おせんこうの けむりは、すっと 上へ のぼります。けむりは かるい、と おもう 人も おおいでしょう。

ところが、小学校の 理科の 先生むけの しりょうには、ふしぎな ことが かいて あります。ビーカーの 中に おせんこうの けむりを しずかに ためると、けむりは かべに そって、そこへ うつって いく のです［6］。

けむりの つぶは、空気より おもい。そう せつめい されて います［6］。ただし、けむりの つぶは ものによって ちがいます。ここでは、おせんこうの けむりの 話です。

では、おもい つぶを 上へ のぼらせて いるのは、だれなのでしょう。

線香の煙は、すっと上へのぼります。だから、煙の粒は軽いのだろうと考えがちです。

ところが、栃木県の教育関係の教材資料には、小学校4年の理科の実験について、こう説明があります。線香の煙をビーカーに静かにためると、空気より重い煙が、ビーカーの壁づたいに底へ移動する、というのです［6］。

この資料は、温められていない煙の粒が空気より重い、と説明していると読めます。もちろん粒の中身は、すす、灰、水滴などで変わるので、「多くの煙の粒は」くらいに受けとめるのが安全です。

粒が重いのなら、上へ運んでいるのは粒ではない別の何かです。その正体を見ていきます。

煙の粒は軽いから上がる、と考えたくなる。ところが、栃木県の教育関係デジタル教材の線香の煙の対流実験の解説は、静かに煙をためたビーカーの中では、空気より重い煙が壁づたいに底へ移動すると書く［6］。

この資料の主張の中心は、温められていない煙の粒は空気より重く、上に行く力は粒ではなく温められた空気にある、という点だ。粒の組成（すす、灰、水滴など）で事情が変わるため、一般化しすぎず、「多くの煙の粒は」と限定して読む。出典が教育資料1件である点にも注意したい。

粒が空気より重いなら、上昇の原因は別にある。では、何が粒を持ち上げているのか。

けむりを 上へ はこぶ のは、まわりの 空気です。ものが もえると、そのまわりの 空気が あたたまります。

空気は、あたたまると ふくらみます。ふくらむと、おなじ 大きさあたりの おもさが へって、かるく なります［11］。かるい 空気は、まわりの 空気に おされて、上へ のぼります。

ねつ気球も、おなじ かんがえ方です。気球の 中の 空気を あたためて、まわりより かるくして、うかせて います［1］。

おおまかな 数字では、20度の 空気に くらべて、100度の 空気は 2わりほど かるく なります［3］。そして、あたためられた 空気は、まわりの 空気を おしのけた ぶんだけ、うく ちからを うけます［2］。

けむりの つぶは、その 空気の ながれに のせられて、一しょに 上へ いきます。

温まると、空気は軽くなる

同じ気圧のもとでは、空気は温度が上がると膨らみます。同じ重さでも体積が増えるので、1立方メートルあたりの重さ（密度）は小さくなります。周りの空気より軽くなった空気には、浮力がはたらきます［11］。熱気球が浮くのも、この考え方です［11］。

浮力はアルキメデスの原理で説明されます。物体は、押しのけた流体（液体や気体）の重さに等しい浮力を受けます［2］。空気の中でも同じです。温められた空気のかたまりは、同じ体積の周りの空気より軽いので、押しのけた空気の重さのほうが勝って浮きます。

どれくらい軽くなるのか

乾燥した空気は、0℃で1立方メートルあたり約1.29kgです［3］。同じ気圧なら、体積は絶対温度に比例します。これを使って私が計算すると、20℃で約1.20kg、100℃で約0.95kgになります。0.95÷1.20≒0.79なので、100℃の空気は20℃の空気より約2割軽い計算です。出典に書かれた数字ではなく、0℃の値からの計算値です。

