臺灣的節慶與化學 楊水平 國立彰化師範大學化學系 yangsp@cc.ncue.edu.tw   n  節慶及其類型 節慶或節日（Festivals）是指各民族、國家、地區和社區重要的或特殊的活動，慶祝或紀念獨特的傳統事件，通常被當作當地或國家的假期或假日（holiday）。有的節慶源自於宗教，例如基督教國家的聖誕節；有的源自於對某人或某件事件的紀念，例如各國的國慶日等；還有國際組織提倡的運動的節日，例如勞動節、婦女節和母親節。圖1為美國猶他州色彩侯麗節（Holi Festival of Colors）的慶祝活動。 圖1：美國猶他州2013色彩侯麗節的慶祝活動 （圖片來源：Steven Gerner, Flickr, https://www.flickr.com/photos/58706190@N04/8629531100.） 世界上的節慶或節日通常以宗教為焦點，但有些源自於民間傳說，或與農業有關。最重要的西洋宗教節日，包含聖誕節（Christmas），光明節（Hanukkah），排燈節（Diwali）和宰牲節（Eid al-Adha）。許多的節慶與農業和食品的收割時間有關，是慶祝季節變化和豐收，如豐年祭（harvest festivals），如圖2所示。有些節慶是歷史的事件，如重要的軍事勝利。有些則是宗教紀念和感恩豐收混在一起，例如在北半球的萬聖節和在南半球的復活節。在古希臘和羅馬時代，農神節（Saturnalia）是社會組織和政治進程以及宗教有關而緊密聯繫在一起的活動。到了現代，節慶或節日是吸引觀光客去參加較為奇特的或有歷史的活動。現在的節慶或節日經常與假期或假日相混淆，事實上多數節慶或節日並非法定假期或假日。 圖2：花蓮縣瑞穗鄉富源村拉加善部落阿美族豐年祭 （圖片來源：HALA2009, Flickr, https://www.flickr.com/photos/hala2009/9620855757/.） 一般節慶或節日依類型分為宗教節（religious festivals）、藝術節（arts festivals）、食品和飲料節（food and drink festivals）、季節和豐收節（seasonal and harvest festivals）、以及科學節（science festivals）。在這些節慶中，食品和飲料節以及科學節與科學或化學最有關連。節慶或節日依主題分類，大致有國際動畫節、電影節，如大眾所熟知的電影金馬獎、重金屬音樂節、熱氣球節，如台東熱氣球節、即興戲劇節、風箏節、音樂節，如墾丁春天吶喊和貢寮搖滾音樂節、歌劇節、電視節，如電視金鐘獎、戲劇節、葡萄酒節（wine festivals），很多歐美國家有此活動和比賽，如圖3所示、啤酒節（Oktoberfest），如慕尼黑啤酒節、以及科學節，如英國劍橋科學節。這些節慶以葡萄酒節、啤酒節及科學節涉及化學領域的內涵最多。 圖3：哈羅葡萄酒節（Haro Wine Festival）是在西班牙北部哈羅鎮的節日，葡萄酒從水桶倒對方，參與者的衣服呈現粉紅色 （圖片來源：Haro Wine Festival, http://en.wikipedia.org/wiki/Haro_Wine_Festival.） n  節慶與化學的關連 每年的葡萄酒節主要在九月底到十月在世界各地的葡萄酒產區舉行，以慶祝葡萄豐收，是一種豐年祭的傳統活動，特別在德國、法國、義大利、匈牙利、美國、加拿大等甚為流行。