ベイルートの致命的な爆発の悲劇的な物理学

2020年8月4日、ベイルート中心部に巨大な爆発が襲い、壊滅的な被害をもたらしました。そして、火球の映像がほぼ瞬く間に世界中に広がりました。ベイルートの桟橋の端にある小さな倉庫のそばの花火保管エリアで発生した爆発の詳細が、今、少しずつ明らかになりつつあります。世界は最終的な死傷者数、被害額、そして被害額の発表を待ち望んでいます。しかし、ある意味では、世界は既に何が起こるかある程度予想していると言えるでしょう。なぜなら、同様の爆発は過去にも発生しているからです。

爆発に伴う傷害や外傷のパターンに関する研究で博士号を持つ生物医学エンジニアとして、偶発的な爆発から情報を収集することは私の日々の仕事の一部です。より日常的な爆発がこれほどの規模になることは稀ですが、物理学と化学の原理は同じように適用されます。科学と歴史上のいくつかの事例研究に基づいて、今回の爆発についても予備的な計算を行い、その謎を解き明かしたいと思います。

1917年、ノバスコシア州ハリファックス港で、600万ポンドもの様々な高性能爆薬が偶発的に爆発し、広範囲に及ぶ残骸を残しました。少なくとも火曜日までは、人類が引き起こした非核爆発としては最大のものでした。この記録に挑む可能性もあるベイルートについて、私たちがより深く知るにつれ、ハリファックスの物語は、その後に起こったトラウマについて私たちが何を学べるかを示唆しています。そして、現代の携帯電話の動画や、それから1世紀の間に科学者たちが蓄積してきた爆発物理学は、なぜそのようなトラウマのパターンが、そのような形で発生したのかを物語っています。

硝酸アンモニウムの活発な化学

あらゆる火は分子の再配置であり、爆発は基本的に、超エネルギーを燃料とする狂乱へとターボチャージされた火である。不安定な構造は互いに原子を交換し、交換し合い、最終的にすべてが満足のいく取引に至り、よりリラックスした低エネルギー状態に至福の状態で落ち着く。まるで丘の麓にたどり着いた岩のように。しかし、その余剰エネルギーはどこかに放出されなければならない。キャンプファイヤーでは、空気中の酸素だけで化学反応がゆっくりと促進され、エネルギーは心地よいレベルの熱と光としてゆっくりと放出される。しかし、爆発においては、酸素という悪魔のような小さな扇動者が、このプロセスをオーバードライブへと駆り立てる。

爆発に関する初期の報告では、噴火を引き起こした建物に大量の硝酸アンモニウムが保管されていた可能性があることが明らかになった。硝酸アンモニウムは爆発性の化学物質で、肥料としては比較的無害な症状が現れるが、ロケット燃料としても実験されている。硝酸アンモニウムの致命的な爆発習性の鍵は酸素であり、過去 1 世紀に 47 件の大規模な硝酸アンモニウム爆発事故が起きていることを考えると、それが習性であることは否定できない。「アンモニウム」は 4 つの水素を持つ窒素原子で NH ₄ ^{+ と}表記されるが、「硝酸塩」の部分は窒素と 3 つの酸素で NO ₃ ^-と表記される。退屈な日常の状況下では、アンモニウムの^{+と硝酸塩の–}がこの 2 つの分子を無害な抱擁に引き寄せるが、十分な熱、または十分な量の燃える花火を加えると、分子は原子自体が少し活発になり、まったく新しいものに変化できることに気付く。

硝酸アンモニウムは肥料として製造される際、通常はこの反応を止める他の化学物質と混合されるが、2013年のウエスト肥料会社の爆発が証明したように、それらの化学物質が必ずしも効果的とは限らない。ベイルートからの最初の報告では、今回も肥料が原因の可能性が示唆された。しかし、ソーシャルメディアで共有された写真には、ベイルートの埠頭に保管されていると思われる「ニトロプリルHD」と書かれた袋が写っており、これらの写真が正確であれば、ニトロプリルは有名ブランドの爆破剤ニトロプリルの模造品ではないかと推測する人もいる。ニトロプリルは炭鉱で使用するために設計されているため、この特定の種類の硝酸アンモニウムは、肥料のように静音化化学物質と混合されたのではなく、むしろ爆発させるために混合されたと考えられる。

