Zdecydowanie nie jesteśmy fanami fajerwerków i petard. Straszą zwierzęta, powodują urazy dłoni, wywołują pożary, pozostawiają po sobie odpady, a podczas spalania uwalniają pyły i związki chemiczne pogarszające jakość powietrza. Jednak o ile geologia bez fajerwerków poradzi sobie doskonale, o tyle fajerwerki bez geologii już nie. Pierwiastki wykorzystywane w pirotechnice pozyskuje się bowiem z surowców mineralnych.
Typowa mieszanina pirotechniczna zawiera utleniacz, paliwo, substancję wiążącą oraz składniki odpowiadające za barwę i rodzaj efektu. Tradycyjny proch czarny składa się z azotanu potasu, węgla drzewnego i siarki. Współczesne fajerwerki wykorzystują również chlorany i nadchlorany, sproszkowane metale oraz sole różnych pierwiastków.
Za barwy odpowiadają przede wszystkim jony metali. Pod wpływem wysokiej temperatury ich elektrony przechodzą na wyższe poziomy energetyczne. Powracając do stanu podstawowego, emitują energię w postaci światła o charakterystycznej długości fali. To właśnie dlatego poszczególne pierwiastki nadają płomieniom określone kolory.
Czerwoną barwę uzyskuje się dzięki związkom strontu, najczęściej jego azotanowi lub węglanowi. Głównym surowcem mineralnym do produkcji strontu jest celestyn, czyli siarczan strontu. Intensywnie karminowe światło mogą dawać także związki litu, ale są stosowane znacznie rzadziej.
Żółta barwa jest efektem obecności związków sodu. Pierwiastek ten pozyskuje się przede wszystkim z halitu, czyli soli kamiennej, jednak do mieszanin pirotechnicznych nie wsypuje się zazwyczaj zwykłej soli kuchennej. Stosuje się odpowiednio przygotowane związki sodu, których emisja świetlna jest tak intensywna, że nawet niewielka domieszka może zdominować inne kolory.
Zieleń powstaje dzięki związkom baru, zwłaszcza azotanowi baru. Najważniejszym surowcem do otrzymywania tego pierwiastka jest baryt, czyli siarczan baru. Znacznie rzadszym minerałem baru jest witeryt.
Niebieskie światło wytwarzają związki miedzi, często działające w obecności chloru. Miedź pozyskuje się z rud zawierających między innymi chalkopiryt, chalkozyn, kowelin i bornit. Uzyskanie czystej, intensywnie niebieskiej barwy jest trudne, ponieważ związki miedzi są wrażliwe na temperaturę: zbyt niska nie zapewnia odpowiedniej emisji, a zbyt wysoka może zniszczyć związki odpowiedzialne za kolor.
Pomarańczową barwę dają związki wapnia, natomiast odcienie fioletowe można otrzymać przez połączenie emisji czerwonej, pochodzącej od strontu, z niebieską, wytwarzaną przez miedź.
Za jaskrawe błyski i srebrzystobiałe światło odpowiadają sproszkowane metale, przede wszystkim glin i magnez, a także tytan i cyrkon. Glin otrzymuje się głównie z boksytów, magnez między innymi z magnezytu, dolomitu i karnalitu, natomiast najważniejszymi surowcami tytanu są ilmenit i rutyl.
Srebrne iskry mogą powstawać podczas spalania glinu, magnezu lub tytanu. Złote i pomarańczowe iskry zapewniają drobiny żelaza, stopów żelaza albo węgla drzewnego. Surowcami żelaza są przede wszystkim hematyt i magnetyt. Migotanie i efekty brokatowe można uzyskać za pomocą odpowiednich mieszanin zawierających między innymi siarczek antymonu. Podstawowym minerałem, z którego pozyskuje się antymon, jest antymonit.
Zależność pomiędzy minerałem a efektem pirotechnicznym nie jest jednak bezpośrednia. Do rakiety nie trafiają kawałki celestynu, barytu, chalkopirytu czy boksytu. Z wydobytych rud otrzymuje się metale albo oczyszczone związki chemiczne, z których dopiero przygotowuje się mieszaniny pirotechniczne.
Fajerwerki wyrzucają w powietrze swoistą część układu okresowego. Powstający po pokazach smog fajerwerkowy zawiera pyły PM10 i PM2,5, sadzę, związki siarki i chloru oraz cząstki z udziałem potasu, glinu, magnezu, baru, strontu, miedzi, tytanu, cynku i innych pierwiastków. Skład zanieczyszczeń zależy od rodzaju użytej pirotechniki, wielkości pokazu oraz jakości produktów.
Według oszacowania naukowców z Akademii Nauk Republiki Czeskiej, opartego na sprzedaży i zużyciu pirotechniki w Czechach, w ciągu roku może być w ten sposób uwalnianych około 12,5 tony magnezu, 10,5 tony baru, 1,2 tony rubidu, tona strontu, 0,8 tony tytanu i około 0,5 tony miedzi. Nie są to jednak wartości globalne ani uniwersalne – odnoszą się do konkretnego rynku i opierają się na szacunkowym składzie sprzedawanych produktów.
Badania przeprowadzone w austriackiej miejscowości po sylwestrowych pokazach wykazały nawet kilkusetkrotny wzrost zawartości baru w świeżym śniegu. W wielu miastach obserwowano również gwałtowne, choć zazwyczaj krótkotrwałe skoki stężenia pyłów oraz pierwiastków charakterystycznych dla pirotechniki, takich jak stront, miedź, glin i potas.
Najdrobniejsze cząstki mogą wnikać głęboko do układu oddechowego, a część z nich także do krwiobiegu. Szczególnie narażone są dzieci, osoby starsze oraz chorujące na astmę i inne schorzenia układu oddechowego lub krążenia. Po opadnięciu pyły i pozostałości niespalonych mieszanin trafiają do gleby i wód. Czas utrzymywania się zanieczyszczeń w powietrzu zależy przede wszystkim od pogody, siły wiatru, opadów i ukształtowania terenu.
Fajerwerki są więc nie tylko widowiskiem świetlnym. To także krótki, intensywny eksperyment chemiczny przeprowadzany nad całymi miastami, ale bez laboratoryjnego wyciągu.
Przeczytaj także:
- Chłód z głębin jeziora. Jak Toronto wykorzystuje geologię do klimatyzacji całego miasta?
- Czy można wydobywać metale za pomocą roślin? Niezwykły świat fitogórnictwa
- Arsen w studni. Jak geologia Bangladeszu doprowadziła do największego, masowego zatrucia w historii
- Jak skamieniałość sprzed 300 milionów lat pomogła stworzyć filmowego Obcego?
- Jak okiem sięgnąć… ale ile to właściwie jest? Jak daleko jest widnokrąg?