最古老的酒文化發生在古埃及，酒的釀造知識從那裡沿著地中海傳遞到今日的以色列、土耳其和希臘，到達伊特魯里亞和羅馬。雖然以前葡萄酒節在酒莊裡品嚐葡萄酒，但是現在通常伴隨著當地的食物和音樂。利用葡萄生產葡萄酒，在人類歷史上已經成為比食物或飲料更有意義的部分，它不但味道濃郁又富含營養，而且象徵宗教和文化的意涵，葡萄酒節體現人類的文明象徵。 葡萄酒是用葡萄果實或葡萄汁釀製的酒精飲料，葡萄糖經過發酵變成乙醇和二氧化碳，在發酵過程不添加蔗糖、氨基酸、酶、水或其它營養物質。葡萄酒釀造過程大多是先去梗和壓榨，然後裝果汁、果肉、果核和果皮到發酵桶中發酵，如圖4所示。發酵桶先用低劑量的二氧化硫處理，以防止微生物感染。另外一種釀酒方法為二氧化碳浸軟法，它是用未擠破的葡萄進行發酵，在發酵桶中，上層的葡萄的重量壓破下層的葡萄，讓葡萄自然發酵，發酵產生的二氧化碳因密度較大之故，便可分隔上層的葡萄與空氣。這種方法釀造的葡萄酒有上好的顏色和果香，而且單寧酸的含量極低。 圖4：葡萄酒釀造過程先去梗和壓榨（左）和紅色葡萄酒（右） （圖片來源：Wine, http://en.wikipedia.org/wiki/Wine.） 啤酒節是提供各種啤酒（還有其他酒精飲料）給參與者品嚐和購買的有組織活動。通常啤酒展（beer exhibition）與啤酒節是同義字，但啤酒節涉及的範圍是有限的啤酒風格或製造商，重點放在娛樂。啤酒展著重於採樣或品嚐各種不同風格的啤酒，在啤酒釀造知識和手藝方面。國際啤酒節日（International Beer Day, IBD）於2007年在美國加州聖克魯斯成立，每年八月的第一個星期五舉行，此節日已經從一個本地化的小活動變成美國西部甚至成為一個世界性的慶祝活動，遍及207個城市，50個國家和6大洲。圖5為倫敦GBBF啤酒節盛況。 圖5：倫敦GBBF啤酒節盛況 （圖片來源：Beer […]

臺灣的節慶與化學：平溪天燈 陸冠輝 國立台中高級工業職業學校化工科 luhgh@tcts1.seed.net.tw   n  天燈的歷史 天燈又稱為孔明燈，最普遍的起源傳說是以三國為背景，劉備為了尋找一位智勇雙全的軍師，而與臥龍諸葛孔明結緣，而當時孔明發現自己的氣數已將盡，因此將竹框糊上紙並點燃，利用熱氣上升原理使其升空，不但安定了軍心，也使得敵軍看到了也不敢輕舉妄動，這就是最早的天燈起源。 另外，也有傳說天燈是諸葛孔明在征伐南蠻之時，為了要由城內向外傳遞軍情所發明的，後來也有人說，因為天燈的形狀很像是孔明在指揮作戰時所戴的帽子，所以這也是孔明燈的由來。 又有傳說是民眾要躲避盜匪，在山區避難的村民互報平安所施放的信號，因此天燈又稱為祈福燈。在日據時代，日軍佔領台北平溪十分寮地區，民眾紛紛跑到山中避難，同樣以天燈為信號，後來發展成施放天燈用來祈求平安，所以天燈也稱為平安燈。 n  平溪天燈的由來 天燈在台灣新北市平溪區十分地區的由來因時代久遠而眾說紛紜。有人說是孔明的後代為了不忘先祖，而在每年元宵節的前後施放天燈，用以感懷先祖。另外，也有十分地區的老前輩口述說，在清道光年間，當地居民地處偏僻山區，為了逃避盜匪的侵害而避難於山中，等待危機過後，就用天燈為信號，通知村民可以下山返家。後來，放天燈的儀式保留下來，用來慶祝並向鄰村的居民報平安，由於天燈的升空，有上達天聽的意義，村民們常將祈福、許願的詞句寫在天燈上，等到農曆年正月十五的元宵節施放天燈，將一年所想的願望，讓上天眾神保佑。