山火事の煙の中を科学飛行機で飛ぶと何が起こるか

通常、飛行機に乗っていると、キャンプファイヤーの匂いは不快な刺激のリストの上位に挙げられます。しかし、2018年の夏、最新鋭のC-130に搭乗した山火事研究者にとって、それは甘美な科学の香りでした。数々の機器を積んだこのずんぐりとした貨物機は、西海岸を縦横に走る24もの山火事の煙の中を縦横に飛び回り、煙を吸い込み、データを吐き出しました。

ミッションは、山火事の煙の奇妙な変化を探求することです。科学者たちは、炎の風下で吸い込む煙の化学組成は、炎から直接噴出する煙とは劇的に異なる可能性があることを発見しています。これは、火災現場から数千マイル離れた場所に住む人々にとってさえ、山火事の煙が公衆衛生への脅威であると評価する方法に大きな影響を与える可能性があります。アメリカ海洋大気庁（NOAA）が今夏に行ったモデリングでは、西部で発生した歴史的に恐ろしい山火事は、煙を噴き出し、それが国中を漂っていたことが明らかになりました。

山火事の煙は、ガスと粒子の二つの成分で構成されています。ガスには一酸化炭素と二酸化炭素が含まれ、粒子は炭化した植物の微細な粒子です。山火事が激しく燃えると、その熱で空気が上昇し、この汚泥が大気圏上空まで運ばれ、風によって煙は数千マイルも吹き飛ばされることがあります。火災研究者の間では、発生源の煙は「新鮮」ですが、数時間後には「古くなった」煙と呼ばれます。煙は数日間大気圏に留まり、非常に古くなります。その間、ガスと粒子は互いに反応するだけでなく、太陽光や大気圏に既に存在するガスとも反応します。西海岸の山火事の煙が東海岸に到達する頃には、煙は根本的に変化しています。

その変化を真に特徴づけるには、大気サンプルを採取するための機器を満載した改造飛行機で山火事の煙の中を飛行する必要がある。「山火事で何が排出され、それが風下に向かってどのように変化するかを最も完全に把握するために、煙の中で考えられるあらゆるものを採取しようとしました」と、ワシントン大学の大気科学者ブレット・パーム氏は述べている。パーム氏は、この研究をまとめた新論文の筆頭著者であり、米国科学アカデミー紀要（Proceedings of the National Academy of the Sciences）に掲載された。

パーム氏と同僚たちは、7時間飛行を16回行う前に、それぞれ3時間かけて数十もの機器を校正した（常時電源が入っている一般的な研究室とは異なり、C-130を一晩中アイドル状態にして機器を稼働させ続けることはできない）。機器の中には有機ガスや無機ガスを採取するものもあれば、粒子を数えるものもあった。粒子による光の吸収を測定する機器もあった。さらに、山火事の煙の中を飛行する際に科学者たちが一酸化炭素を吸い込まないように、機内に一酸化炭素検出器も備えていた。

とはいえ、機内の空気は必ずしも新鮮とは言えなかった。「キャンプファイヤーの中を飛んでいるような匂いがしました」とパーム氏は言う。「目の前で反応が起こっているので、科学研究をする上で刺激的な方法です。しかも、大気中で起こっている反応をリアルタイムで測定できるんです。」

研究チームの発見を理解するには、まずガソリンと砂糖について話す必要がある。ガソリンを少し舗道に垂らすと、すぐに臭いがする。これはガソリンが非常に揮発性が高く、すぐに蒸発してしまうためだ。言い換えれば、ガソリンは凝縮したままでいたくないのだ。一方、テーブルの上のボウルに入った砂糖は揮発性がないため、凝縮したままになる。「テーブルシュガーが蒸発することについて、あまり心配する必要はありません」と、新論文の共著者であるワシントン大学の大気科学者ジョエル・ソーントン氏は言う。「時間が経つにつれて、はるかに粘着性が増し、揮発性が低くなる分子になります」。この場合の粘着性とは、分子が粘着性があるという意味だ。分子に酸素を多く取り込めば、結合が強くなり、揮発性が低くなる。

大気中には酸素が豊富に存在しています。ソーントン氏とパーム氏が発見したのは、山火事の煙に含まれる分子も、糖のように時間の経過とともに粘着性を持つようになり、いわば凝固するということです。より具体的には、煙には焼けた植物由来の炭素が含まれており、大気中で酸化されます。「このように炭素骨格に酸素が加わることで、大気中の分子は粘着性が高くなり、糖のように凝縮状態になりやすくなります」とソーントンは言います。

これは、一次粒子（山火事から直接飛来した物質）が化学反応によって煙の中で二次粒子を生成する可能性があることを意味します。研究チームは、分子量を計算する質量分析計と呼ばれる装置を用いて、航空機内でこの現象を測定することができました。山火事の煙には、おそらく数万種類の有機化合物が含まれています。例えば、水素、炭素、酸素からなるフェノール類です。大気中では、これらのフェノール類は酸化され、より多くの酸素を吸収して粘着性を高め、時間の経過とともに粒子へと成長します。

