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煙は、物質が燃焼または熱分解される際に放出されるエアロゾル（気体[ 2 ]中の微粒子[ 1 ]の懸濁液）であり、その際に混入または混合される空気の量も含まれます。煙は一般的に火（ストーブ、ろうそく、内燃機関、石油ランプ、暖炉など）の望ましくない副産物ですが、害虫駆除（燻蒸）、通信（狼煙）、軍事における防御および攻撃能力（煙幕）、調理、喫煙（タバコ、大麻など）にも使用されることがあります。また、霊的または魔術的な目的で香りを出すために、香、セージ、樹脂を燃やす儀式にも使用されます。さらに、香料や保存料としても使用されます。
屋内火災の犠牲者の主な死因は、煙の吸入です。煙は、熱による損傷、中毒、そして一酸化炭素、シアン化水素、その他の燃焼生成物による肺の刺激が複合的に作用することで死に至らしめます。
煙の組成は、燃焼する燃料の性質と燃焼条件によって決まります。酸素が豊富な火は高温で燃焼し、発生する煙の量は少なくなります。粒子は主に灰で構成され、温度差が大きい場合は凝縮した水のエアロゾルで構成されます。高温は窒素酸化物の生成にもつながります。[ 5 ]硫黄含有量は二酸化硫黄を生成し、不完全燃焼の場合は硫化水素を生成します。[ 6 ]炭素と水素はほぼ完全に酸化されて二酸化炭素と水になります。[ 7 ]酸素が不足して燃焼する火は、はるかに多くの種類の化合物を生成し、その多くは有毒です。[ 7 ] 炭素の部分酸化は一酸化炭素を生成し、窒素含有物質はシアン化水素、アンモニア、窒素酸化物を生成する可能性があります。[ 8 ]水の代わりに水素ガスが生成されることがあります。[ 8 ]塩素などのハロゲン（例えばポリ塩化ビニルや臭素系難燃剤に含まれる）の含有量は、塩化水素、ホスゲン、ダイオキシン、クロロメタン、ブロモメタン、その他のハロカーボンの生成につながる可能性がある。[ 8 ] [ 9 ]フッ素ポリマーが火災にさらされた場合、またはハロカーボン系消火剤の場合、フッ素系炭化水素からフッ化水素が生成される可能性がある。一部の難燃剤添加剤からは、リン酸化物とアンチモン酸化物およびそれらの反応生成物が生成され、煙の毒性と腐食性が高まる可能性がある。[ 9 ]ポリ塩化ビフェニル（PCB）の熱分解（例えば古い変圧器油の燃焼によるもの）や、程度は低いものの他の塩素含有物質の熱分解によって、強力な発がん物質である2,3,7,8-テトラクロロジベンゾジオキシンやその他のポリ塩化ジベンゾジオキシンが生成される可能性がある。[ 9 ]フッ素ポリマー（例えばテフロン）を酸素存在下で熱分解すると、カルボニルフルオリド（容易に加水分解してHFとCO2になる）が生成する。また、他の化合物、例えば四フッ化炭素、ヘキサフルオロプロピレン、および非常に毒性の高いパーフルオロイソブテン（PFIB）も生成される可能性がある。[ 10 ]
燃焼物の熱分解、特に酸素が十分に供給されない不完全燃焼やくすぶり燃焼は、脂肪族炭化水素（メタン、エタン、エチレン、アセチレン）と芳香族炭化水素（ベンゼンとその誘導体、多環芳香族炭化水素、例えば発がん性物質として研究されているベンゾ[a]ピレン、またはレテン）、テルペン類の多量生成をもたらします。[ 11 ]また、燃焼副生成物として生成されるさまざまな低分子量酸素化揮発性有機化合物（メタノール、酢酸、ヒドロキシアセトン、酢酸メチル、ギ酸エチル）や、フェノール類、フラン類、フラノン類などの揮発性の低い酸素化有機化合物の放出ももたらします。[ 4 ]複素環式化合物も存在する可能性があります。[ 12 ]より重い炭化水素はタールとして凝縮する可能性があり、タール含有量が多い煙は黄色から褐色です。[ 13 ]固体燃料の燃焼により、数百から数千もの低揮発性有機化合物がエアロゾル相で放出される可能性がある。[ 14 ]火災中にこのような煙、すす、および/または茶色の油状堆積物が存在することは、大気が可燃性熱分解生成物で飽和し、濃度が燃焼上限を超えている可能性があり、突然の空気の流入によりフラッシュオーバーやバックドラフトが発生する可能性があるため、危険な状況である可能性を示している。[ 15 ]
硫黄の存在は、硫化水素、硫化カルボニル、二酸化硫黄、二硫化炭素、チオールなどのガスの生成につながる可能性があります。[ 16 ]特にチオールは表面に吸着しやすく、火災後も長時間にわたって臭いが残ります。放出された炭化水素の部分酸化により、アルデヒド（ホルムアルデヒド、アクロレイン、フルフラールなど）、ケトン、アルコール（フェノール、グアヤコール、シリンゴール、カテコール、クレゾールなど、多くは芳香族）、カルボン酸（ギ酸、酢酸など）といった幅広い種類の化合物が生成されます。 [ 17 ]