每年元宵節，平溪天燈的活動規模漸大，也讓平溪天燈在台灣並列為「北天燈，南烽炮，東寒單」三大民俗之一的美名，成為地方民俗，具有祈福納喜的象徵，如圖1所示。 圖1：台灣平溪天燈節施放天燈 （圖片來源：Wudy老師，http://www.kphoto.com.tw/front/bin/ptdetail.phtml?Part=new353） n  天燈的製作和施放 天燈的製作大多以純手工進行，很難以機械化方式進行量產。其燈體的材料以棉紙或薄宣紙主，而削成細長形的條狀竹片，以綠竹和桂竹兩種彈性最好，其長度由天燈的圓周大小而定。底座所用的鐵絲，其長度和粗細也依天燈的大小而定。最後，油紙是以拜拜用的金紙為主，並用煤油或沙拉油加以浸泡，這也是天燈施放，升空的動力來源。然而為了方便遊客，販售的天燈皆為製作成品，有些以固體燃料當作燃料，遊客只須挑選喜愛的形式和顏色，即可帶至欲施放的地點。 天燈要施放時，要先準備幾張金紙浸泡於煤油或沙拉油中至完全浸油狀態，或直接用固體燃料，並在天燈上書寫一些祈願話語或加以彩繪。施放時最好三人一組，固定浸泡後的金紙或固體燃料在底座的鐵絲中央，並將金紙弄散以便充份燃燒。接著由兩人提起燈頭的四個角，另一人負責點燃油紙，最後放置天燈底部在地面上。當燃燒的熱空氣充滿在天燈的內部時，天燈就會隨即升上天空。 天燈的油紙或固體燃料的燃燒時間大約為五至六分鐘、其高度可升至五、六百公尺，施放時應在空曠且附近上空沒有電纜線等物的地方較佳，風力太大以及下雨時也要避免施放，以避免升高時會產生失敗的現象。最好由有經驗的師傅協助，若自行施放，易發生危險，應注意安全。 n  原理和概念 燃料、燃燒反應與熱值 煤油（Kerosene）是施放天燈時最常的和傳統的燃料，它是從石油分餾時，在160~300℃時所取得的烴類（hydrocarbons），它的密度約為0.78~0.81 。由於它是一種混合物，其每一分子的碳數約6~16個，而煤油芳烴類（aromatic hydrocarbons）含量適中，硫含量低，燃燒充分、火眼穩定、不會冒黑煙，不結火花，無明顯臭味，對環境污染小。煤油的燃燒熱類似於柴油，其低熱值（LHV）是43.1 MJ/kg，而其高熱值（HHV）是46.2 MJ/kg。 以煤油中的十二烷和十二烯為例，其燃燒反應如式[1]和[2]所示： 2C12H26(g) + 37O2(g) → 24CO2(g) + 26H2O(g)   [1] C12H24(g) + 18O2(g) → 12CO2(g) +12H2O(g)    [2] 以十二烷為例，假設天燈施放一次使用16 g的煤油，以其低熱值計算，其燃燒放出的熱量： 16 g × 43.1 MJ/kg = 16 g × […]

臺灣的節慶與化學：台灣燈會 鄭玉鉦 工業技術研究院量測技術發展中心（退休） 元彩太工作室 now88154163@yahoo.com.tw  n  燈籠的歷史 燈籠是一種相當古老的照明設備，在古埃及便已出現。中國可能是最早使用燈籠的文明古國之一，其燈籠樣式與使用習慣與鄰近的國家也有些不同。傳統中國式的燈籠主要由紙或絹作為燈籠的外表皮，骨架通常使用竹或木條製作，燈籠裡面放上蠟燭，點燃蠟燭也可以做為照明工具。在許多廟宇裡，燈籠是相當常見的照明裝飾用。現今燈籠在中國、韓國、日本和越南常被視作的一種收藏與欣賞的傳統民間工藝品。近代則以電燈、日光燈、乃至LED燈取代傳統的蠟燭，如圖1所示。 圖1：2012年台灣燈會用電燈和LED燈取代傳統的蠟燭 在華人社會中，年節慶典時都會使用燈籠，特別是過年、元宵節和中秋節三大節日。