硝酸塩は、混ぜて空気を吹き込むと、小さな酸素原子（O）を放出しようとします。化学的に不安定なため、NとOの結合は不快なレベルの物理的緊張で振動します。3つの酸素原子を過剰に含むNO ₃ ^{- は}、隣の原子に酸素原子を押し付けたがります。そして、少しの熱で反応が促進されれば、喜んでそうします。一方、NH ₄ ^{+ は}喜んで受け入れます。

硝酸アンモニウムの化学的再配置は、煙の驚くべき赤い色の起源など、動画に関する多くの一般の疑問に答えるものだ。NO 3 が酸素をすべて放出すると、その副産物の 1 つが二酸化_{窒素になる。これは論理的に明らかな NO} 2の化学構造を持ち、濃い血のような赤色に見える。多くの爆発物は爆発時に色調や色合いを発し、それによって化学組成がわかる。煙と爆発の両方に色を付ける化学添加物は 1920 年代以前から存在し、さまざまな色の花火や信号弾が作られるのはそのためだ。そして、硝酸アンモニウムの爆発に特徴的な不吉な血のような色調を与えるのも二酸化窒素だ。小規模の爆発は微妙でオレンジ色に見えるが、ベイルートのような大規模な爆発では、日光の影響で色合いが深まる。

アルコール・タバコ・火器及び爆発物取締局の特別捜査官で爆発物認定スペシャリストのブラッド・ウォイティラク氏によると、煙の柱が大きくなると太陽光を捉え始め、屈折により爆発で通常生じる色が暗くなるという。ウォイティラク氏はベイルートの捜査には直接関わっていないが、爆発事故の捜査で16年の経験を持つ。彼によると、太陽光が汚染物質の雲の中で跳ね回ると、あまり特定されない他の波長がさまざまな方向に屈折する。これほど大規模な煙の柱が発生すると、最長波長の赤色だけが反対側から見る人までずっと届く。そのため、自然な赤みがかった色は、小さな爆発の場合よりもさらに深く、鮮やかで、暗くなる。

軍用兵器に使用される他の爆発物と同様に、純粋に燃焼した爆発物は、同様に純粋に見える煙を発生します。雪のように白い煙、渦巻く白い煙、あるいは時には淡い灰色の煙です。しかし、偶発的な爆発ははるかに不自然で、不規則な燃焼によって灰、微粒子、そして黒く焦げた汚染物質も発生します。この黒い汚れは他の副産物と共に空高く舞い上がり、煙の柱を、焚き火の薪のより燃えやすい部分が燃え尽きた後に残る炭の残骸のように、黒く変色させます。爆発の専門家にとって、ベイルートの埠頭上空に渦巻く黒と赤の煙霧を映した動画は、「硝酸アンモニウム」を象徴するものです。

衝撃波ではない

動画には、爆発現場から外側へ広がる、不気味なほど均一な白い半球状の物体も映っている。この半球状の物体は、やがて撮影中の全員に向かって突進し、衝撃音とともにその到達を音声で知らせる。この半球状の物体こそが、爆発によって発生した圧力波である。

いいえ、衝撃波ではありません。圧力波です。この重要な違いが、予想される死傷者数に影響します。衝撃波は、文字通りゼロ秒でゼロ圧力から最大圧力まで変化します。圧力波の衝撃は、急な崖を転がり落ちた後に地面にぶつかるような感じで、衝撃波の力は、空中を落下して終端速度に達した後に地面にぶつかるような感じになります。高性能爆薬は衝撃波を発生させますが、硝酸アンモニウムのような低爆薬は圧力波を発生させます。圧力波は形状が少し傾斜しており、一定時間にわたって圧力がより緩やかに上昇します。

