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火とは、燃焼という発熱化学反応において燃料が急速に酸化され、熱、光、および様々な反応生成物を放出する現象である。[ 1 ] [ a ]火の中で最も目に見える部分である炎は、燃料が発火点温度に達したときの燃焼反応で発生する。炭化水素燃料の炎は、主に二酸化炭素、水蒸気、酸素、および窒素から構成される。十分に高温になると、ガスがイオン化してプラズマを生成することがある。[ 2 ]炎の色と強度は、燃料の種類と周囲のガスの組成によって異なる。[ 3 ]
最も一般的な形態の火災は、恒久的な物理的損傷につながる可能性のある大火災を引き起こす可能性があります。火災は世界中の陸上生態系に直接影響を与えます。火災の利点には、植物の成長を促進し、生態系のバランスを維持することが含まれます。その害には、生命と財産への危険、大気汚染、水質汚染が含まれます。[ 4 ]火災が保護植生を除去すると、大雨により土壌侵食が発生する可能性があります。[ 5 ]植生の燃焼は、窒素を大気中に放出しますが、カリウムやリンなどの他の植物栄養素は灰の中に残り、すぐに土壌にリサイクルされます。[ 6 ] [ 7 ]この窒素の損失は、土壌の肥沃度の長期的な低下を引き起こします。しかし、窒素固定植物（クローバー、エンドウ豆、インゲン豆など、農業的に価値のあるものもある）や、動物の排泄物や死骸の分解、雷などの自然現象によって回復することができます。
火は四大元素の一つであり、人類の歴史を通じて、調理、熱や光の発生、農業のための土地の開墾、信号伝達、推進力、製錬、鍛造、廃棄物の焼却、火葬、儀式、武器、そして戦争を含む破壊など、様々な目的で使用されてきました。
火災の予防、管理、軽減、消火のためにさまざまな技術や戦略が考案されており、プロの消防士が主導的な役割を果たしています。たとえば、ほとんどの家庭火災は調理中の不注意から発生しますが、タバコも大きな原因の一つです。煙感知器やスプリンクラーシステムは、家庭火災による被害を大幅に軽減します。[ 8 ]
fireという単語は古英語のfȳrに由来し、多くのゲルマン語や他のインド・ヨーロッパ語族に同源語があります。[ 9 ]ゲルマン祖語の主格形は* fōrと再構築され、インド・ヨーロッパ祖語の* péh2wrに由来します。[ 9 ]中英語にはfier という別の綴りがあり、fieryに残っています。[ 10 ] ignite という単語は、火を意味する古典ラテン語のignisに由来します。[ 11 ]火を意味するギリシャ語pyrはpyroclasticやpyrotechnicなどの単語に使われています。[ 12 ]
火の化石記録は、 4億7000万年前の中期オルドビス紀に陸上植物が確立されたときに初めて現れます。[ 13 ]これらの陸上植物は、老廃物として酸素を放出することで、大気中に大量の酸素を供給しました。この濃度が13%を超えると、山火事が発生するようになりました。[ 14 ] [ 15 ]山火事は、 4億2000万年前の後期シルル紀の化石記録に、炭化した植物の化石によって初めて記録されています。[ 16 ] [ 17 ]後期デボン紀の議論の余地のある空白期間を除いて、木炭はそれ以降ずっと存在しています。[ 17 ]大気中の酸素濃度は、化石記録中の木炭の量と密接に相関しており、酸素が山火事の発生の主要因であることを明確に示しています。[ 18 ]約600 万～700万年前に草が多くの生態系の主要な構成要素となったとき、火もより多く発生するようになった。[ 19 ] 草は火のより速い広がりのための優れた火口を提供した。[ 18 ]この広範囲にわたる山火事の発生は、より温暖で乾燥した、火を起こしやすい気候を生み出すという正のフィードバックプロセスを開始した可能性がある。[ 18 ]火は、人間がより寒い場所や暗い洞窟に住むことを可能にした。また、危険な動物から人間を守ることにもなった。火は栄養の変化をもたらし、人々がより多様なものを食べることを可能にした。[ 20 ]
人類が引き起こした火災活動が地球に及ぼした影響によって特徴づけられる歴史の時代は、火炎世と呼ばれている。この時代には、特に技術的な用途のために化石燃料が燃焼された時代が含まれる。 [ 21 ]
