出品：科普中國
製作：張昊（大阪大學）
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
在電視劇《三十而已》中，“藍色煙花”作為煙花設計師許幻山心中的最高夢想被反覆提及，更是作為推動劇情的重要元素不斷出現。
那麼，在現實中，藍色煙花真的沒人做出來過嗎？
當然不是。加入含銅化合物，就可以讓煙花呈現藍色。
不過，藍色煙花的確是煙花行業的聖盃，色澤純正的藍色煙花不僅好看，而且少見。
△圖片來自周星馳電影《美人魚》，有加工
為什麼煙花有顏色？藍色煙花為什麼難製造？
直到今天，色澤純正的藍色煙花仍然是煙火秀中的賣點，將其稱為煙花行業的聖盃也並不為過。
為什麼藍色煙花如此少見？
首先我們要了解下煙花是如何“上色”的。
△你能記起常見的煙花有哪些顏色嗎？（圖源：Veer圖庫）
煙花能呈現各種色彩，並不是真的加入了我們畫畫用的顏料，而是加入了不同的金屬化合物，產生了一種叫“焰色反應”的物理變化。焰色反應，就是金屬的原子或者離子在火焰中呈現不同顏色的現象。
△從左到右依次是鋇、鍶、鋰、鈉、銅、鉀的焰色反應（圖源：Fine Art America）
當將金屬元素置入火焰中時，金屬的外層電子會吸收火焰能量發生“躍遷”——即本來擁有穩定軌道的電子會到達一個具有更高能量的軌道上。這就好比棒球運動中的擊球手揮棒擊球，讓本來徑直飛向自己的棒球飛向更高更遠的地方。
不過，躍遷後的電子並不穩定，它們會馬上回到曾經較低的能量狀態。這就好比棒球無論飛到多高，最後還是會掉落到地面上一樣。這個過程同樣稱為躍遷，只不過躍遷方向是從高能量軌道回到低能量軌道。此時，電子會將原本吸收的能量以電磁波的形式釋放出來。
不同元素原子中的電子在躍遷時會釋放出特定波長的電磁波，這個波長與具體的元素種類有關，是原子的特徵屬性。不少金屬原子的電子在躍遷時釋放的電磁波正好位於可見光波段，因此人們可以清楚地看到五彩繽紛的顏色，這就是焰色反應得名的由來。
我們看到的藍色煙花，其實就是無數的電子在以藍色光的形式向外釋放能量。
一般，人們會利用銅或者銅的化合物作為髮色劑來產生藍色，包括銅粉、硫酸銅、碳酸銅、硝酸銅、氫氧化銅、鹼式碳酸銅、氯化亞銅等。其中又以氯化亞銅（CuCl）釋放的420-460納米波長的藍光最為純正，因為其它銅鹽產生的藍色通常帶有明顯的綠色色調。
好了，說清了藍色煙花的原理，回到我們的主題，藍色煙花為什麼很難製造呢？
這主要是以下幾個方面的造成的。
首先，夜空雖然看起來是黑色，但其實仍然有相當濃重的藍色調。如何讓藍色煙花從背景中鮮明地凸顯出來，並不是一件容易的事情。因為成分的細微改變就會造成燃燒溫度、火焰顏色的極大變化，所以調控焰火劑的配比，從而讓它們呈現出期望中的顏色本來就不是一件容易的事情。藍色煙花更是還得考慮與夜空背景的對比度，難度可想而知。
此外，還有一個天然存在的矛盾制約著藍色煙花的製造。一般來說，焰火劑燃燒時的溫度越高，焰色反應的顏色就越明亮，視覺觀感就越好。但同時，過高的溫度又會讓作為髮色劑的金屬鹽類發生分解，導致金屬原子的狀態改變，無法釋放預期的顏色。最有希望產生純正藍光的氯化亞銅的分解溫度只有幾百度，當它發生焰色反應時，實際上已經開始分解了。因此，想要呈現藍光時溫度最好控制在1200攝氏度以下，否則就會產生其它白亮的雜色，影響藍光的純正性。
不過歸根結底，藍色煙花難以製造的原因還是與材料的稀缺性有關。其它色系對應的無機金屬鹽種類繁多，但能夠產生藍光的卻幾乎只有氯化亞銅一種。當然，如果我們把有機銅鹽也列入考察對象，那麼可供選擇的對象確實會大大增加。問題是，生產煙花需要消耗大量鹽類，成本是非常關鍵的因素，而有機鹽類顯然太貴了。
△藍色煙花（圖源：林文城）
為了尋找氯化亞銅的替代品，人類已經努力了幾個世紀，不過直到今天，它還是藍色煙花的首選原料。煙花工程師們只能通過不斷調試焰火劑的配方來讓最後呈現的藍色儘量絢麗奪目。從這個意義上來說，電視劇中的情節確有一定的現實依據，我真的想為編劇淵博的知識鼓掌。
“GJ”“UU”……這些煙花圖案都是怎麼打出來的？
除了藍色煙花的製造難題，電視劇中還出現了“拼字煙花”。有廠家為了給劇中人物應援，在現實中也打出了女主姓名縮寫圖案的煙花。
△左側為劇中出現的煙花，右側為現實中的煙花，都屬於拼字煙花（圖源：微博）
那麼，這些拼字煙花，還有我們日常觀看到的圖案煙花，是如何打出來的呢？
這就不得不提到大型煙花要使用的煙花彈了。
煙花彈是煙花的一種，它的核心部分是焰火劑，也就是燃燒時產生各種顏色火焰的藥劑。焰火劑的主要成分包括：氧化劑、可燃物、髮色劑和粘合劑。它的工作原理是氧化劑在可燃物的作用下受熱分解，釋放出的氧氣再供可燃物進一步燃燒產生高溫，從而促使（金屬）髮色劑發生焰色反應，粘合劑則起到將各種成分粘結成整體的作用。