除了慶典或廟宇使用外，在許多街頭小吃攤也有掛紅燈籠取代招牌，以吸引食客的目光。 n  台灣燈會的由來 交通部觀光局為慶祝元宵節（農曆正月十五），將傳統民俗節慶燈會推廣至國際。故自1990年起結合民間及地方政府資源，開始辦理大型燈會活動。 燈會開始是臺北燈會，每年舉辦一次，成為臺灣重要燈會活動之一。臺北燈會場地在臺北市中正紀念堂，從2001年開始改為全國各地巡迴舉辦的臺灣燈會，由各縣市角逐主辦權，因此各縣市鄉土民情與花燈、主燈配樂的結合逐漸成為一大特色。例如於宜蘭縣舉辦時，主燈配樂即以午後雷陣雨聲為開頭；嘉義之配樂則融入高山青等名曲。 從2003年開始與日本Yosakoi祭典雙向交流，日本團體參與臺灣燈會踩街街舞活動與開燈表演，臺灣團體則參加北海道Yosakoi祭典。2007年間也邀請美國Discovery節目製作人來台參訪臺灣燈會元宵活動，也被美國Discovery頻道評選為全球最佳慶典活動之一，並且拍攝記錄，並製作了系列節目在全球播放臺灣燈會的璀璨魅力。 n  臺灣燈會主燈 臺灣燈會最特別的就是主燈，並以當年歲次之生肖為主題，主燈白天時是雄偉挺拔、氣勢非凡的景觀藝術雕塑；夜晚時，為璀璨奪目及光影幻炫、繽紛變化的美麗巨型藝術燈籠。在燈會期間每隔30分鐘配合音樂亮燈、旋轉，如圖2至圖3所示。 圖2：2013年台灣燈會主燈（騰蛟啟盛） 圖3：2014年台灣燈會主燈（龍駒騰耀） 影片1：2012鹿港台灣燈會（2012 Lugang Taiwan Lantern Festival） （影片來源：KiyoshiStudio, YouTube, https://www.youtube.com/watch?v=Neh4LE-Rwc4） 主燈在整體燈光設計上，以科技數位化控制，結合光電科技之全像技術，內部光源也安裝最新高科技節能LED燈超過20萬顆及2,000組燈光變化控制迴路，更符合國際趨勢與世界節能減碳的潮流。   n  LED的發展歷史 人類照明光源的歷史最早可以追溯到50萬年前開始使用火把。1792年英國William Murdock首次應用氣體光源在自己家裡的照明。1808年英國漢弗里·戴維（Humphrey David）發明電弧光燈。目前我們所使用的電燈，是在1879年美國愛迪生（Thomas Edison）與英國約瑟夫·斯萬（Joseph Wilson Swan）所發明，1879年愛迪生採用白金燈絲。1930年代許多單位（如英國GEC）製作出廣告用螢光燈。1934年美國奇異公司推出照明用的螢光燈。1948年美國GE與西屋公司利用Ca5(PO4)3(F, Cl)摻雜Sb3+與Mn2+作為白光日光燈管的螢光粉。 1907年美國Round首次研發SiC LED（碳化硅發光二極體），對元件施加10 V偏壓，可以在陰極處發現黃光、綠光與橘光，SiC是研磨沙紙上常用的材料。1923年俄國Losseve注入電流意外形成的SiC p-n接面，並使元件發出藍光。1936年法國Destriau發現注入電流可以讓ZnS粉末發光。1962年任職於美國GE公司N. Holoyak Jr等人製作並發表首顆GaAsP紅光LED，但直到1970年LED的發光原理才被進一步瞭解，1971年夏天美國RCA公司Pankove等人製作出第一個電激發光MIS結構GaN LED。有機半導體材料LED（OLED）則在1980年中期到末期開始發展。