花火はどうしていろんな色が出るの？

仕組みの科学

花火の色は化学と物理が織りなす現象だ。金属原子は原子核のまわりに電子をもち、電子は決まったエネルギーの階段（軌道）上にだけ存在できる。花火が燃えて高温になると、金属原子の電子は熱エネルギーを受けて高いエネルギー準位へ跳ね上がる（励起）。しかし励起状態は不安定なため、電子はすぐに元の低いエネルギー準位へ戻ろうとする。その落差にあたるエネルギーが光として放出される。この落差は金属元素ごとに固有の値をとるため、放出される光の波長も金属ごとに決まる。ストロンチウムは約600〜700ナノメートル付近の赤、バリウムは500〜550ナノメートル付近の黄緑、銅は500ナノメートル前後の青緑、ナトリウムは589ナノメートルの黄という具合だ。花火職人は、これらの金属化合物を発色剤として選び、酸化剤・可燃剤とともに粉末を練って直径数ミリから数センチの「星」に成形する。星の並べ方が花の形を決め、星の中身の配合が花の色を決めるのだ。花火は化学式そのものが夜空にひろがっている、と言ってもよい。

歴史と発見

花火の起源は中国の火薬技術にさかのぼり、日本では江戸時代に将軍徳川家康が観覧したという記録が知られる。当初の花火は硝石と木炭が燃えるオレンジや金色が主で、色のバリエーションは乏しかった。花火の色が飛躍的に豊かになったのは、十九世紀のヨーロッパで塩素酸カリウムなどの強力な酸化剤が発明され、金属化合物の炎色反応を安定して引き出せるようになってからだ。日本の花火職人も明治以降に西洋の化学薬剤を取り入れ、独自の表現を発達させてきた。北海道科学大学の解説は、打ち上げ花火の色を担うのが玉の中に詰められた「星」と呼ばれる火薬の粒であることを説明している。星にどの金属化合物を練り込み、どの順で層を重ねるかによって、開いたあとに見える色とその移り変わりが決まる。炎色反応そのものは十九世紀にドイツの化学者ブンゼンとキルヒホフによって体系的に研究され、金属元素ごとの発光波長が精密に測定された。これは後に分光分析法として天文学や化学分析に応用され、太陽や星の元素組成の解明にも用いられている。花火の色を突き詰める職人技と、宇宙の元素を読み解く科学技術が、同じ炎色反応でつながっているのは面白い。

もう一歩先

花火の色を科学の目で見ると、視覚と技術と環境の交差点にあることがわかる。青色の花火が「世界屈指難しい」と言われるのは、青色発光に必要な銅化合物が高温で安定に発色させにくく、温度が高すぎても低すぎても青が濁ってしまうためだ。職人は星の配合と燃焼速度をミリ秒単位で調整し、理想的な発色を追求する。近年は環境負荷への関心も高まり、過塩素酸塩の使用量を減らす低公害花火の研究や、煙の少ないLED花火・ドローンショーとの共演も進んでいる。ただしLEDやドローンは炎色反応の圧倒的な明るさや広がりを完全には再現できず、大玉花火ならではの迫力は依然として化学の力による部分が大きい。学術的には、花火は燃焼化学・分光学・材料工学が集約された総合技術と位置づけられる。また、花火の色と観覧者の感情を結びつける研究や、伝統芸能としての花火文化の継承も文化人類学の対象になっている。夜空に上がる一発の花火の裏側には、原子から歴史・環境問題までを貫く長大な連鎖がある。次に花火を見上げるとき、色を決めているのが金属だと思い出せば、夜空の見え方がすこし変わるはずだ。