火を制御する能力は、初期人類の習慣に劇的な変化をもたらしました。[ 22 ] 熱と光を生み出すために火を起こすことで、人々は食べ物を調理できるようになり、同時に栄養素の種類と入手可能性を高め、食品中の病原性微生物を殺すことで病気を減らすことができました。[ 23 ]発生した熱は、寒い天候で人々が暖かく過ごすのにも役立ち、より涼しい気候で生活することを可能にしました。火はまた、夜行性の捕食者を遠ざけることにもなりました。100万年前から時折調理された食べ物の証拠が見つかっており、 [ 24 ]制御された方法で使用されていたことを示唆しています。[ 25 ] [ 26 ]他の情報源では、定期的な使用の時期を40万年前としています。[ 27 ] [ 28 ]証拠は5万年から10万年前頃に広く見られるようになり、この時期から定期的な使用があったことを示唆しています。大気汚染に対する耐性は、人類集団でほぼ同時期に進化し始めました。[ 27 ]火の使用は、数万年前から木炭の製造や野生動物の制御に使われるようになり、次第に高度化していった。[ 27 ] [ 29 ]
新石器革命の頃には、穀物中心の農業が導入されるにつれ、世界中の人々が景観管理の道具として火を使うようになった。これらの火は、土壌を損傷する制御不能な「高温の火」とは対照的に、通常は制御された「低温の火」であった。高温の火は植物や動物を破壊し、コミュニティを危険にさらす。[ 30 ]これは、木材作物の成長を促進するために伝統的な火入れが禁止されている今日の森林では特に問題となっている。低温の火は一般的に春と秋に行われる。低温の火は下草を焼き払い、密集しすぎると高温の火を引き起こす可能性のあるバイオマスを燃やす。低温の火はより多様な環境を提供し、狩猟動物や植物の多様性を促進する。人間は密集して通行不能な森林を通行可能にする。[ 31 ]
景観管理における火のもう 1 つの利用法は、農地を開墾することです。焼畑農業は、熱帯アフリカ、アジア、南米の大部分で今でも一般的です。小規模農家にとって、制御された火は、草木が生い茂った場所を開墾し、立っている植生から栄養分を土壌に戻す便利な方法です。[ 32 ]しかし、この便利な戦略には問題もあります。人口増加、森林の分断、温暖化する気候により、地球の表面はますます大規模な火災が発生しやすくなっています。これらの火災は、生態系や人間のインフラに損害を与え、健康問題を引き起こし、炭素と煤の渦を大気中に放出し、さらなる温暖化を促し、ひいてはさらなる火災につながる可能性があります。現在、世界中で、1 年間に最大 500 万平方キロメートル（米国の半分以上の面積）が焼失しています。[ 32 ]
歴史の大部分において、文化は自然と物質の性質を説明しようと、火を含む4つ（または5つ）の古典的な元素のセットを提案してきた。中世以降、科学的理解が発展するにつれて、この哲学は一連の化学元素とその相互作用に取って代わられた。その代わりに、古典的な元素は物質の状態、すなわち固体、液体、気体、プラズマに等価性を見出した。[ 34 ]
17世紀、ヤン・バプティスト・ファン・ヘルモントは燃焼の研究を行い、木炭の燃焼によってガス「シルベストリス」、すなわち野生の精霊が放出されることを発見した。[ 35 ]これはその後、1667年にヨハン・ヨアヒム・ベッヒャーによって、そして1697年にはゲオルク・エルンスト・シュタールによってより正式にフロギストン理論に組み込まれ、この概念は2世紀近くにわたって錬金術の考え方に大きな影響を与えることになる。[ 36 ]燃焼は物質の放出ではなく、何かが取り込まれることを示しているのはアントワーヌ・ラヴォアジエである。 [ 35 ] 1777年、ラヴォアジエは、物質と空気の成分との反応に基づく新しい燃焼理論を提唱し、それを酸素と呼んだ。1791年までに、ラヴォアジエの化学概念は若い科学者たちに広く受け入れられ、フロギストン理論は否定された。[ 37 ]
