火

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 ]}

初期の人類による制御

ROADデータベースに掲載されている、人類初期の火の​​使用を示す考古学的遺跡（CC BY-SA 4.0 ROCEEH）

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 ]}

その後の人間による制御

ロンドン大火（1666年）と、 1943年7月の4回の焼夷弾爆撃後のハンブルク大火では、推定5万人が死亡した^{[ 33 ] 。}

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 ]}

火は拷問や処刑の方法として何世紀にもわたって使われてきた^{[ 38 ]} 。焼死刑や鉄のブーツ^{[ 39 ]}のような拷問器具がその証拠であり、鉄のブーツは直火で熱して着用者に苦痛を与えた^{[ 40 ] 。}

火の現代における用途は数多く存在する。最も広い意味では、火は地球上のほぼすべての人間が毎日、制御された環境で使用している。内燃機関車の利用者は、運転するたびに火を使用している。火力発電所は、石炭、石油、天然ガスなどの燃料に点火し、発生した熱を利用して水を沸騰させて蒸気にし、その蒸気でタービンを回すことで、人類の大部分に電力を供給している。^{[ 41 ]}

エネルギーの生産的な利用

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。

• ガス供給を停止することで、燃料源を断つ。
• 炎を完全に覆うことで、燃焼が利用可能な酸化剤（空気中の酸素）を使用すると同時に、炎の周囲の領域から二酸化炭素で酸素を置き換えるため、炎が窒息し_ます。
• 二酸化炭素などの不活性ガスを適用して、利用可能な酸化剤を置換することにより炎を消火する。^{[ 66 ]}
• 水をかけることで、火が熱を発生させるよりも速く火から熱を取り除くことができる^{[ 67 ]}（同様に、炎に強く息を吹きかけると、現在燃焼しているガスの熱を燃料源から取り除き、同じ目的を達成する）。
• ハロンなどの難燃剤の使用（2023年現在、一部の国ではほぼ禁止されている））炎に当たって化学反応自体が遅延し、燃焼速度が連鎖反応を維持するには遅すぎる状態になる。^{[ 68 ]}

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。

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 ]}

火災予防や防火対策が損害を防ぐことができなかった場合、火災保険は経済的影響を軽減することができる。^{[ 103 ]}