このような煙に含まれる目に見える微粒子は、最も一般的には炭素（すす）で構成されています。その他の微粒子は、凝縮したタールの滴や灰の固体粒子で構成されている場合があります。燃料に金属が存在すると、金属酸化物の粒子が生成されます。硫酸アンモニウム、硝酸アンモニウム、塩化ナトリウムなどの無機塩の粒子も生成される場合があります。すす粒子の表面に存在する無機塩は、すす粒子を親水性にする可能性があります。芳香族炭化水素などの多くの有機化合物も、固体粒子の表面に吸着される可能性があります。金属を含む燃料（アルミニウムを含む固体ロケット燃料など）が燃焼すると、金属酸化物が存在する場合があります。劣化ウラン弾は標的に衝突した後、着火してウラン酸化物の粒子を生成します。石炭の煙には、磁鉄鉱のような球状の磁性粒子が存在します。 1860 年以降に堆積物が増加したことは、産業革命の始まりを示しています。[ 18 ] (大気中で燃える隕石の煙からも磁性酸化鉄ナノ粒子が生成される可能性があります。) [ 19 ]酸化鉄粒子に記録される残留磁化は、キュリー温度を超えて冷却されたときの地球の磁場の強さを示しており、地球起源と隕石起源の磁性粒子を区別するために使用できます。[ 20 ]フライアッシュは主にシリカと酸化カルシウムで構成されています。液体炭化水素燃料の煙にはセノスフィアが存在します。エンジンの煙には、摩耗によって生成された微細な金属粒子が存在する可能性があります。シリコーンの燃焼による煙には非晶質シリカ粒子が存在し、酸素が不足している火災では、少量の窒化ケイ素粒子が形成される可能性があります。シリカ粒子のサイズは約 10 nm で、70～100 nm の凝集体に集まり、さらに鎖状に凝集します。[ 10 ]ウラン、トリウム、またはその他の元素の痕跡により放射性粒子が存在する可能性があります。 燃料中の放射性核種。原子力事故（チェルノブイリ原発事故など）や核戦争時の火災の場合には、高温粒子が存在する可能性がある。
煙の微粒子は、他のエアロゾルと同様に、粒子の大きさに基づいて3つのモードに分類されます。
煙物質の大部分は主に粗大粒子である。これらは急速に乾燥降下し、火災が発生した部屋の外のより遠い場所での煙による被害は、主に小さな粒子によって媒介される。[ 21 ]
目に見える大きさを超える粒子のエアロゾルは、火災の着火前段階にある物質の初期指標である。[ 10 ]
水素を多く含む燃料を燃焼させると水蒸気が発生し、その結果、水滴を含む煙が生じる。窒素酸化物や微粒子などの他の着色物質が存在しない場合、このような煙は白く、雲のような外観となる。
煙の排出物には、特徴的な微量元素が含まれている場合があります。バナジウムは石油火力発電所や製油所からの排出物に含まれており、石油プラントからはニッケルも排出されます。石炭燃焼からは、アルミニウム、ヒ素、クロム、コバルト、銅、鉄、水銀、セレン、ウランを含む排出物が発生します。
高温燃焼生成物中の微量のバナジウムは、溶融バナジン酸塩の液滴を形成する。これらは金属表面の不動態皮膜を侵食し、高温腐食を引き起こす。これは特に内燃機関にとって懸念事項である。溶融硫酸塩や鉛の微粒子も同様の影響を及ぼす。
煙の成分の中には、燃焼源に特徴的なものがあります。グアヤコールとその誘導体はリグニンの熱分解生成物であり、木材の煙に特徴的です。その他のマーカーとしては、シリンゴールとその誘導体、その他のメトキシフェノール類があります。針葉樹の熱分解生成物であるレテンは、森林火災の指標となります。レボグルコサンはセルロースの熱分解生成物です。広葉樹と針葉樹の煙では、グアヤコールとシリンゴールの比率が異なります。自動車の排気ガスのマーカーには、多環芳香族炭化水素、ホパン、ステラン、特定のニトロアレーン（例：1-ニトロピレン）などがあります。ホパンとステランの元素炭素に対する比率は、ガソリンエンジンとディーゼルエンジンの排出物を区別するために使用できます。[ 22 ]
多くの化合物は、粒子表面に吸着したり、液滴に溶解したりすることによって、粒子と関連付けられる可能性があります。塩化水素はすす粒子によく吸収されます。 [ 21 ]
不活性な微粒子は、煙によって攪拌され、巻き込まれる可能性がある。特に懸念されるのはアスベスト粒子である。