Fire has been used for centuries as a method of torture and execution,[38] as evidenced by death by burning as well as torture devices such as the iron boot,[39] which could be heated over an open fire to the agony of the wearer.[40]
There are numerous modern applications of fire. In its broadest sense, fire is used by nearly every human being on Earth in a controlled setting every day. Users of internal combustion vehicles employ fire every time they drive. Thermal power stations provide electricity for a large percentage of humanity by igniting fuels such as coal, oil or natural gas, then using the resultant heat to boil water into steam, which then drives turbines.[41]
The use of fire in warfare has a long history. Fire was the basis of all early thermal weapons, including incendiary devices, heated projectiles, and the use of smoke. This class of weapons was particularly evident during naval battles and siege warfare. The Byzantine fleet used Greek fire to attack ships and men.[42][43][44]
The invention of gunpowder in China led to the fire lance, a flame-thrower dating to around 1000 CE, a precursor to projectile weapons driven by burning gunpowder.[45] The earliest modern flamethrowers were used by infantry in the First World War, first used by German troops against entrenched French troops near Verdun in February 1915.[46] They were later successfully mounted on armoured vehicles in the Second World War.[47]
ガラス瓶から即席で作られた手投げ式の焼夷弾（後にモロトフカクテルとして知られる）は、 1930年代のスペイン内戦中に使用された。 [ 48 ]その戦争中、フランコの国民党を支援するために特別に作られたファシスト・イタリアとナチス・ドイツの空軍によって、ゲルニカに対して焼夷弾が使用された。[ 49 ]
第二次世界大戦中、枢軸国と連合国は、特にコベントリー、東京、ロッテルダム、ロンドン、ハンブルク、ドレスデンに焼夷弾を投下した。後者の2つのケースでは、火災旋風が意図的に引き起こされ、中心部の火災群によって発生した上昇気流によって各都市を囲む火の輪が内側に引き込まれた。 [ 50 ]アメリカ陸軍航空隊は、戦争末期の数ヶ月間、日本の標的に対して焼夷弾を広範囲に使用し、主に木造と紙造りの家屋で構成された都市全体を壊滅させた。焼夷性液体ナパームは、第二次世界大戦末期の1944年7月に使用されたが、その使用がベトナム戦争まで世間の注目を集めることはなかった。[ 51 ]