衝撃波は、その興味深く複雑な物理学のため、音速よりも速く伝わり、圧力波よりもはるかに大きな被害をもたらします。幸いなことに、水蒸気で満たされた白いドームの速度を測定できるため、今回の爆発では衝撃波が発生しなかったことが分かっています。

空気中の音速は秒速343メートルです。ガーディアン紙が投稿したベイルートの動画の一つを、撮影場所であるラ・メスカレリア・ルーフトップ・バーの屋上テラスまで追跡し、爆発の中心から885メートルの距離を測りました。そこから見ると、圧力波が爆発の中心からまず桟橋の端と長く巨大な灰色の穀物サイロの端の中間地点まで151メートル進み、さらに桟橋の端まで262メートル進み、最終的にラ・メスカレリアまで伝わっていく様子がはっきりと分かります。

映像に映るこれらのランドマークに圧力波が到達する時間を計測することで、桟橋を燃え盛る炎が轟音とともに落下していく様子を捉え、その速度は秒速わずか312メートルだったことが分かります。これは爆弾としては遅い速度です。そして、衝撃音と大混乱がかつては静かで絵のように美しい屋外バーに到達した時には、速度は最大で秒速289メートルまで低下していました。音速343メートルよりも遅い圧力波は、破壊、恐怖、混乱、割れたガラス、引き裂かれた平面、そして急激な圧力変動に耳を塞がれた見物人に方向感覚の喪失をもたらしました。しかし、衝撃波であれば、見物人が肺損傷で倒れる可能性もあったのです。

1917年のハリファックス爆発では、爆発による600万ポンドの損害が出た。衝撃波がダウンタウンを伝播し、爆発中心から1.5マイル（約2.4キロメートル）の範囲に死者を出し、推定1,950人が死亡、8,000人が重傷を負った。（港で爆発した船舶は高性能爆薬を積んでいたことが知られており、高性能爆薬は性質上、必ず衝撃波を発生させる。）ベイルートでは、幸いなことに、建物への被害は最大5.6マイル（約8.1キロメートル）離れた場所まで報告されているものの、低爆薬の硝酸アンモニウムが衝撃波ではなく圧力波を発生させたため、爆発の規模はハリファックスの爆弾よりも大きかった可能性が高いにもかかわらず、死者数は依然として数百人と推定されている。

現代の技術のおかげで、より完全な情報が少しずつ明らかになるのを待つ間も、クレーターの大きさを使って爆薬の規模を科学的に計算することが可能です。桟橋の航空写真を分析すると、直径120～140メートルのクレーターが見つかります。爆発の物理学と歴史を合わせると、地球の側面からその大きさの塊を削り取るには、TNT火薬170万～540万キログラム（メートル法への換算をためらうアメリカ人のために言っておくと、380万～1180万ポンド）に相当する爆薬が必要になります。参考までに、1995年にオクラホマシティのマラービルが爆破された際には、TNT火薬1800キログラムに相当する爆薬が使用されました。つまり、ベイルートの爆発は、オクラホマシティの少なくとも1000倍の規模だったということです。

余談ですが、核兵器は地上数百フィートの高さで爆発するように設計されているため、地面に直接クレーターを作るほどの威力は及ぼしません。広島上空で最初の核兵器が爆発したのは、ほぼ75年前の今日でした。街と住民にとって歴史上前例のないトラウマであったにもかかわらず、クレーターは残っていません。

ドイツも、不適切に保管された硝酸アンモニウムの破壊力を知っており、同国で起きた事故は、爆薬量の計算を裏付けている。1921年、ドイツのオッパウで肥料の爆発が起こり、驚くほどよく似たクレーターができた。410万キロの硝酸アンモニウムが爆発した後にできた直径120メートルのオッパウのクレーターの大きさは、初期の報告ではわずか2,750トン（275万キログラム）しか保管されていなかったベイルート埠頭に、さらに数百万キログラムの爆薬が保管されていた可能性があるという考えを裏付けている。しかし、その2,750トンだけを使っても、ウォイティラク特別捜査官は、予備的な計算では、大虐殺の危険を逃れるには、ベイルート埠頭から少なくとも15キロ離れる必要があったことが示されていると述べている。