放射性降下物由来の高温粒子や生物濃縮された放射性同位体は、山火事や森林火災によって大気中に再放出される可能性があります。これは、例えばチェルノブイリ原発事故による汚染物質を含む立ち入り禁止区域などで懸念されています。
ポリマーは煙の発生源として重要です。ポリスチレンなどの芳香族側鎖は煙の発生を促進します。ポリマー主鎖に組み込まれた芳香族基は、炭化が著しいため、煙の発生が少なくなります。脂肪族ポリマーは煙の発生が最も少なく、自己消火性はありません。ただし、添加剤の存在は煙の発生を大幅に増加させる可能性があります。リン系およびハロゲン系の難燃剤は煙の発生を減少させます。ポリマー鎖間の架橋度が高い場合も同様の効果があります。 [ 23 ]
肉眼では、 7 μm (マイクロメートル)より大きい粒子サイズを検出できます。[ 24 ] 火から放出される目に見える粒子は煙と呼ばれます。目に見えない粒子は一般的にガスまたは煙と呼ばれます。これは、トースターでパンを焼くときに最もよくわかります。パンが熱くなると、燃焼生成物のサイズが大きくなります。最初に発生する煙は目に見えませんが、トーストが焦げると目に見えるようになります。
電離箱式煙感知器は、厳密には煙感知器ではなく、燃焼感知器の一種です。電離箱式煙感知器は、肉眼では見えない燃焼粒子を検知します。そのため、トースターの赤熱した発熱体から発生する煙によって、目に見える煙が出る前に誤作動を起こすことが頻繁にあります。一方で、火災の初期段階である低温のくすぶり燃焼では作動しない場合もあります。
一般的な住宅火災で発生する煙には、数百種類もの化学物質やガスが含まれています。そのため、煙による被害は、火災そのものの熱による被害を上回る場合が少なくありません。火災の煙による物理的な被害（シミなど）に加え、さらに厄介な問題として、煙の臭いが残るという問題もあります。
酸素が不足した火災から発生する煙には、可燃性化合物が高濃度で含まれています。そのため、大気中の酸素と接触した煙の雲は、付近の別の炎や煙自身の温度によって引火する可能性があります。これにより、バックドラフトやフラッシュオーバーなどの現象が発生します。煙の吸入も、重傷や死亡につながる危険性があります。[ 25 ]
火災による煙に含まれる多くの化合物は、非常に毒性が強く、刺激性も高い。最も危険なのは一酸化炭素で、一酸化炭素中毒を引き起こす。場合によっては、シアン化水素やホスゲンが加わることで、さらに危険な状態になることもある。そのため、煙を吸い込むと、すぐに意識を失い、行動不能になる可能性がある。硫黄酸化物、塩化水素、フッ化水素は、水分と接触すると、硫酸、塩酸、フッ化水素酸を生成する。これらは肺や物質を腐食させる。
タバコの煙は、肺疾患、心臓病、および多くの癌の主要な修正可能な危険因子です。煙は、発電所での石炭の燃焼、森林火災、またはその他の発生源による大気汚染の成分にもなり得ますが、大気中の汚染物質の濃度は通常、タバコの煙の濃度よりもはるかに低くなります。中国の北京で発生するような、PM2.5の濃度が880 μg/m 3の1日曝露は、重量で粒子吸入の観点から、タバコを1本または2本吸うことに相当します。[ 26 ] [ 27 ]ただし、さまざまな大気中の粒子に含まれる有機化合物は、タバコの煙の粒子に含まれる化合物よりも発がん性が高い可能性があるため、分析は複雑になります。[ 28 ]副流タバコの煙は、燃焼中のタバコ製品からの副流煙と主流煙の両方の排出の組み合わせです。これらの排出には、50種類以上の発がん性化学物質が含まれています。米国公衆衛生局長官の2006年の報告書によると、受動喫煙にさらされると血小板が活性化し、凝固が増加して血栓のリスクが高まり、血管の内壁が損傷したり、冠血流速度予備能が低下したり、心拍変動が低下したりして、心臓発作のリスクが高まる可能性がある。これらの影響が発生する可能性は、曝露量と曝露時間の増加とともに高まる。[ 29 ]米国癌協会は、受動喫煙の影響として「心臓病、肺感染症、喘息発作の増加、中耳炎、低出生体重」を挙げている。[ 30 ]
煙は視界を遮り、火災区域からの避難を妨げる可能性があります。実際、マサチューセッツ州ウースターのウースター冷蔵倉庫火災では、煙による視界不良が原因で、閉じ込められた救助消防士が時間内に建物から避難できませんでした。各階の構造が非常に似ていたため、濃い煙によって消防士は方向感覚を失ってしまいました。[ 31 ]