髮色劑通常由能夠呈現焰色反應的各種金屬鹽類構成。如果僅僅需要耀眼的白光，還可以加入以鎂粉和鋁粉為代表的光輝劑。普通煙花燃燒時的溫度在2000攝氏度左右，但加入光輝劑後，燃燒溫度能達到3000攝氏度，可以呈現異常明亮的白熾光芒。
煙花彈通常是球形或者環形構造，製成球狀的焰火劑位於球或環的外周部分，中心處是用來起爆的火藥，起爆火藥直接連接著引信。將煙花彈裝入發射管時，其實管內已經有了一定量的發射火藥，發射火藥的作用是將煙花彈發射到空中。發射火藥點火的同時，引信也同時被引燃。等到煙花彈正好升到了預定的高度，引信也燃燒到了煙花彈內部，之後起爆火藥發生爆炸，焰火劑中的可燃成分隨之被引燃。
△煙花彈結構（圖源：加藤煙火|株）
人們常將焰火劑製成多層結構，由外向內的每一層中包含有不同成分的髮色劑。這樣，在上空發生爆炸時，外層髮色劑就會最先爆炸，然後是中層，最後是內層。這樣的好處是煙花會呈現出明顯的階段性變色效果，增強觀賞性。
至於拼字煙花和圖案煙花，則主要是通過控制起爆火藥的裝藥方向和裝藥量，達到以不同力度、向不同方向噴射焰火劑球的效果。如北京奧運會開幕式上讓人印象深刻的大腳印，就是通過這樣的原理得以實現的。
△心形煙花結構（圖片來源：加藤煙火|株）
煙花雖美，也要時刻注意安全存儲、安全燃放
△大阪2019年澱川煙火大會（圖源：林文城）
煙花是易燃易爆物品，製造、使用以及存儲等每一個環節都可能發生危險。不論是需要由專業人士進行操作的大型煙花彈，還是普通的民用煙花，都曾造成過多起爆炸、火災事故。對於煙花製造廠家和專業燃放人員而言，把控好每一個生產、流通環節，是對確保自身以及公眾安全必須盡到的責任。對於一般消費者而言，瞭解煙花燃放中可能發生的隱患，是必須具備的生活常識。
大型煙花使用時常見的安全問題有以下三種。第一，引信失效造成的啞彈，裝載著大量火藥的啞彈最終會落回地面。雖然一般的煙花表演都會盡量確保即便有啞彈或殘留物落下，也會直接落入湖面海面，但如果真的遇到了煙花啞彈，務必要第一時間聯繫消防部門進行處理。第二，點火器失效造成的點火失靈，電子設備都有發生故障的可能，歷史上也多次出現因為此類原因導致煙花表演失敗或者終止的實例。此時如果需要進行臨時人工點火，操作員應該務必做好防護，另外裝藥量超過了某一程度後必須進行遠距離點火。第三，煙花發射過程中還可能出現發射筒倒伏之類意外，因此務必需要提前確保設備處於最佳狀態。
對於普通的民用煙花來說，雖然裝藥量與大型煙花比相去甚遠，但發生危險的概率也不可忽視，基本的安全事項必須遵守。首先必須明確，在禁放區域和禁放時間內燃放煙花爆竹是違法行為，燃放前務必確定清楚相關信息；燃放時千萬不能對準人以及其它動物，也要務必留意周圍是否有易燃易爆物品的存在；燃放之前，記得查看天氣預報，強風天氣容易導致火災，應該避免在這類氣象條件下燃放煙花；當點燃管狀煙花後，如果沒有順利引燃，千萬不要用眼睛直視煙花的噴出口；最後，
將煙花外包裝分解，再倒出火藥點燃的行為非常危險！每年都有因此受傷甚至失去生命的慘劇發生，我們一定要注意安全，嚴格遵守相關安全規定，珍愛生命與健康。
人們常用生如夏花來比喻短暫的美好，可是煙花卻比夏花還要易逝。星河如夢，煙花易冷，絢爛以後是什麼卻很難確定。電視劇中的煙花設計師就曾經擁有很多，在最後卻都蕩然一空。我們的生活和煙花也有相似之處，既要追求煙花綻放時的閃耀，但也記得要走好生產存放中不起眼的每一步，否則，絢爛的下一秒很可能就是煙消雲散。
參考文獻：
1. Blue Flame Pyrotechnic Compositions: A Concise Review
http://www.jpyro.co.uk/?p=1148
2. Why you don't see brilliantly blue fireworks
https://www.businessinsider.com/fireworks-blue-pyrotechnics-chemical-hard-make-2019-7
3. Red, white but rarely blue – the science of fireworks colors, explained
https://theconversation.com/red-white-but-rarely-blue-the-science-of-fireworks-colors-explained-119284
4. The Evolution of Fireworks
https://web.archive.org/web/20160106154801/https://ssec.si.edu/stemvisions-blog/evolution-fireworks
5. Why Blue Fireworks Are Hard to Make, According to Science
https://www.inverse.com/article/33623-blue-fireworks