燃料を燃やすと化学エネルギーが熱エネルギーに変換されます。木材は先史時代から燃料として使用されてきました。[ 52 ]国際エネルギー機関は、過去数十年間、世界の電力の約80%が石油、天然ガス、石炭などの化石燃料から一貫して供給されてきたと述べています。 [ 53 ]発電所の火は水を加熱し、タービンを駆動する蒸気を発生させるために使用されます。タービンはその後、発電機を回転させて電気を生成します。[ 54 ]また、火は、外部燃焼機関と内部燃焼機関の両方で、熱膨張によって直接機械的な仕事を行うためにも使用されます。[ 55 ]
火災後に残った可燃性物質の不燃性の固体残渣は、融点が炎の温度より低い場合はクリンカーと呼ばれ、融点が炎の温度より高い場合は灰と呼ばれる。 [ 56 ]
火は、燃料と酸化剤が反応して二酸化炭素と水を生成する化学プロセスです。[ 57 ]このプロセスは燃焼反応として知られており、直接進行するのではなく、中間体を経由します。[ 57 ]酸化剤は通常酸素ですが、他の化合物もその役割を果たすことができます。たとえば、三フッ化塩素は砂に火をつけることができます。[ 58 ]
火災は、可燃性または燃焼性の物質が、酸素ガスやその他の酸素を豊富に含む化合物などの十分な量の酸化剤（塩素などの非酸素酸化剤も存在する）と組み合わさって、燃料/酸化剤混合物の引火点を超える熱源または周囲温度にさらされ、連鎖反応を引き起こす急速な酸化速度を維持できる場合に発生します。これは一般に火災四面体と呼ばれます。[ 60 ]これらの要素がすべて適切な割合で揃っていなければ、火災は発生しません。たとえば、可燃性液体は、燃料と酸素が適切な割合で存在する場合にのみ燃焼を開始します。[ 59 ]燃料と酸素の混合物によっては、触媒が必要になる場合があります。触媒とは、添加されたときに燃焼中の化学反応で消費されない物質ですが、反応物がより容易に燃焼できるようにします。[ 61 ]
一度点火すると、連鎖反応が起こり、燃焼中に熱エネルギーを継続的に放出することで火は自らの熱を維持し、酸化剤と燃料が継続的に供給されれば延焼する可能性があります。[ 62 ]酸化剤が周囲の空気中の酸素である場合、対流を発生させ、燃焼生成物を除去して火に酸素を供給するためには、重力[ 63 ]または加速によって生じる同様の力の存在が必要です。重力がない場合、火は急速に自身の燃焼生成物と空気中の非酸化性ガスで囲まれ、酸素を排除して火を消します。このため、宇宙船が慣性飛行で惰性飛行しているときは、宇宙船内での火災のリスクは小さくなります。 [ 64 ] [ 65 ]これは、熱対流以外のプロセスによって火に酸素が供給される場合には当てはまりません。
火は、火の四面体のいずれかの要素を取り除くことで消火できます。 [ 59 ]ガスコンロのバーナーなどの天然ガスの炎を考えてみましょう。以下のいずれかによって火を消すことができます。
対照的に、火は全体の燃焼速度を上げることによって強められます。これを行う方法には、燃料と酸化剤の投入量を化学量論比にバランスさせること[ 59 ] 、このバランスの取れた混合物中の燃料と酸化剤の投入量を増やすこと、火自身の熱が燃焼をよりよく維持できるように周囲温度を上げること、または燃料と酸化剤がより容易に反応できる非反応性媒体である触媒を提供することなどがあります。
拡散炎は、可視光、赤外線、場合によっては紫外線を放出する反応ガスと固体の混合物であり、その周波数スペクトルは、燃焼物質と中間反応生成物の化学組成に依存します。たとえば、炭化水素（木材など）の燃焼中、またはガスの不完全燃焼中、すすと呼ばれる白熱固体粒子が「火」でおなじみの赤橙色の輝きを生み出します。[ 69 ] [ 70 ]この光は連続スペクトルを持っています。ガスの完全燃焼は、炎の中で生成された励起分子のさまざまな電子遷移からの単一波長放射の放出により、薄暗い青色になります[ 71 ] 。
通常は酸素が関与するが、塩素中で水素が燃焼すると炎が発生し、塩化水素(HCl) が生成される。[ 72 ]他にも多くの組み合わせで炎が発生する可能性があるが、フッ素と水素の組み合わせ[ 73 ]や、ヒドラジンと四酸化二窒素の組み合わせ[ 74 ]などがある。水素とヒドラジン/ UDMHの炎は同様に淡い青色だが、20世紀半ばにジェットエンジンやロケットエンジンの高エネルギー燃料として評価されたホウ素とその化合物の燃焼は、強烈な緑色の炎を発するため、「グリーンドラゴン」という非公式の愛称で呼ばれている。[ 75 ]