同時に、煙の柱は風下に向かって移動するにつれて薄まっていきます。一部の化合物は蒸発し、粒子状物質は柱から落ちて地面に降り注ぎます。「さらに、有機ガスが反応を起こして粒子状物質の相に加わることもあります」とパーム氏は言います。「つまり、風下に向かって運ばれる粒子状物質、つまり有機粒子の量に影響を与える、相反するプロセスが起こっているのです。」

つまり、煙は化学反応を通じて新たな粒子を拡散させると同時に蓄積しているのです。これは人間の呼吸器系の健康を考える上で重要です。なぜなら、山火事の煙に含まれる粒子状物質が肺の奥深くまで入り込むからです。研究者たちはどの粒子が最も懸念されるかを特定していませんが、科学者たちは山火事の煙が呼吸器系の健康に悪影響を及ぼすことを既に確信しています。特に懸念されているのは、PM 2.5（2.5ミクロン以下の粒子状物質）と呼ばれる粒子で、目や鼻に刺激を与え、既存の慢性的な心臓や肺の疾患を悪化させる可能性があります。PM 2.5には鉛やカドミウムなどの重金属固体や多環芳香族炭化水素が含まれている可能性があり、その一部はがんとの関連性が指摘されています。

新たな研究は、山火事の煙が風下に向かって移動するにつれて自然に消散するとは期待できないことを示しています。化学反応によって常に新しい粒子が形成され続けるからです。「化学的および物理的変化がいかに急速に起こっているかに少し驚きました」とパーム氏は言います。「高品質で革新的な計測機器によって、これまで測定できなかった多くの新しい化合物を測定できるようになったからです。」

では、なぜこれを知ることが重要なのでしょうか？それは、西海岸の山火事問題が今やアメリカ全体の問題となっているからです。山火事の現場付近では煙が薄まっていないため、煙はより危険ですが、それでも国中を横断して東海岸に降り注ぐ可能性があります。モデルは、煙がどこに行き着くか、そして特定の地域に実際にどれだけの煙が到達するかを示すことができます。しかし、科学者たちは、高品質で革新的な計測機器のおかげで、煙が時間の経過とともにどのように薄まるだけでなく、ある意味で成長するのかを探り始めたばかりです。「これらの結果は、シアトルやサンフランシスコなどの都市、さらには中西部や東海岸に運ばれる煙の量をより正確にモデル化するのに役立つはずです」とパーム氏は言います。「これは、良好な空気質をモデル化するか、中程度またはわずかに危険な空気質をモデル化するかの違いとなる可能性があります。」

毎回の飛行前に3時間かけて機器をセットアップするのは大変ですか？確かに大変です。しかし、科学者が研究室で山火事を忠実に再現し、その方法で煙を研究することは不可能です。あまりにも多くの変数が絡み合っています。火災がどのような植生（あるいは残念ながら、建物の数）を燃やしているのか、燃焼の強さによってどれだけの有機化合物が放出されるのか、霧などの天候によって煙の化学組成がさらに複雑になるのかなどです。これらとその他無数の要因が組み合わさって、「火災レジーム」、つまり特定の地形における山火事の燃え方パターンが生み出されます。

これはまた、今後他の煙突を通過する飛行で、煙の化学組成がそれぞれ異なることが発見されることを意味します。山火事はそれぞれが唯一無二のものです。「私には、彼らが研究の新たな道を開拓しているように見えます」と、この研究には関わっていない国立大気研究センターの大気化学者、レベッカ・ブッフホルツ氏は言います。「そして、他の年、他の時期、そしておそらく世界中の他の場所の火災を調査し、彼らの結果が様々な火災状況においてどれほど一貫しているかを見るのは非常に興味深いでしょう。」

例えば、オーストラリアの山火事は、カリフォルニアの山火事とは全く異なる地形を焼き尽くしています。「植生の種類によって、様々な化合物や粒子、ガスの排出比率が異なります」とブッフホルツ氏は付け加えます。「例えば、草原からの排出量は森林からの排出量とは大きく異なるでしょう。」

排出物、特に大量の炭素は、もちろん気候変動に影響を与えます。しかし、より微妙な点として、山火事の煙は光、特に「ブラウンカーボン」と呼ばれる有機化合物と相互作用し、可視光を吸収するため、煙が茶色く見えることがあります。この煙雲は暗いため、太陽エネルギーをより多く吸収し、空を暖めます。一方、煙が明るい場合は、より多くの光を反射・散乱し、空を冷やします。これらすべてが、短期的には地域の気象に、そして長期的には気候に影響を及ぼす可能性があります。

「気候への影響という観点から、どちらがより重要なのかという議論が盛んに行われています。散乱が吸収を上回っているのか、それとも吸収が散乱を上回っているのか、です」とブッフホルツ氏は問いかける。「光を吸収することの重要性は、気候に影響を与える可能性があるということです。下流で希釈されるにつれて、その吸収特性は薄まりますが、それでも非常に重要であり、定量化する必要があります。」気候変動の影響は、より激しく燃え、より広い面積を黒焦げにする過熱した山火事という形で既に現れていることを考えると、これは特に重要です。

ソーントン氏とパーム氏の新たな研究は、午後の煙の柱を対象に行われました。彼らは次に、夜間飛行を実施したいと考えています。これにより、煙が徐々に薄れていく中で、柱全体で発生する無数の化学反応における太陽エネルギーの役割をより深く理解できるようになります。

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