1990年初期美國HP公司的Kuo與日本Toshiba公司的Sugawara等人使用AlInGaP材料發展高亮度紅光與琥珀色LED。 1986年Amano等人（Isamu Akasaki-赤崎勇教授研究團隊）利用MOCVD磊晶低溫AlN緩衝層，成功地成長出透明、沒有表面崩裂的GaN薄膜，Akasak研究團隊利用低能量電子束照射（low-energy electron-beam irradiation, LEEBI）GaN薄膜，並藉此獲得低電阻特性，同時他們也成功地製作出具有p-n接面的藍光GaN LED。1992年日本Nichia公司的Nakamura（中村修二博士），使用熱退火技術成功地活化磊晶在低溫緩衝層上的GaN薄膜，並在1995年成功地製作出GaN藍光與綠光LED。1996年Nakamura又提出利用InGaN藍光LED（波長460~470nm）激發釔鋁石榴石：鈰（yttrium-aluminum garnet，YAG:Ce3+；鈰從5d傳輸到4f軌域）黃色螢光物質之白光LED。 n  LED的發光原理 […]

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) + […]

臺灣的節慶與化學：廟宇的過火儀式 陸冠輝 國立台中高級工業職業學校化工科 luhgh@tcts1.seed.net.tw   n  何謂「過火」？ 過火（Firewalking）是一種以赤腳的方式走過熱燙的木炭堆或石頭堆，這種儀式在全世界各地有一些人們或文化中在進行著，最早的過火儀式大約可以追溯至約紀元前1200年的印度鐵器時代，那是用來對個人力量及勇氣的測試儀式，也是對一個人在宗教上信念的檢定方式。過火在台灣是民間常見的一種廟會活動，藉由這樣的儀式，神明可以更新神力、強化神威，而信徒可以除穢氣去厄運、消災解禍。 從許多節目及影片中看見，過火不可否認是一項具有危險性的宗教儀式，也經常發生許多燙傷的意外事件，而一般民眾都把這樣的傷害原因歸咎於「不淨」所造成的，但這種說法亦存有諸多疑問，那些能夠腳踩著紅通通木炭的人們，為什麼一點事情也沒有，真的是神明有保佑呢？還是另有玄機呢？還是有科學的原理在其中呢？ n  過火的儀式 在台灣經常有過火的宗教活動，其中在宜蘭的二結鄉於每年農曆十一月十五日是古公三王中三王公誕辰都會照例舉辦盛大的過火儀式，筆者於2012年有機會與王公廟董事長張明華訪問時提到，這是二結地區最具特色的民俗活動，已被宜蘭縣政府列為無形文化資產。這裡過火所用的木炭高達一萬多台斤以上，是全國最具規模的過火儀式，也吸引了許多民眾來觀賞。 在事前的準備工作，首先要施法、勒符，這目的是用以維護火場安全，並且安定過火信徒的心理作用，如圖1所示。另外一個重要的儀式就是「摔鹽米」，這在宗教的信念中，「鹽」「米」分別代表著「雷電」和「火石」，具有驅逐惡煞的功能，因此廣泛應用於各種除煞的儀式中，如圖2所示。但經本人的實地觀察，過火活動所用的鹽是海鹽，也就是含有大量水分的粗鹽，而米也是有泡過水的處理，這在科學上都具有降低溫度，減低過火人員燙傷的可能性。 圖1：過火前，施法、勒符，以維護火場安全 圖2：過火時所用的鹽米（左）和摔鹽米（右） 張董事長說道：過火儀式是有一些禁忌的，例如事前要吃素三天、不近女色…等，這都顯示過火的神聖性。進行過火時會由執黑令旗者「開火路」衝過火堆，試探是否安全，然後神轎和信徒分別跑過火堆，如圖3所示。