ほとんどの科学者の研究室は飛行機に乗りません。また、低高度でループ飛行するDC-8ジェット機の機内に詰め込まれた科学者の研究室もほとんどありません。しかし、NASAと米国海洋大気庁（NOAA）の共同ミッションであるこの研究室は、典型的な科学研究室ではありません。そして、そこで行われている実験も典型的なものではありません。
FIREX-AQ（地域から地球規模の環境と大気質への火災の影響）ミッションは、この夏、山火事や計画的な農業用野焼きに伴う煙の柱の中を飛行機で飛行させ、私たちが呼吸する空気、そして健康が火災によってどのように影響を受けるかを調査しました。この画期的な研究努力は、最終的には、深刻な煙害の風下地域へのより正確な予測と警報の発信につながるでしょう。
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原野と都市の境界とは、家屋が可燃性の植生の中、あるいはその近くに建っている地域を指します。この地域の建物は山火事で頻繁に被害を受け、人々が死傷する危険にさらされています。1990年から2010年にかけて、米国では原野と都市の境界における新築住宅の数が3,080万戸から4,340万戸へと41%増加しました。原野への家屋の侵入と気温上昇は、財産や人命の損失が続くだけでなく、煙への曝露とそれに伴う健康リスクにもつながる可能性があります。
2018年のキャンプファイアは85人の死者を出し、カリフォルニア州史上最悪の山火事となりました。当時、この火災の煙は地球上で最も有害な大気を作り出し、カリフォルニア州の何百万人もの人々を苦しめました。今週、ソノマ郡ではキンケード火災により20万人が避難命令を受けています。ソノマ郡保安官事務所によると、この火災は同郡にとって記憶に残る最大の避難措置です。これらの火災は、炎や煙が充満する可能性のある地域への移住者が増える中で、FIREX-AQの結果がいかに重要かを如実に示しています。
FIREX-AQは7月から9月にかけて、アイダホ州ボイジーの基地から山火事の煙と空気質のサンプリングを行い、その後、完全装備のDC-8実験室を用いてカンザス州サライナの計画的農業焼却跡のサンプリングを行いました。このプロジェクトに参加した大規模な研究者チームは、煙が地形を横切って移動し、時間の経過とともに変化する中で、微量ガスやエアロゾルと呼ばれる微粒子など、煙の様々な特性を測定しました。
火災の煙をサンプリングするための飛行手順は、控えめに言っても、通常の商業飛行経路とは大きく異なります。このDC-8は、常に通常の巡航高度で飛行するわけではなく、A地点からB地点まで直線飛行することさえありませんでした。最良のサンプリング範囲を確保するために、パイロットは機体を一直線に飛行させた後、旋回して来た道を戻りました。まるで芝刈り機で畑にきれいな線を引くように。農業用火災のサンプリングでは、パイロットはDC-8をクローバーパターンで操縦しましたが、これは少し気分が悪くなるほどでした。
メリーランド大学ボルチモア郡校とNASAゴダード宇宙飛行センターの研究助教授であるグレン・ウルフ氏は、Earther誌に率直にこう語った。「誰もが一度は袋に吐いたことがある」。エアシックネスバッグを頻繁に使用しないよう、研究者たちは主にドラマミンとスコポラミンを服用した。
毎回のフライトでは、約40人の研究者とパイロットが機器とともに機内に詰め込まれ、一度に6～8時間も滞在しました。高度1,000フィート（約300メートル）で高温の煙の中を飛行するのは、混雑した機内では特に過酷です。特定の煙サンプルを採取するためには、特に旅程後半の小規模な計画的農業火災のサンプル採取時に、このような低高度（一般的な商業航空機は3万フィート以上を巡航）で飛行する必要がありました。高度が低いほど、機内は高温になり、特に多くの機器を搭載しているため、なおさらです。しかし、空が穏やかな時は、機内で科学研究を行うことにメリットがあります。
「基本的には、窓の外の素晴らしい景色を眺めながら研究室に座っているような感じです」と、国立大気研究センターのVOC測定グループのプロジェクト科学者、レベッカ・ホーンブルック氏は語った。
FIREX-AQミッションには、健康に影響を与える煙の成分である揮発性有機化合物（VOC）を測定するため、多くの科学者が参加しました。屋内では、塗料、芳香剤、洗剤など、様々な人工物質からVOCが放出されます。屋外では、森林などのバイオマス燃焼による煙や人為的な排出物が、地球の大気中のVOC濃度の一因となっています。これらの化合物は、屋内外を問わず健康問題を引き起こす可能性があります。VOCへの曝露は、目、鼻、喉の炎症などの短期的な健康問題を引き起こす可能性があり、長期的な曝露は臓器障害を引き起こし、喘息などの症状を悪化させる可能性があります。
