サンフランシスコ・ベイエリアでは、 2週間前に発生した異常な雷雨によって引き起こされた数十件もの大規模火災の煙に悩まされています。これまでに140万エーカー（約5400平方キロメートル）以上が焼失しています。しかし、これはサンフランシスコだけの問題ではありません。カリフォルニア州の火災嵐は大量の煙を噴き出し、アメリカ全土に漂い、東海岸では少量ずつ降下し、大西洋上に堆積しています。
科学者たちは、アメリカ海洋大気庁（NOAA）の実験モデル「HRRR-Smoke」（ハー）を使って、この煙が48時間前にどこへ到達するかを予測しています。このモデルは、山火事の煙霧に覆われた国土の、美しくも憂慮すべき地図を描き出しています。こちらの煙霧地図を開いて、その背後にある巧妙な科学的根拠を解説しましょう。
HRRR-Smokeは、赤外線衛星データのストリームを解析することから始まり、米国全土で発生した熱異常、つまり地域全体で発生した火災を探します。（地図左側のメニューで「火災検知」をクリックすると、カリフォルニア州で火災が発生している場所を確認できます。）HRRRの優れた点は、煙の正確な位置を衛星に頼るのではなく、火災の位置だけを把握することです。代わりに、高度な気象モデル（気温、風、水蒸気、降水量の変化）に基づいて、煙が最終的にどこに到達するかを予測します。
気象モデルを、虫除けの網戸のように、100枚の重なり合った網戸を空に積み上げたものと考えてみてください。これらの重なりによって、積み重なった網戸のさまざまなレベルに何千もの交差点が生まれます。「これらの網戸の小さな交差点の一つ一つで、どれだけの変化があるかという方程式を解いているのです」と、NOAA地球システム研究所の上級気象モデル科学者であり、HRRR開発部門のリーダーであるスタン・ベンジャミン氏は言います。「これらすべてをまとめて、大気のさまざまな側面、そして実際には地球システムの一部がどのように互いに影響し合っているかを見るには、膨大な計算が必要です。」
全米に広がる垂直統合型の煙の可視化。赤は煙量が多い、青は煙量が少ない。
NOAA提供HRRR煙マップをご覧になっている場合は、同じ左側のメニューで「地表付近の煙」をクリックしてください。すると、地表から約8メートルの高さの煙の濃度が、マップの右上に水色から紫色のカラースケールで表示されます。ご想像のとおり、カリフォルニア州は現在、煙のもやに覆われています。紫と赤は恐ろしいほどひどい状態、水色は1立方メートルあたりのマイクログラム単位で測定された比較的低い濃度を示しています。しかし、米国全体にズームアウトすると、煙が国中を横断してニューヨークに降り注いでいることがわかります。確かに微量ですが、確かに存在しています。
次に、マップメニューで「垂直統合煙」をクリックします。地上約8メートルの煙を測定するのではなく、アメリカの特定の場所で高さ25キロメートルの気柱がどのように見えるかをモデル化しています。（空に見える煙と、実際に呼吸している地表近くの煙を想像してみてください。）ご覧のとおり、このスケールでは煙が現在、国土の大部分を覆っています。
HRRRは、火災の赤外線強度を考慮し、火災がどれだけの煙を発生させているかを予測します。煙は、大気科学者が境界層と呼ぶ渦から発生します。「これは、国内のどこかで午後遅くに飛行機で着陸すると、衝撃を感じる層です」とベンジャミン氏は言います。「しかし、その空気の一部は境界層の上空で混合され、より強い水平風に遭遇します。」これにより、煙は西から東へと運ばれます。
ベンジャミン氏はさらに、「煙を含んだ空気が国中を移動すると、日中に起こる乱流混合によって下層に混ざり合います。そして、その一部が地表近くに再び現れているのです」と付け加えた。
「地表付近の煙」オプションに戻ると、実際に大気圏から落下して東海岸の地表に到達しているのは煙粒子のごく一部であることがわかります。つまり、ベイエリアの住民とは違い、ニューヨークやフィラデルフィアに住んでいるなら心配する必要はありません。「桁違いだよ」と、不運なカリフォルニア出身のベンジャミンは私に言いました。「君たちはまさに圧倒されているんだ」
HRRRはまだ実験段階ですが、気象学者や大気科学者にとって急速に重要なツールとなっています。なぜなら、これまで誰もこのような煙雲を予測できなかったからです。これまで研究者は、煙の現在位置を知るために衛星画像を見ることしかできませんでした。「これは、目に見える煙が実際にどこから来ているのか、そしてどのような予測が可能なのかを教えてくれる、まさに初めての情報源です」と、コロラド大学ボルダー校環境科学共同研究所の大気科学者、ヨースト・デ・ガウ氏は述べています。
この経験がデ・ゴウ氏の実験計画の助けになった。彼は航空機から大気を測定し、煙が空気中を移動する過程でどのように化学的に変化するかを研究している。煙の方向が分かれば、サンプルを採取する場所も分かる。「煙といえば、たいていの人は煙の粒子を思い浮かべます」とデ・ゴウ氏は言う。「しかし、煙には多くのガスも伴っており、その多くは反応性が非常に高く、数時間単位で変化するのです。」
カリフォルニアで発生する煙は、東海岸で降る煙とは化学的に異なります。「その化学反応は重要です。なぜなら、地上オゾンを形成できるからです」とデ・ガウ氏は言います。これは暑い時にも発生する汚染物質で、呼吸器系疾患のある人にとって熱波が危険な原因の一つとなっています。熱波は気道を収縮させるからです。「さらに、これらの反応によってさらに多くの粒子が形成され、既存の粒子の組成が変化する可能性があります」とデ・ガウ氏は続けます。「ですから、私たちはその化学反応を理解しようとしています。」
しかし、東海岸ではパニックになる必要はありません。これらの州に降り注ぐ微量の煙は化学的に大きく変化しており、大気質問題を引き起こす可能性は低くなっています。「これらの煙柱は長距離を移動します」とデ・ガウ氏は言います。「地球を一周したという記録もあると思います。しかし、その過程で化学的に変化するため、反応性の高いガスはすべて消失していくのです。その結果、排出される煙の反応性は低下し、低地の大気質への影響も少なくなります。」
気象学者もHRRRを使って山火事の煙がどこへ行き着くかを予測し、住民がそれに応じた計画を立てられるようにしています。しかし、予測できる範囲には限界があります。「大気汚染は、本当に（絶望的に複雑とは言いたくありませんが）微小な循環や渦が地形だけでなく、建物などの周囲にも発生するため、常に追跡するのが最も難しいと言えるでしょう」と、HRRRを使用するNBCベイエリアの気象学者ロブ・マエダ氏は言います。「大陸全体のモデルを使って自分の住む通りを拡大しても、おそらく役に立ちません。しかし、強い海風や気圧の谷が西海岸に向かって来るといった全体的なパターンは示してくれます。これはかなりはっきりとわかるはずです。」
より地域的に多くのデータを収集できれば、科学者はより詳細なスケールで煙害をモデル化できるようになります。しかし、現時点では、これだけは明白です。ベイエリアは前例のない危機に瀕しており、肺を侵す感染症である新型コロナウイルス感染症（COVID-19）のパンデミックのさなか、2週間にわたりほぼ絶え間なく煙に覆われています。公衆衛生上の予測は暗いものになりつつあります。
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