煙には、性質の異なる様々な化学物質が含まれており、その多くは腐食性があります。例えば、ハロゲン含有プラスチックや難燃剤から生成される塩酸や臭化水素酸、フッ素系消火剤の熱分解によって放出されるフッ化水素酸、硫黄含有物質の燃焼によって生成される硫酸、亜酸化窒素が生成される高温火災から生成される硝酸、リンやアンチモンをベースとした難燃剤から生成されるリン酸やアンチモン化合物など、他にも多くの化学物質が挙げられます。このような腐食は構造材料には大きな影響を与えませんが、繊細な構造物、特にマイクロエレクトロニクスは深刻な影響を受けます。回路基板の配線の腐食、部品の筐体を通じた腐食性化学物質の浸透、その他の影響により、煙にさらされた機器のパラメータが即座に、あるいは徐々に劣化したり、早期に（腐食が長期間にわたって進行するため、多くの場合遅延して）故障したりする可能性があります。また、煙に含まれる多くの成分は導電性も有しており、回路上に導電層が形成されると、クロストークやその他の動作パラメータの劣化、さらには短絡や完全な故障を引き起こす可能性があります。電気接点は、表面の腐食や、接点上または接点間に付着する煤やその他の導電性粒子、あるいは非導電性層の堆積によって影響を受ける可能性があります。堆積した粒子は、光線を吸収または散乱させることで、光電子デバイスの性能に悪影響を与える可能性があります。
Corrosivity of smoke produced by materials is characterized by the corrosion index (CI), defined as material loss rate (angstrom/minute) per amount of material gasified products (grams) per volume of air (m3). It is measured by exposing strips of metal to flow of combustion products in a test tunnel. Polymers containing halogen and hydrogen (polyvinyl chloride, polyolefins with halogenated additives, etc.) have the highest CI as the corrosive acids are formed directly with water produced by the combustion, polymers containing halogen only (e.g. polytetrafluoroethylene) have lower CI as the formation of acid is limited to reactions with airborne humidity, and halogen-free materials (polyolefins, wood) have the lowest CI.[21] However, some halogen-free materials can also release significant amount of corrosive products.[32]
Smoke damage to electronic equipment can be significantly more extensive than the fire itself. Cable fires are of special concern; low smoke zero halogen materials are preferable for cable insulation.[33]
When smoke comes into contact with the surface of any substance or structure, the chemicals contained in it are transferred to it. The corrosive properties of the chemicals cause the substance or structure to decompose at a rapid rate. Certain materials or structures absorb these chemicals, which is why clothing, unsealed surfaces, potable water, piping, wood, etc., are replaced in most cases of structural fires.