炎の輝きは複雑です。すす、ガス、燃料粒子から黒体放射が放出されますが、すす粒子は小さすぎて完全な黒体のように振る舞いません。ガス中の脱励起した原子や分子からも光子が放出されます。放射の大部分は可視光帯と赤外線帯で放出されます。色は黒体放射の場合は温度に依存し、放射スペクトルの場合は化学組成に依存します。[ 76 ]
通常の重力条件下での炎の一般的な分布は対流に依存しており、通常の重力条件下でのろうそくのように、一般的な炎の上部にすすが上昇する傾向があり、黄色になります。微小重力または無重力[ 77 ]、例えば宇宙空間のような環境では、対流はもはや起こらず、炎は球形になり、より青くなり、より効率的になる傾向があります（ただし、燃焼によるCO2は微小重力下では容易に拡散せず、炎を覆い隠す傾向があるため、一定に動かさないと消える可能性があります）。この違いにはいくつかの説明が考えられますが、最も可能性が高いのは、温度が十分に均一であるためすすが形成されず、完全燃焼が起こるということです。[ 78 ]
NASAの実験によると、微小重力下での拡散炎は、通常の重力条件下と比較して微小重力下では異なる一連のメカニズムの働きにより、地球上での拡散炎よりも生成後に煤が完全に酸化されることが明らかになった。[ 79 ]これらの発見は、特に燃料効率に関して、応用科学や産業において応用される可能性がある。
特定の燃料・酸化剤の組み合わせにおける断熱火炎温度とは、ガスが安定燃焼を達成する温度のことである。
火災科学は、火災の挙動、力学、燃焼などを扱う物理科学の一分野です。火災科学の応用分野には、防火、火災調査、山火事管理などがあります。
陸上のあらゆる自然生態系には独自の火災レジームがあり、それらの生態系に生息する生物はその火災レジームに適応しているか、あるいはそれに依存している。火災は、それぞれ異なる遷移段階にあるさまざまな生息地のモザイクを作り出す。[ 83 ]植物、動物、微生物のさまざまな種は特定の段階を利用することに特化しており、火災はこれらの異なるタイプのパッチを作り出すことで、景観内により多くの種が生息することを可能にする。[ 84 ]気候変動は、地域の山火事のリスクを大きく変える可能性がある。[ 85 ]
消防サービスは、ほとんどの発展した地域で、制御不能な火災を消火または封じ込めるために提供されています。訓練を受けた消防士は、消防車、水道本管や消火栓などの給水設備を使用したり、火災の原因に応じてAクラスやBクラスの泡消火剤を使用したりします。[ 86 ] [ 87 ]
山火事の発生を早期に発見するには、その目的のために建設された塔から監視する火災監視員が利用できます。これらの塔の使用は1938年にピークを迎え、それ以降は減少傾向にあります。現在、火災監視作業のほとんどは赤外線センサーと航空機を使用して行われています。[ 88 ]監視員に誘導された消火航空機は、山火事の管理に役立ちます。これらは主に地上部隊の支援に使用されます。[ 89 ]
火の大きさ、形、強度を最適化するように火を制御することは一般に火の管理と呼ばれ、熟練した料理人、鍛冶屋、鉄工職人などが伝統的に（そして時には今でも）実践しているより高度な形態は、高度な技能を要する活動です。これには、どの燃料を燃やすか、燃料をどのように配置するか、初期段階と維持段階の両方で火をどのようにくべるか、目的に応じて熱、炎、煙をどのように調整するか、後で再燃するために火をどのように蓄えるのが最適か、ストーブ、暖炉、パン焼き窯、または工業炉をどのように選択、設計、または改造するかなどの知識が含まれます。火の管理に関する詳細な解説は、鍛冶、熟練したキャンプや軍事偵察、および家庭芸術に関するさまざまな書籍で入手できます。[ 90 ] [ 91 ] [ 92 ]
世界中の山火事予防プログラムでは、山火事の利用や計画的または制御された焼却などの技術が採用されている。[ 93 ]山火事の利用とは、自然原因による火災で、監視はされているが燃え続けることを許容する火災を指す。制御された焼却とは、危険性の低い気象条件下で政府機関によって点火される火災のことである。[ 94 ]
