果，是依賴煙火彈的內部結構設計、精準地控制煙火彈的填充物以及電腦點火控制等。以下就噴泉煙火、地雷煙火和羅馬蠟燭煙火的內部結構詳加說明。 1.      噴泉煙火（Fountain Fireworks） 單管的噴泉煙火由一層圓柱筒所組成的發射管，並有一個塑膠底盤。圓柱筒內的填充物用來產生大量的火花和氣體，頂端塞著一個孔洞的黏土阻氣塞，孔洞放置一條導火索（fuse，引線），如圖17所示。燃燒產生氣體和火花由此孔洞噴射而出。若沒有此股噴射的氣流，則此煙火只有微弱的火花。通常噴泉煙火內有一層層交疊的燃燒物質，隨著時間往下燃燒而噴出不同的焰色效果，例如第一層燃燒時可能產生橘色的火花，隨後產生白色和綠色的星星火花。   圖17：噴泉煙火發射筒的內部結構 （繪圖者：陳瑾蓉） 2.      地雷煙火（Mine Fireworks） 地雷煙火基本上是低空的垂直或傾斜的煙火筒，其結構與原理類似於破擊砲，底部以黑火藥為底火，導火索在發射筒的下方，如圖18所示。當點燃時，底火燃燒的能量使光珠以扇形（V型）從煙火筒爆發出來，並使光珠發光。光珠的噴散程度與管長和管寬以及火藥量有關。   圖18：地雷煙火發射筒的內部結構 （繪圖者：陳瑾蓉） 3.      羅馬蠟燭煙火（Roman Candle Fireworks） 羅馬蠟燭煙火的特色是從單一的發射筒中發射出一系列的光束，有彗星般尾巴，像小型煙火彈，會發出聲音。此煙火的製作過程相當複雜，其發射筒是先用黏土塞住底部，然後以交替方式裝填底火、光珠及延時燃燒物，只利用一條導火索放置在頂端。羅馬蠟燭煙火的內部結構，如圖19所示。發射煙火前，務必固定發射筒於插入土中的木樁或木架上，以確保安全。當導火索開始燃燒時，延時燃燒物會往下緩慢地燃燒；經過數秒或更少時間，一直燃燒穿過延時燃燒物，抵達第一個光珠同時點燃下面的底火，底火燃燒會發射光珠到筒外，如此重複燃燒，造成一連串的發射光束和焰色的效果。臺北101跨年煙火秀鮮少見到羅馬蠟燭煙火。   圖19：羅馬蠟燭煙火的內部結構 （繪圖者：陳瑾蓉） n  煙火的火藥 煙火的火藥可分為無硫火藥和黑火藥（或稱火藥），作為煙火彈的推進劑或／和提供光珠焰色的能量來源。無硫火藥的成分含有硝酸鉀和碳粉，黑火藥的成分含有硝酸鉀、碳粉和硫磺。 無硫火藥（硝酸鉀和碳粉）的燃燒，發生激烈的氧化還原反應，產生氮氣和二氧化碳氣體並隨伴放出大量的熱量，如反應式[1]所示： ４KNO3(s) + 5C(s) → 2N2(g) + 5CO2(g) +2K2O(s) + 熱量    [1] 黑火藥（硝酸鉀和碳粉加入硫磺）的燃燒反應也是氧化還原反應，產生氮氣和二氧化碳氣體，固體產物為硫化鉀，如反應式[2]所示： 2KNO3(s) + 3C(s) + S(s) → K2S(s) + […]