活動之後，不能親自參加過火的信眾也會帶著衣服在火堆上揮舞，祈求解消穢氣及厄運；甚至也有信眾取回灰燼，以庇佑宅第平安，如圖4所示。 圖3：神轎（左）和信徒（右）踏上炭火堆過火 圖4：信眾帶著衣服在火堆上揮舞（左）和取回灰燼（右），祈求平安 n  過火的科學原理 過火與熱的傳導 首先要了解熱的傳播有三種基本的途徑：「對流（convection）、輻射（radiation）、及傳導（conduction）」。 「對流」主要發生於氣體和液體，也就是流體，這是發生在密度大且較冷的流體取代密度小且較熱的流體之過程，也就是熱空氣上升，冷空氣下降的意思。在過火的儀式中，「對流」是不存在的，因為沒有任何的氣體或液體明顯地涉及其中。 「輻射」就像是電磁波一樣，不需要任何介質就可以進行的熱傳播，也就是過火時，周圍的人們會感受到炭火很燙的原因；然而，在實際的過火當中，「輻射」並沒有傳遞很多的熱量到腳上，因為在木炭上有一層薄薄的灰燼會阻隔輻射熱的傳遞，而且在過火時，腳掌與炭火的接觸時間是非常短的。 「傳導」是兩個物體相互接觸，熱量由高溫處傳遞至低溫處的現象。具體地說，金屬具有良好熱傳導性，既使著了火的木炭的非金屬是不良的熱傳體，大多數金屬的熱傳導度是非金屬如木炭或皮膚的幾千倍；再進一步地說，木炭的表面形狀是粗糙的，並沒有整個腳掌都接觸在炭火上，因此有技巧性地行走於炭火堆是可以避免燙傷的。 比熱和熱傳導性 下面有許多因素可以說明過火儀式的可行性： 1.        水是具有高比熱（1 cal/gž℃或4.184 J/gžK）的物質，而木炭的比熱是很低的，因此腳底（含有水）的溫度變化會比木炭來得小很多。 2.        水也是一種高熱傳導性的物質，與上一點結合說明，腳部的大量血液會帶走熱量並且傳遞散開來。從另一方面來說，木炭是低熱傳導性的物質，因此腳底部的皮膚只會接收到來自木炭的很少熱量。 3.        當炭火被降溫時，它的溫度就會低於閃火點（flash point），因此就會停止燃燒，也就不再有熱量產生了。 4.        過火時人們是不斷地在行走，並沒有在炭火上停留太長的時間。 萊頓弗羅斯特效應 在物理學中，有一個科學名詞「萊頓弗羅斯特效應（Leidenfrost effect）」，這是德國科學家Johann Gottlieb Leidentfrost在1756年發現的一種效應，當水滴落在溫度超過200℃滾燙的金屬板上時，水滴與金屬接觸的表面會瞬間蒸發產生蒸汽，蒸汽上浮的力量會托住水滴，使水滴懸空，讓水滴與金屬板之間產生隔熱效果（因水蒸汽的熱傳導率大約只有水的1/10），水滴反而不容易蒸散，大大地降低水滴沸騰的速率，如圖5和影片1所示。 圖5：萊頓弗羅斯特效應示意圖 影片1：The Leidenfrost Effect – Growing a droplet, YouTube, https://www.youtube.com/watch?v=Kt1eRy8x_Us. 在民間的過火儀式中，人們可以跑過火紅的木炭堆有同樣的效應。燒得紅通通的炭火溫度（大約有六、七百度）遠遠超過水的沸點，過火者的腳底先保持潮濕，再快速地跑過炭火時，汽化的水會在腳底形成保護膜，使得熱量不容易傳到過火者的腳部，這樣就不會被燙傷了。萊頓弗羅斯特效應的原理，在探索頻道（Discovery）的「流言終結者」節目也做過類似的實驗，他們是拿香腸放入燒鎔的鉛中，當接觸時間控制得當時，香腸真的可放入高達454℃的熔鉛中而不會被煮熟。在日常生活中，廚師也常常利用這個原理來進行烹飪測試，就在炒鍋上灑了幾滴的水，如果會形成一顆顆的小水滴在炒鍋上跳來跳去，那麼表示溫度已經夠高了，可以開始炒菜囉。 炭火堆去水和紮實 […]