火災予防は、発火源を減らすことを目的としています。火災予防には、火災を起こさないための教育も含まれます。[ 95 ]建物、特に学校や高層ビルでは、建物火災への対処法を市民に周知し準備させるために、しばしば避難訓練が実施されます。破壊的な火災を故意に起こすことは放火にあたり、ほとんどの管轄区域で犯罪となります。[ 96 ]
模範的な建築基準では、火災による被害を最小限に抑えるために、受動防火と能動防火システムが求められています。能動防火の一般的な形態は、スプリンクラーです。[ 97 ]建物の受動防火を最大限に高めるために、ほとんどの先進国では、建築材料と家具の耐火性、可燃性、引火性がテストされています。[ 98 ]車両や船舶で使用される室内装飾品、カーペット、プラスチックもテストされています。
研究によると、正常に機能する煙探知機は火災による死亡リスクを 50% 低減し、スプリンクラーシステムは死亡率を 100% 低減できることがわかっています。[ 8 ]耐火性の衣類、ベッド、ソファも火災による負傷を軽減することが示されています。[ 8 ]米国では、住宅火災の主な原因は調理器具、特に調理中に放置された調理器具です。[ 99 ]タバコやその他の喫煙具は、布張りの家具に引火する住宅火災の約 28% の原因であり、そのような火災による死亡者の約 58% の原因であると推定されています。 [ 100 ]タバコが原因で発生した火災は、裸火から広がった火災よりも致命的で死亡率も高くなっています。[ 101 ]防火タバコの普及は、タバコが原因の火災の 45% 減少と関連付けられています。[ 102 ]
火は旧石器時代前期以来、人類文化の重要な要素であった。[ 104 ]考古学的証拠は、火の崇拝が先史時代から広く行われてきたことを示しており、少なくとも銅器時代に遡る専用の建造物が発見されている。ゾロアスター教はこの慣習と密接に関連している。一部の社会では火は神であり、他の社会では火は神の顕現とみなされていた。[ 105 ]炉の火は天の火の象徴とみなされ、火を崇拝する文化では神聖な要素と考えられている。[ 106 ]火の起源は神話の題材となった。古代ギリシャ文化では、ティタン神プロメテウスが天の火を盗んで人類に与えたとされている。[ 105 ]
火葬を葬儀の慣習として用いることは、西洋では少なくとも古代ローマ時代にまで遡り[ 107 ]、インド亜大陸では約4000年前に遡る[ 108 ] 。遺体の火葬は、ヒンドゥー教を含むいくつかの文化で古くから行われている伝統である。一部の国では初期の宗教的抵抗があったものの、19世紀にはこの慣習がより広まり、現在では一般的になっている[ 109 ] 。一部の国では、焼身自殺が依然として一般的である[ 110 ] 。
火の象徴性は今日でも重要である。木材が豊富な場所では、焚き火は祝祭の目的で使用され、多くの場合、伝統の一部となっている。イギリスのガイ・フォークス・ナイトはその一例である。 [ 111 ]バーベキューはアメリカ合衆国における火を基盤とした文化的伝統である。[ 112 ]花火の燃え盛る点火は、新年の到来を祝う現代の伝統となっている。 [ 113 ]対照的に、焚書は政治的、宗教的、道徳的な理由を問わず、抗議の形態として用いられてきた。[ 114 ] 「人形を燃やす」行為は、毎年行われるユダの火刑儀式のように、同様の役割を果たしている。[ 115 ]
人間は火に対して本能的な興味を持たないが、現代社会では、大人は好奇心から火に惹かれることがある。日常的に火を使う社会では、子供は日常的に火に触れるため、7歳頃には火への興味を失う。[ 116 ]放火とは、意図的に建物に火をつける行為である。これとは別だが関連する行動として放火癖があり、これは衝動制御障害に分類され、個人が意図的に火をつけたいという衝動に繰り返し抵抗できない状態である。[ 117 ]対照的に、放火恐怖症は火に対する非合理的な恐怖である。この不安障害は、あまり一般的ではない恐怖症である。[ 118 ]
南アフリカの洞窟で発掘された証拠によると、人類は100万年前という、これまで考えられていたよりもはるかに早い時期に火を利用していたことが示唆されている。