Wood smoke is a major source of air pollution,[35][36][37][38] especially particulate pollution,[36] pollution by polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs)[39] and volatile organic compounds (VOCs)[36] such as formaldehyde.[40]
英国では、特に産業用途の家庭燃焼が、年間PM2.5の最大の発生源となっている。 [ 41 ] [ 42 ]ニューサウスウェールズ州の一部の町や都市では、冬季の微粒子大気汚染の60%が薪の煙によるものかもしれない。[ 43 ]ギリシャのアテネで1年間実施されたサンプリング調査では、都市部のPAH大気汚染の3分の1（31%）が薪の燃焼によるものであり、ディーゼルや石油（33%）やガソリン（29%）によるものとほぼ同程度であることがわかった。また、薪の燃焼は他の発生源と比較して、年間PAH肺がんリスクのほぼ半分（43%）を占めており、冬季のPAH濃度は他の季節の7倍高かったこともわかった。これはおそらく、暖炉やヒーターの使用が増加したためと考えられる。最も大きな曝露イベントは、特に風速が低いため、蓄積された汚染を希釈する大気拡散が減少する冬季の期間である。[ 39 ] 2015年に実施されたバイオマス燃焼に関する調査では、ヨーロッパの粒子状汚染物質排出量全体の38%が家庭での薪燃焼によるものと推定されている。[ 44 ]
木材の煙（例えば山火事や薪ストーブからの煙）は肺の損傷[ 45 ] [ 46 ]、動脈の損傷、DNAの損傷[ 47 ]を引き起こし、癌[ 48 ] [ 49 ]、その他の呼吸器疾患や肺疾患、心血管疾患につながる可能性があります。[ 43 ] [ 50 ]大気汚染、粒子状物質、木材の煙は、粒子が心血管系を破って脳に入り込むため、脳損傷を引き起こす可能性があり、[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ] [ 54 ]発達障害、[ 55 ] [ 56 ] [ 57 ] [ 58 ]神経変性疾患、[ 59 ] [ 60 ]精神障害、[ 61 ] [ 62 ] [ 63 ]および自殺行動[ 61 ] [ 63 ]のリスクを高める可能性がありますが、うつ病と一部の大気汚染物質との関連性に関する研究は一貫していません。[ 64 ]少なくとも1つの研究では、「燃焼や摩擦による加熱によって形成される高温マグネタイトナノ球体と正確に一致するマグネタイトナノ粒子が人間の脳に豊富に存在することが確認されている。これらの高温マグネタイトナノ球体は、都市部の大気浮遊粒子状物質（PM）に多く含まれている。」[ 65 ]大気汚染は、他のさまざまな心理社会的問題とも関連付けられている。[ 62 ]
15世紀にはすでにレオナルド・ダ・ヴィンチが煙の評価の難しさについて詳しく述べており、黒煙（炭化した粒子）と、実際には煙ではなく無害な水粒子の懸濁液である白煙を区別していた。[ 66 ]
暖房器具から出る煙は、一般的に以下のいずれかの方法で測定されます。
インライン捕集。煙サンプルはフィルターを通して吸引され、試験の前後でフィルターの重量が測定され、検出された煙の質量が測定されます。これは最も単純で恐らく最も正確な方法ですが、フィルターがすぐに目詰まりする可能性があるため、煙の濃度が低い場合にのみ使用できます。[ 67 ]