臺灣的節慶與化學：鹽水蜂炮 許紘齊、楊水平* 國立彰化師範大學化學系 *yangsp@cc.ncue.edu.tw n  鹽水蜂炮的由來 鹽水蜂炮（Yanshui's Beehive Rockets）是台南市鹽水區每年元宵節著名的節慶活動，2008年被指定為中華民國文化資產的民俗類，每年吸引十多萬遊客參與盛會。此項活動相傳是從清朝光緒年間開始，傳承至今已有百餘年的歷史，其由來眾說紛紜，其中最為大家樂道的是關聖帝君「驅除瘟疫」之說。現今鹽水蜂炮的節慶特色是由成千上萬的蜂炮（沖天炮，stick rockets）傾巢而出，如眾多火龍竄出，震撼力十足，如圖1所示。 圖1：鹽水蜂炮的沖天炮如火龍竄出震撼力十足 （圖片來源：Vincent Chien, Flickr, https://www.flickr.com/photos/bravesheng/6840510295/.） 時逢光緒11年（西元1885年）鹽水當地瘟疫肆虐，造成人口外移，市井蕭條。這時鹽水地區的居民們經商議後，決定迎請關聖帝君神轎出巡，祈求驅除瘟疫災厄。透過關聖帝君的指示，在神轎出巡的過程中沿路燃放鞭炮（firecrackers），從正月十三到十五日總共持續了三天的時間，沒想到從此瘟疫竟然被驅除了。此後，為了感念關聖帝君的恩澤，當地居民們決定每年元宵節舉行「關帝遶境」燃放爆竹的活動。此活動便是鹽水蜂炮節慶的前身，當時的爆竹以鞭炮和焰火為主。關於「驅除瘟疫」之說，有人以科學角度推論，這可能是因為鞭炮的成分硫磺和鞭炮火藥燃燒的產物發揮消毒作用。經過多年的演變，發展出以沖天炮為主的鹽水蜂炮。就風俗而言，蜂炮射向神轎是當地民眾感念關聖帝君恩澤的宗教儀式，遊客檔在神轎前體驗蜂炮威力是一項禁忌。 n  鹽水蜂炮的炮城 鹽水蜂炮的炮城，又名蜂炮城、蜂炮巢，其主要架構材料為木棒、竹子或鐵搭建而成，由許多沖天炮組成的發炮台。傳統上，以木條製作或竹竿綁成的大型長方體支架，作為炮城的基本結構。在面積最大的兩面，以橫杆由上而下做出分層，作為擺設沖天炮的支架，前後支架必須控制好沖天炮發射的角度，射向神轎。在分層的支架上，先以雙面膠或其他黏著劑固定炮城的炮芯（一種引線）在支架上，並在各層上排放單層或數層的沖天炮，再黏貼炮芯與沖天炮的引線在一起，有些炮芯再黏貼一層藍色或紅色的薄紙，如圖2所示。然後連接炮城兩面的炮芯在一起，使炮芯與引線串串相連，由炮芯和引線的長短來控制蜂炮點燃的時間，如此設計，在某一處點燃炮芯，就可萬炮同時發射或火龍連續四射。 圖2：沖天炮組成的炮城，單層的傳統炮城（左）和數層的現代炮城（右） （圖片來源：由左而右，Vincent Chien, Flickr, https://www.flickr.com/photos/bravesheng/6850965469/；August Huang, Flickr, https://www.flickr.com/photos/kaorss/6941599250/in/datetaken/） 傳統上，鹽水蜂炮的炮城是以竹子或木棒建構其基本架構，自民國70年起開始有大型的鐵製炮城出現。在炮城中各層擺放沖天炮的數量可達108或120支，其支數有象徵各行業興旺與長壽之意。大炮城的大小和分層的蜂炮數量並非固定不變，曾出現數千支或數萬支沖天炮的炮城。