火に火をもって対抗し、火が逃げ場を失わせる

森林火災について考えるとき、最初に何を思い浮かべますか?

ニューヨークの10か所を焼き尽くし、焼失面積の記録を樹立したカリフォルニアの山火事でしょうか?あるいは、何ヶ月も続き、数え切れないほどの動物たちの住処を破壊したオーストラリアの山火事はどうでしょうか?

山火事から救出されたコアラ

（写真提供：Huanqu.com）

近年、山火事はニュースでよく見られる光景となっている。今年8月、重慶市内の多くの場所で森林火災が相次いで発生した。最終的に山火事を消し止めるまでに、2万人以上の消防士が半月を要した。中国消防救助学院森林火災研究センターの教授兼副センター長の白葉氏は「極度の高温による森林の自然発火は、重慶で最近頻発している山火事の重要な要因だ」と語った。

実際、広大な森林での山火事は避けられない現象であり、自然が自らを制御する手段なのです。人間社会が森林に近づくにつれて、山火事は人命と財産に対する脅威が増大し、人間の消火能力に対する要求はますます高まっています。

風、気温、植生、地形、人間の活動など、多くの影響要因が山火事に与える影響を根本的に理解することは非常に困難です。科学的な観点から見ると、山火事は予測不可能であり、どのように広がるのかは謎のままです。たとえば、最も激しい山火事の燃料となるのは、枯れ枝や落ち葉、干し草ではなく、緑の針葉樹です。この背後にある原理は、科学者たちをいまだに困惑させています。

このような悲劇が再び起こるのを防ぐために、物理学者たちは山火事を予防し消火するための信じられないような方法をいくつか発見した。

強風は火災を助長するが、弱風は火災を阻害する

周知のように、風は火を燃やすのに役立ち、この現象は物理学でよく研究されています。実のところ、両者の関係は単純ではありません。風は火とともに生まれ、風は火を助けます。火と風の間には正のフィードバック関係があり、これは物理学の研究において難しい問題です。

火が激しく燃えると、エネルギーが放出され、空気が熱くなります。空気が上昇し、下からの空気が補充されて火に燃料が供給されます。田舎の土ストーブと同じように、熱せられた空気は煙突から排出され、ストーブ内に空気を引き寄せて熱気を補充し、ストーブの底の火をより豊かにします。上昇気流と風の相互作用によって、植生が温まる速度が決まります。植物は一定の温度を超えた場合にのみ発火し、それによって火が広がる速さが決まります。

山火事の主な燃える物質は、乾燥した草、葉、枝などです。多くの山火事では、木の幹は燃えません。これはなぜでしょうか?

小さな燃料は表面積が大きいため、熱い空気からエネルギーを吸収しやすく、温度が発火点を超えて上昇し、発火点に達して急速に燃焼することがわかります。

しかし、小さな燃料粒子は燃焼に役立たない場合があります。周囲の空気が燃料よりも冷たい場合、空気は燃料を冷却する傾向があります。つまり、火災によって生じる空気の流れが、実際に火災の拡大を妨げているのです。例えば、キャンプファイヤーの火鉢の外の草は、火からの熱放射に長時間さらされますが、冷たい空気の流れによって、熱放射が燃焼点に到達するのを効果的に防ぎます。

火は冷たい空気を取り込み、周囲の干し草が燃えるのを防ぎます。

(画像出典: wiggly knowledge)

山火事の広がりは、風によって壁が前方に傾き、その前にある可燃性物質に引火し、火の壁が前進する様子として見られることが多い。このモデルは単純ですが、空気の流れによる冷却効果がファイアウォールの進歩を妨げるため、正しくありません。

これは人生経験と矛盾しているように思われます。風が火の広がりを助けることは分かってきましたが、ではどのようにして火の広がりを抑えることができるのでしょうか?

