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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
*[email protected]
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。
圖5:臺北101大樓結構每節有向外延伸的平台,適合發射煙火
(圖片來源:Taipei 101, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Taipei_101.)
臺北101跨年煙火秀的煙火架設與高空煙火有很大的不同,此大樓平台如同小型地面,可架設鷹架,成為很適合發射地面煙火的場所,其煙火彈發射筒的架設是,先在高樓的平台上架設鷹架,再固定發射筒於鷹架上,然後從高樓向夜空射出短程距離的煙火,如圖6所示。
圖6:臺北101大樓的平台可架設鷹架,適合發射煙火
(圖片來源:林伯東,大紀元,http://www.epochtimes.com/b5/10/12/16/n3115154.htm。)
臺北101大樓位於市中心,施放煙火的射程短,附近有大批民眾觀賞,必須小心建築本體和周邊建築的安全以及觀眾的人身安全;而且大樓煙火施放地點離地面數百米,夾帶著強勁的風勢,任何一根煙火發射偏離,可能造成觀眾的受傷。因此,臺北101煙火採用架設鷹架的方式,每一根煙火彈發射筒的發射方位和順序都必須穩定地固定於鷹架上,如圖7所示。發射筒的架設是以一個煙火彈或一組數個煙火彈為單位,以增加煙火的變化效果,如圖8所示。
圖7:煙火彈發射筒固定於鷹架上,必須注意發射方位和順序
(圖片來源:老攝郎趴趴走,http://a121571907.pixnet.net/album/set/14803875。)
圖8:煙火彈發射筒的架設方式是以一個或一組為單位
(圖片來源:仰望台北101 世界看見台灣,中央社,http://www.cna.com.tw/photoalbum-3/314.aspx。)
臺北101大樓的煙火中央控制室位於海拔400多公尺、在九十層樓內,不到十坪大小的空間,由中控室電腦主機經由導線控制,分布於整棟大樓共三萬發的煙火發射器。為了讓煙火效果臻至完善,整棟大樓的燈光都必須用帷幕遮蔽。
臺北101大樓在建國百年國慶煙火突破技術極限,在大樓外牆架設大量的垂直鋼索,這是前所未有的挑戰!總共設置1800個發射盤,在大樓外牆拉起綿密的煙火發射網,增加整棟大樓的發射面積,發揮無限空間的創意。2014年鷹架不見了,煙火發射器僅簡單地固定大樓牆面的三腳架上,還有與杜拜煙火相同的移動式發射台。
n 臺北101煙火花式
臺北101跨年煙火歷經十年了,其低空煙火秀的設計讓觀眾留下深刻的印象,每年元旦帶給大家無限的歡樂。臺北101煙火秀到底有多少花式(效果)呢?往年最常出現的煙火是從建築物的各平台往上斜射出去,近年來也出現平行射出,甚至向下斜射;同時或連續啟動每層樓發射按鈕,引燃煙火彈,創造出精采的圖樣和效果。
一般煙火產生四種主要效果:光、噪聲、煙霧和飄浮物。雖然地面煙花比高空較不受歡迎,但是大樓煙火可創造出令人驚艷的展示。以下是臺北101跨年煙火曾經出現的花式(效果),由於煙火的造型千變萬化,無法在此詳列。此處花式分類的描述是以射出一個煙火彈或一組數個煙火彈為單位,而不是以整座大樓的煙火造型為單位。
1. 地雷煙火(Mine Fireworks)
地雷的煙火彈沒有推進的火藥,施放時固定在地上,向上或傾斜發射到高空中,爆裂的外型像地雷從地面上突然爆發或爆炸,產生扇形效果,如圖9所示(左圖為放大圖,以下皆同)。地雷的效果是短暫的但不連續,而且非常壯觀,也提供好聽的劈啪聲。
圖9:突然爆的發地雷煙火,效果短暫且壯觀
(圖片來源:sakaki912,2012 台北101跨年煙火秀 1080p Full HD,YouTube,https://www.youtube.com/watch?v=LPeFnv48rC4。)
2. 噴泉煙火(Fountain Fireworks)
噴泉煙火會連續噴出像噴泉般的火花,聲音不大,有各式各樣的顏色與大小,如圖10所示。有些煙火在噴出火花後,會出現閃亮的光點。瀑布煙火(Waterfall firework)是噴泉煙火的變化花樣,噴泉煙火的火花往上噴出,而瀑布煙火則往下掉落。
圖10:噴泉煙火會連續噴出像噴泉般的火花
(圖片來源:洪英傑,2012跨年101煙火,YouTube,https://www.youtube.com/watch?v=pcvqK-pgDpU。)
3. 彗星煙火(Comet Fireworks)
在每一顆星星的後方拖著一條閃閃發光的尾巴,飛行的距離不長,如圖11所示。
圖11:彗星煙火有發光的尾巴
(圖片來源:iamrickz, Taipei 101 2014 New Year Firework 台北101 跨年煙火,YouTube,https://www.youtube.com/watch?v=SlA3AlQNoSM。)
4. 飛魚煙火(Flying Fish Fireworks)
飛魚煙火的效果像是小規模的互斥光束而集體從煙火筒竄出,如同群體的小魚被大魚怔住而集體游動的樣子,如圖12所示。
圖12:飛魚煙火的效果
(圖片來源:Coro Soak, 2014 Taipei 101 New Year Fireworks,YouTube,https://www.youtube.com/watch?v=iJcOzJMVLNw。)
5. 柳樹煙火(Willow Fireworks)
在柳樹煙火的煙火彈內,光珠的組成加入過量的活性炭粉末,爆炸後燃燒的時間會額外加長,使光珠創造出明亮的下降條紋,在空中創造銀色或金色如柳枝般的外形效果,也很像瀑布,如圖13所示。
圖13:柳樹煙火在爆炸後燃燒光珠的時間加長
(圖片來源:洪英傑,2012跨年101煙火,YouTube,https://www.youtube.com/watch?v=pcvqK-pgDpU。)
6. 馬尾煙火(Horsetail Fireworks)
馬尾煙火的效果是一些緊湊的小爆炸掉落下來,就像馬尾的樣子,還可以聽到像瀑布煙火的聲音,如圖14所示。
圖14:馬尾煙火的爆炸外觀
(圖片來源:洪英傑,2012跨年101煙火,YouTube,https://www.youtube.com/watch?v=pcvqK-pgDpU。)
7. 閃爍煙火(Strobe Fireworks)
閃爍煙火是一種新開發的空中煙火,明亮閃爍的銀光以集群方式緩慢地下降所組成的煙火,如圖15所示。閃爍煙火也用於牡丹煙火彈和地雷煙火的一系列快速閃爍的星星。
圖15:閃爍煙火有不停的閃爍銀光的效果
(圖片來源:Arthur Chang,2011-101跨年煙火,YouTube,https://www.youtube.com/watch?v=199JLRT9Ru0。)
8. 開掌花煙火(Crossette Fireworks)
在大顆的煙火彈內包著數顆的小型煙火彈,第一發先爆破使小型煙火彈噴灑在空中,然後小型煙火彈引爆,各自發射出4~5發彈幕,拖著尾巴並伴隨著響亮的劈啪聲,彷彿在空中開著掌花,也猶如很多人以4~5個人為一組手拉手在一起,如圖16所示。
圖16:開掌花煙火最後階段有開掌花效果
(圖片來源:洪英傑,2012跨年101煙火,YouTube,https://www.youtube.com/watch?v=pcvqK-pgDpU。)