ASTMスモークポンプは、インライン捕集のためのシンプルで広く用いられている方法であり、一定量の煙をろ紙に通し、形成された黒点を標準と比較する。
フィルター/希釈トンネル。煙のサンプルをチューブに通し、空気で希釈します。得られた煙/空気混合物をフィルターに通して重量を測定します。これは、燃焼による煙を測定する国際的に認められた方法です。[ 68 ]
静電沈殿法。煙は、吊り下げられたワイヤーを含む金属管の配列を通過させられます。管とワイヤーの間に（非常に大きな）電位が印加され、煙の粒子が帯電して管の内壁に引き寄せられます。この方法は、無害な凝縮物を捕捉することで測定値が過大になる場合や、煙の絶縁効果によって測定値が過小になる場合があります。しかし、瀝青炭など、フィルターを通すには多すぎる量の煙を測定するには、この方法が必要です。
リンゲルマン尺度。煙の色を測定する尺度。 1888年にパリのマクシミリアン・リンゲルマン教授によって考案されたこの尺度は、黒、白、濃淡の灰色が描かれたカードを持ち上げて、煙の灰色度を比較して判断するものである。光の条件や観察者の技量に大きく左右されるが、0（白）から5（黒）までの灰色度を示す数値が割り当てられ、実際の煙の量とはごくわずかな関係しかない。しかしながら、リンゲルマン尺度の簡便さから、多くの国で標準尺度として採用されている。
光散乱。光線を煙に通します。光検出器は光源に対して角度をつけて（通常は90°）、通過する粒子から反射された光のみを受光します。受光された光量を測定すると、煙粒子の濃度が高くなるにつれて光量も高くなります。
光学的遮蔽。光線を煙に通し、反対側の検出器で光量を測定する。2つの検出器の間に煙の粒子が多いほど、測定される光量は少なくなる。
複合光学法。ネフェロメーターやエーサロメーターなど、複数の異なる光学法（複数の波長の光を含む）を単一の装置内で使用し、アルゴリズムを適用して煙の正確な推定値を与える、さまざまな独自の光学式煙測定装置があります。これらの装置は煙の種類を区別できるため、その発生源を推測できると主張されていますが、これは議論の余地があります。[ 69 ]
一酸化炭素からの推論。煙は不完全燃焼した燃料であり、一酸化炭素は不完全燃焼した炭素であるため、排ガス中のCOの測定（安価で簡単かつ非常に正確な方法）が煙のレベルを示す良い指標になると長らく考えられてきた。実際、いくつかの地域では、煙規制の基準としてCOの測定が用いられている。しかし、両者の対応関係がどれほど正確であるかは、決して明らかではない。
歴史的に、人々は病気の治療に薬用植物の煙を使用してきました。ペルセポリスの彫刻には、ペルシャ王ダレイオス大王（紀元前522～486年）が、ペガヌム・ハルマラ、サンタルム・アルブム、またはその両方を燃やすための2つの香炉を前にしている様子が描かれています。これは王を悪や病気から守ると信じられていました。20世紀後半までに、5大陸にわたる300種以上の植物が、さまざまな病気の治療に煙の形で使用されました。薬物投与法として、喫煙は、有効成分を含む粒子を抽出するためのシンプルで安価でありながら非常に効果的な方法です。さらに重要なことに、煙を発生させることで粒子のサイズが微細なスケールに縮小され、有効化学成分の吸収が増加します。しかし、21世紀初頭の時点では、この伝統的な使用法は現代医学ではほとんど研究されていません。[ 70 ]
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