これは、火を助長するためには風が比較的強くなければならず、そうしないと炎が傾いて未燃焼の可燃物に触れる可能性があるためです。風が比較的弱い場合、上昇する熱気流によって炎が直立し、防火壁の進行を妨げます。

したがって、強い風は火災を助長し、弱い風は火災を妨げます。

燃え広がる山火事を見ると、火の壁ではなく、下の画像に示すように、別々の火の塔が見えます。このような火の塔は上昇気流によって発生します。火の見櫓から上がる炎は壮観だったが、火の見櫓間の隙間が火の拡大を招いた。

連続した火の壁はなく、火の塔があります。

（写真提供：シルバ・ジュニア）

風は燃えている草木の隙間を通り抜けて熱風となり、火塔に空気を補給して勢いをつけるだけでなく、火の前方に流れて冷気を引き寄せることができなくなり、前方の草や葉などの可燃物を冷やして発火させます。

火災前線が前方に広がるときの形状は風向きに影響し、風向きは火災の広がりの速度に影響します。火の中で最も速く移動する部分は通常、馬蹄形をしています。馬蹄形が狭いほど、馬蹄形の側面に風が集中し、火の前方の風が弱まり、火の広がりが遅くなります。

地上の植生の分布も山火事の広がりの速さに影響します。木々の間隔が広いと、山火事が一本の木の頂から他の木の頂へと広がる可能性が低くなり、より早く広がるためにはより多くの風の助けが必要になります。したがって、森林火災のリスクを軽減するために、木の伐採が一般的に行われています。しかし、このやり方は表面火災の拡大を増大させるでしょう。針の両端が鋭くなることはあり得ず、片方を失ってももう片方が得られるというのは本当です。

火事を防ぐために火をつけ、火事には火で対抗する

山火事のリスクを減らす方法の 1 つは、地面から枯れ葉や枝を取り除くために火をつけることです。これは計画的焼却または制御焼却と呼ばれます。戦略的な焼却は、山火事の燃料を減らし、山火事発生のリスクを軽減するだけでなく、特定の樹種の発芽を促進し、土壌の栄養分を増やし、生態系のバランスを維持します。

戦略的焼却作戦進行中

(画像出典: Wikipedia)

単純に聞こえますが、実際には火を制御することは難しいため、戦略的な燃焼は依然として非常に難しく、慎重な設計と制御が必要です。

2000年、国立公園局はニューメキシコ州ロスアラモスで戦略的な焼却作戦を実施していたが、火災は制御不能となり、200軒の家屋が焼失した。火災は190平方キロメートルの範囲に広がり、ロスアラモス国立研究所の建物もいくつか焼失し、そこに保管されている核物質が危険にさらされた。アメリカが火を消すのに3か月半かかった。

戦略的燃焼は、通常、1 本の火災線、通常は複数の火災線に点火し、1 つの火災線によって発生した空気の流れが他の火災線に影響を及ぼします。たとえば、中程度の風速では、防火線が制御不能になる可能性がありますが、風上側に別の防火線を点火すると、風下の防火線に到達する風の力が軽減され、防火線の強度が弱まり、制御しやすくなります。風上からの火の線が、風下側の既に燃えていた場所まで燃え広がり、燃えるものがなくなった時点で鎮火した。

戦略的焼却作業者は、風速、風向、火災線間の距離などの要素に基づいて火災線間の空気の流れを操作し、複数の火災線を素早く合流させて消火することもできます。

戦略的燃焼の原理は消火にも利用でき、火をもって火を消す効果が得られます。この方法は重慶の山火事の消火活動に応用されました。消防士たちは山火事の風下で新たな消火線を点火した。山火事によって生じた空気の乱れにより、風下の火災線が風に逆らって燃え、山火事の前方の燃料が除去され、山火事の進行が止まりました。

しかし、この作業は細心の注意を払って行う必要があり、山火事によって引き寄せられる空気の強さを正確に測定する必要があります。そうしないと、新たな山火事災害を引き起こすことになります。

結論

現在、科学者たちは山火事と空気に関する基本原理を確立しようとしていますが、山火事研究における実験条件は制御や再現が難しいため、この目標を達成するのは決して容易ではありません。しかし、私たちは、山火事に関する基礎科学の進歩により、さまざまな状況下での山火事の行動を予測する能力が向上し、消火戦略も改善されると楽観視しています。

もちろん、山火事に関する具体的な研究は科学者が行うべきことです。私たち一般人も、旅行中に山に火を持ち込まないなど、小さなことから始め、山火事防止に自ら貢献できるのです！

制作：中国科学普及協会

著者: 屈 立堅 (防災科学技術学部)

プロデューサー: 中国科学博覧会