中心街で爆発が起こった場合、その半径内での負傷は、被害者の程度によって様々ですが、その多くはガラスなどの飛来物によるものと考えられます。平らで繊細、割れやすく、大きな板状に敷き詰められたガラスは、たとえ微弱な爆風であっても、他の物質よりも容易に粉々に砕け散り、飛び散ります。

ハリファックスでは、最終的に主爆発を引き起こした火災のため、爆弾が爆発した瞬間、市民は既に窓辺に陣取ってその興奮を見守っていました。その結果、1917年のあの朝に負傷した人々の中には、割れたガラスが目に入り込んで負傷した人が「非常に多かった」とされています。花火保管庫の事故と、そこから立ち上る恐ろしい煙は、ベイルートにも同様に多くの見物人を招きました。煙が目撃者を引き寄せていなければ、これほど多くの携帯電話の映像は残っていなかったでしょうし、負傷者も少なかったかもしれません。

爆発後

ハリファックス爆発は、デューク大学病院救急医のダン・バックランド氏によると、現在でも多数の死傷者が出た事件後の救急室で起きているのと同じ一連の出来事を引き起こした。バックランド氏は、2019年にノースカロライナ州ダーラムで起きた天然ガス爆発の負傷者を治療した。爆発の規模ははるかに小規模だったが、人口密集地で発生した。バックランド氏によると、患者の第一波は、救急サービスの近くにいた人々、つまり不運にも負傷したが救急車の近くで負傷できた幸運な人々だという。その後、病院には「歩行可能な負傷者」、つまり医療を求めるほど負傷しているが自力で移動できるほど無傷の人々が殺到する。バックランド氏によると、生存者数を増やす鍵は、この第二波の群衆をかき分けて第三波の患者を病院に搬送することだ。第三波は、現場の中心部にいて歩行できないほど負傷した人々で、瓦礫の中を捜索する救急隊員が次に医療的に優先させる。

民間地域での爆発の後、英雄となるのは緊急対応要員だけではない。1917年12月6日午前9時過ぎ、ハリファックス。口ひげを生やした45歳の列車指令係、ヴィンセント・コールマンは、ハリファックス港に停泊中の爆発物を積んだ船から立ち上る煙が、これから起こる最悪の事態の恐ろしい前兆であることを悟った。しかし、他の指令係たちが命からがら逃げ惑う中、コールマンはハリファックスに今にも到着しそうな列車の乗客の多さに気づき、最後の電報を送るまで留まった。「列車を止めろ。軍需船が炎上し、埠頭6へ向かっている…さようなら、諸君」コールマンは午前9時5分の爆発で亡くなったが、彼の最後のメッセージは何千人もの命を救った。破壊地帯に入る前に停止できた列車の乗客だけでなく、ハリファックスに既にいた住民も救ったのだ。電報信号は周辺地域のすべての通信事業者に届き、コールマンの機転のおかげで、地響きを感じた医師たちは最大160キロ離れた場所まで、ほぼ即座に状況を把握することができた。彼らは救助に駆けつけた。

医療従事者たちは、第一波、第二波、そして第三波の負傷者を可能な限り迅速に治療し、中には列車内に仮設の治療センターを開設した者もいました。ベイルートからも、英雄的行為と機転の物語、そして犠牲者の最終的な記録が徐々に明らかになるでしょう。しかし、爆発を撮影した人々と物理学の応用によって、陰謀論や誤解の拡大を防ぐことができます。爆発は軍用爆弾ではなく、ましてや核爆弾ではありませんでした。悲しいことに、悲劇的に、歴史は再び繰り返されました。爆発物は壊滅的な致死性を持ち、その破壊の猛威を決して過小評価してはならないのです。

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