花火は何千年もの間打ち上げられてきました。華やかな模様や衝撃的な効果音はどのようにして実現されているのでしょうか？

制作：中国科学普及協会

著者: 李震 (中国科学院長春光学・精密機械物理研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

私の国では花火は長い歴史を持っています。古代人は「東風が夜に何千もの花を吹き、星の雨のように吹き飛ばす」といった生き生きとした詩を使って花火の素晴らしさを表現しました。

最近では、大きなイベントや重要な祭りを祝うために花火を打ち上げる人もいます。花火が打ち上げられるたびに、視覚と感情の二重の饗宴が生まれます。

花火を見る人々

（写真提供：Veer Gallery）

実は、これらの華やかな模様や刻々と変化するサウンド効果はすべて事前にデザインされ、テクノロジーによって実現されているのです。今日は花火のデザインにまつわる科学的な知識について学びましょう。

私の国で花火が初めて登場したのは唐の時代です！

花火の歴史は、花火が悪霊を追い払い、幸運を祈るために使われていた、西暦9世紀の唐の時代まで遡ります。宋代になると、花火は徐々に祭りや娯楽の場へと移り、花火を作る技術も発達し始めました。花火の形態も単純な爆竹に留まらず、様々な形や色彩豊かな花火が登場するようになりました。明・清の時代には花火の技術がさらに向上し、花火は次第に王族や貴族の祝賀行事の重要な一部となっていった。春節や元宵節などのお祭りでも広く使われていました。

花火の技術が発展するにつれ、花火は徐々に世界各地に広まり、世界的な祭りや祝賀行事のハイライトとなりました。花火は中国の伝統的な祝祭から世界の舞台へと移り、歴史的文化と現代技術が融合した素晴らしい芸術となりました。

ボヘミアの芸術家ヴァーツラフ・ホラーの版画「エルミセウムの花火」

（制作年：1625年頃～1677年頃）

（画像提供：メトロポリタン美術館）

現代の花火はどのようにして様々な形に咲くのでしょうか？

現代の花火は、爆発したときにさまざまな美しい形を正確に作り出すことができます。これらの形状は花火の炸薬や星の配置を精密に計算し設計することで生み出されます。星は、さまざまな金属塩、酸化剤、火薬などから構成される小さな粒子であり、花火が開花するときの形と色を決定します。それぞれの星の生成には、爆発したときに望ましい効果が得られるように正確な化学比率が必要です。したがって、星は壮大な花火のパフォーマンスの源であるだけでなく、花火芸術の真髄でもあります。花火が空に打ち上げられると、火薬の爆発によって発生する推力によって星があらかじめ設計された方向に押し出され、星が四方八方に広がり、空中にさまざまな美しい模様が現れます。

例えば、火薬袋を正確に配置し、遅延導火線をセットすることで、花火は空中で爆発し、まるで夜空に美しい絵を描くかのように、星や花などの幻想的な模様を描くことができます。

花火の打ち上げ方3つ

(画像出典: Wikipedia)

花火の中には火薬を動力として使い、空飛ぶ星のように空中で回転し、ダイナミックな視覚体験をもたらすものもあります。花火は流れ星のように夜空を横切り、一瞬にして空全体を照らしました。花火の形状設計や点火タイミングは、芸術家の手にある絵筆のように、夜空の動きのある絵を描き出すようなものです。

花火の内部配置

(画像出典: Wikipedia)

鮮やかな色彩はどのようにして実現されるのでしょうか?

花火はその鮮やかな色彩から古来より愛されてきました。これらの色はランダムに生成されるのではなく、炎色反応と呼ばれる物理現象から生じます。

夜空に鮮やかな色が咲くのは、金属原子が炎の中で踊っているからです。具体的には、さまざまな金属元素が炎で加熱されると、金属原子内の電子が熱を吸収し、ジャンプするエルフのようにより高いエネルギーレベルにジャンプします。温度が下がると、電子は高エネルギーレベルから低エネルギーレベルにジャンプしてエネルギーを放出し、それがさまざまな波長の光の形で現れます。光の波長の違いは人間の目には異なる色として映り、花火の色はこの反応によって生み出されます。

一般的な金属の炎色反応

（写真提供：サイエンスハット）

異なる色の花火を製作す​​るために、花火デザイナーは花火に異なる金属または金属塩を加えます。例えば、紫色を作るにはカリウム塩を加え、黄色を作るにはナトリウム塩を加えるなどです。特殊な花火の中には、火薬の燃焼順序や金属塩の空間的位置を制御して、時間の経過とともに異なる色やグラデーションカラーに変化する花火を製作す​​るものもあります。

同時に、花火の設計者は、温度と燃焼速度を制御するために火薬の配合を調整する必要もあります。温度が高くなるほど、金属元素の励起が強くなり、色が明るくなります。薬剤に含まれる酸化剤と燃料の成分も炎の色に影響を与えます。したがって、花火の色は単なる物理現象ではなく、物理学と化学の精密な融合による芸術的な結晶なのです。

花火が爆発した後の美しい色彩

（写真提供：veerフォトギャラリー）

花火が爆発するときの高音や低音の効果音もデザインできますか？

今日では、花火大会は視覚効果に限定されず、音も花火芸術の重要な部分となっています。大規模なお祭りや花火大会では、音と映像が同期されることが多く、素晴らしい視覚的、聴覚的体験が生まれます。

花火の音は主に火薬の爆発によって発生します。火薬が爆発すると大量のガスが放出され、爆発の瞬間にガスが激しく膨張して外側に伝播する圧力波が発生します。湖に落ちた巨大な水滴のように、それが巻き起こす波は瞬く間に四方八方に広がります。私たちが聞く「ドカーン」という音は、突然の気圧の劇的な変化によって発生します。

現代の花火は、火薬内の金属塩やその他の化学成分の比率を調整して爆発中に発生するガスの膨張速度と圧力を変えることで、音程を制御できます。異なる金属塩（アルミニウム、バリウム、ジルコニウムなど）を使用することは、音符に異なる音色を追加するようなものです。燃焼反応の速度やガスの膨張方法に影響を与え、爆発の周波数を調整して高音または低音にすることができます。

花火のケースのデザインも音響効果に重要な役割を果たします。現代の花火の殻は通常、紙、アルミホイル、金属箔などの材料で作られています。デザインが異なると、音の伝播や音質に影響が出る可能性があります。たとえば、硬い殻（鋼鉄の殻など）は雷のような耳をつんざくような強い爆発音を発しますが、柔らかい殻（紙の殻など）は爆発音が鈍く低くなります。

現代の花火は単なる爆発や開花ではなく、奥深い科学的原理と洗練されたデザイン芸術が盛り込まれています。すべての花火大会は化学、物理学、芸術の完璧な組み合わせです。これらの科学的原理を理解することで、花火の美しさをより深く理解できるだけでなく、科学技術がもたらす無限の可能性を感じることができます。今後の花火大会では、きっとさらに豪華で、驚異的な視聴覚の饗宴が繰り広げられることでしょう。