VOCは大気圏に到達すると、オゾン層の形成に寄与します。成層圏のオゾン層にオゾンが存在することは、太陽からの紫外線の入射量を減らす上で有益ですが、オゾンが地表にある場合は、実際には汚染物質となります。DC-8は、ホルムアルデヒドやベンゼンなどの様々なVOCを様々な機器で測定し、バイオマス燃焼が大気中のVOC濃度にどのように寄与しているかをより深く理解するために設置されました。
NOAA化学科学部門の研究化学者であるジェシカ・ギルマン氏は、様々なサンプリング方法によって煙の複雑な特性が明らかになると説明した。FIREX-AQミッションにおける彼女の任務は、地上でガスクロマトグラフ質量分析計（GC-MS）と呼ばれる装置に分析するための煙サンプルを採取することだった。「GC-MS」は長い名前だが、「ありふれた機器」だとギルマン氏はEartherに語った。「CSIのようなテレビでも見かけます」。GC-MSは、煙サンプル中の特定の種類のVOCの量を分析するために使用される。
ギルマン氏はボルダーの研究所で実験を行っているため、飛行機に乗っている間、「ホールエアサンプラー」と呼ばれる装置を配備しました。ギルマン氏または他の科学者がボタンを押すと、この容器が開き、煙で満たされました。飛行機が着陸すると、72個の容器は降ろされ、フェデックスでコロラド州ボルダーへ一晩で発送されました。ギルマン氏によると、彼女のグループとカリフォルニア州アーバインへサンプルを送っている別のグループを合わせると、この実験のためだけに毎回のフライトで「優に1,000ポンド（約450kg）は機材の積み下ろしをしていた」とのことです。
一方、レベッカ・ホーンブルック氏は、機内に設置されたGC-MSを用いて、大気中のVOCを直接測定し、即座に処理しました。ホーンブルック氏は、微量有機ガス分析装置（TOGA）を用いて、煙が通過する際にVOCの量を測定しました。
「通常、研究室でガスクロマトグラフを使ってサンプルを採取するのに1時間ほどかかりますが、この機器は基本的にサンプルを採取して分析することができます。処理時間はわずか1分半ほどです」とホーンブルック氏はアーサーに語った。
火災による排出物は時間の経過とともに化学的に変化するため、煙の複雑な組成を完全に理解するには、様々なサンプリング手法が必要です。煙に含まれるVOCの中には、長期間存在しないものもあるため、地上の実験室は分析を行うためのより安定した環境を提供しますが、ホーンブルック氏によると、特定のVOC測定は機内で即座に行う必要があるとのことです。
最良のサンプルを採取するためにどこを飛ぶべきかを決めるのは、必ずしも容易ではありませんでした。レベッカ・ブッフホルツ氏のように、地上でしっかりと研究を行っている科学者たちが、この飛行実験室の指導に協力しました。ブッフホルツ氏は国立大気研究センター（National Center for Atmospheric Research）のプロジェクト科学者で、煙に含まれる化学物質を測定するのではなく、山火事が始まってから数時間、数日、数週間後に煙がどこへ向かうかを予測しています。また、煙の発達に合わせて飛行機をどこに飛ばすべきか、パイロットの判断にも協力しました。
飛行機が小規模な農業火災のサンプルを採取している間、飛行機は一般的な飛行経路をたどっていたが、ブッフホルツ氏と地上の他の科学者が他の場所で火災のホットスポットを見つけた場合、パイロットに伝え、パイロットは飛行経路を変更してその方向に向かう許可を得た。
「そして私たちはみんな、彼らが『煙が見えた』と言うのを爪を噛んで待っていて、彼らが『煙が見えた』と言ったとき、私たちは『そうだ！』というんです」と彼女はEartherに語った。
このユニークな火災対策ミッションは何年も前から計画段階にあったが、気温上昇の影響もあって西部の火災が激しさを増し、破壊力も増している中で、まさに絶好のタイミングで実現した。「多くの人が西部に移住しているため、都市部と山火事の境界付近の人口密度が高まっています」とギルマン氏は述べた。
今夏のミッションの結果は現在処理中で、完了までには数年かかる見込みですが、研究者によると、既にいくつかの知見が得られ始めています。ブッフホルツ氏と他の煙モデル作成者は、測定データを用いて今後の火災排出モデルの改良に役立てる予定です。ウルフ氏は火災排出物から発生するホルムアルデヒドを測定し、FIREX-AQのデータを用いてNASAの衛星で測定されたホルムアルデヒドと比較する予定です。今夏収集される膨大な量の測定データと統計データは、科学者が煙の成分と動きをより深く理解するのに役立つだけでなく、学際的な公衆衛生研究のためのデータを提供することにもなります。
科学者たちは夏の間中、膨大な量のデータを収集するためにかなりの空酔いに悩まされましたが、最終的にはその甲斐がありました。「火災のサンプル採取だけを目的としたミッションは初めてです」とウルフ氏は語ります。「これで、排出物が何であるか、そしてそれが大気質にどのような影響を与えているかを、本当に正確に把握できると考えています。」
シェイナはアリゾナ州フェニックスを拠点とするフリーランスの科学ジャーナリストです。Twitterで彼女をフォローできます。