有些主炮城的各層蜂炮甚至以十層到二十層的沖天炮堆疊而成的，數量非常可觀，如圖3所示。在完成基本結構後，炮城的外表會黏貼紅色等色紙加以裝飾，並寫上祈福的語句，外觀設計成神像、茶壺、動物或卡通人物等各種造型。   圖3：有數十萬發沖天炮的炮城（左）和堆疊多層沖天炮的炮城（右） （圖片來源：Yanshui's Beehive Rockets 鹽水蜂炮，翁郁容的部落格，http://mi-chanchan.blogspot.tw/2012/03/yanshuis-beehive-rockets.html。） 2012年鹽水蜂炮的主炮城「雲端金龍」由50萬發沖天炮所組成。2013年有40萬發的「天官賜福」主炮城與50萬發的「玄武」炮城，還有120座小炮城，總計約有百萬發蜂炮。2014年的鹽水蜂炮有200多座創意炮城，主炮城「關公騎赤兔馬」由鹽水武廟特別打造12尺高、寬6公尺，有40萬支蜂炮，結合高科技LED燈，搭配精彩絢麗的煙火秀。成千上萬的沖天炮，如火龍竄出，震撼力十足，吸引頭戴安全帽，全身包緊緊的遊客們。 n  沖天炮的內部結構 鹽水蜂炮的沖天炮圓筒是用紙捲成多層的厚粗圓筒，其內部構造除了引線之外，可簡單地分成兩部分，尾部是推進（propellant）區，頭部是爆炸（explosion）區。沖天炮的外部黏貼一支細長的竹棒，作為發射飛行的穩定作用；還有用色紙包裝，以增加外部的美觀，如圖4所示。 圖4：沖天炮分成兩部分：尾部的推進區和頭部的爆炸區 推進區的成分主要為碳粉和硝酸鉀，通稱為無硫火藥（sulfur-free black powder），呈現黑色，有些沖天炮的推進區添加硫磺，此為火藥（gunpowder）或黑火藥（black powder），以增加推進的效果。然而，因含有硫磺，使得火藥本身相對敏感，在製造和運送過程中有一定的危險性。爆炸區的主要成分為過氯酸鉀（potassium perchlorate, KClO4）或氯酸鉀（potassium chlorate, KClO3）、碳粉、鋁粉、及鋁鎂合金粉所組成的灰色粉末，有些沖天炮會加入少量的硫磺或蔗糖（C12H22O11）當作還原劑，以增加爆炸效果，但具有相當的危險性。 沖天炮的頂部通常用泥土或黏土封閉筒口，以防火藥燃燒產生的氣體衝出；紙筒尾端以凹陷方式夾緊一條引線，在引線燃燒完畢後在此處形成小孔洞。當火藥燃燒時，產生的氣體會在此小孔洞衝出，造成極大的衝力並發出「咻」的聲音，圖5為沖天炮內部結構的切開圖。沖天炮的藥品填充順序是，先在紙筒中填充爆炸區的混合物後，再放入推進區的火藥並放入引線。   圖5：沖天炮的內部結構：頂部有黏土和爆炸的火藥、中段有推進火藥、及尾部有引線 二十多年前，鹽水蜂炮使用的沖天炮有塑膠頭，衝力非常強大，像一把刀，會射穿衣物，在皮膚留下深深的割痕。在爆炸後，有些塑膠黏住皮肉，使傷口更加嚴重，甚至炸傷遊客的眼睛。為降低殺傷力，近年來鹽水蜂炮已經禁用塑膠頭，全面採用紙包的沖天炮，降低民眾的受傷。 n  沖天炮的運作原理（物理和化學原理） 現今沖天炮使用的引線是延時引線（Visco fuse），塗層以綠色或紅色最為常見，它是扭曲的絞線，用於消費者煙火的高品質引線，也用於創造多個煙火施放時的延遲點火。延時引線是以火藥為核心，直徑2-3毫米的絞線，如圖6所示。引線的火藥用三層包住，內層是用串繩繞住火藥；第二層是用串繩以相反方向包住內層；外層是塗上低硝酸根的硝化纖維素漆（low-nitrate […]