百科事典も、上昇気流が生じる場合の一つとして、地表近くの空気が熱せられて軽くなり、上昇する場合を挙げています［4］。

気体は一定の圧力のもとで温度が上がると膨張する（シャルルの法則）。同じ質量で体積が増えれば密度は下がり、周囲より密度の低い空気塊には浮力がはたらく。熱気球が浮くのと同じ考え方だ［11］。浮力は、物体が押しのけた流体の重さに等しいというアルキメデスの原理で、液体にも気体にも成り立つ［2］。押しのけた空気の重さが自分の重さを上回れば、その空気塊は浮く。

では、どれくらい軽くなるのか。乾燥空気の密度は、0℃・1気圧で約1.293kg/m³とされる［3］。同じ圧力では体積が絶対温度に比例するから、密度は反比例する。1.293×273.15÷293.15≒1.20kg/m³（20℃）、1.293×273.15÷373.15≒0.95kg/m³（100℃）。0.95÷1.20≒0.79で、100℃の空気は20℃の空気より約2割軽い。これは0℃値からの自分の計算で、出典に20℃・100℃の記載はない。湿度は考えない乾燥空気の場合である。

百科事典は、上昇気流の生じる場合の一つとして、地表付近の空気が熱せられ軽くなって上昇することを挙げ、暖められた空気塊が浮力で上昇すると説明する［4］。

けむりの つぶは、空気より おもい のに、なぜ おちて こない のでしょう。

ひみつは、つぶの 小ささです。たばこの けむりの つぶは、よこはばが 1ミリの 1000ぶんの 1より 小さい と いわれます［7］。はなこの つぶは、その 30ばいほど あります。

こんなに 小さい つぶは、空気の ながれに のって はこばれる ことが あります［7］。上へ むかう 空気の ながれに のると、つぶは うかんで いる ように 見えます。

水の 中の 小さな ごみが、水の ながれに のって はこばれる のに にて います。ただし、けむりは 空気の 中の 話です。

煙の粒が落ちずに運ばれるのは、粒がとても小さいからです。タバコの煙の粒は直径1.0マイクロメートル（1ミリの1000分の1）以下で、花粉の約30マイクロメートルより、ずっと小さいとされています［7］。薪や線香の煙の粒の大きさは別なので、ここでは大きさの目安として見ています。

粒がこれだけ小さいと、空気の流れに乗って運ばれることがあります［7］。粒は重くても、上へ向かう空気の流れに乗れば、浮いているように見えます。

重いはずの粒が落ちずに運ばれるのは、粒が極めて小さいからだ。タバコ煙の粒径は1.0μm以下、花粉は約30μmで、PM2.5は2.5μm以下とされる［7］。粒がこの大きさだと、空気の流れに乗って運ばれることがある［7］。上向きの流れがあれば、粒はその流れとともに上がる。

ここで物理を整理すると、「温められた空気が軽くなって上がる」ことと、「煙の粒が空気の流れに運ばれる」ことは、別の2つの現象だ。前者が駆動力で、後者はその結果である。粒の大きさは線香や薪ではちがうので、タバコ煙の値は目安にすぎない。

かじの ときの けむりは、ものすごい はやさで 上へ むかいます。東京しょうぼうちょうの しりょうに よると、かいだんの ような 空間では、1びょうに 3〜5メートル ほども すすむ そうです［5］。

けむりは、もえた ものから でて くるので、あたたかく、空気より かるく なります。だから てんじょうの ほうや、上の かいへ はやく あがって いく のです［5］。

だから、にげる ときは、しせいを ひくく して、けむりを すわない ように する、と すすめられて います［5］。

火災のときの煙は、どれくらいの速さで上がるのでしょうか。東京消防庁の防災学習資料によると、階段など縦の空間を上昇する速さは、1秒に約3〜5mです［5］。

同じ資料は、煙は燃えたものから出るので暖かく、空気より軽いため、天井の方や上の階へ上がる速さが速い、と説明します［5］。ここでいう「軽い」は、煙の粒が軽いという意味ではなく、熱い空気と一緒になっているから軽い、と読むとつじつまが合います。

そのため避難では、姿勢を低くして煙を吸わないようにと勧められています［5］。

火災の煙は、どれほどの速さで上がるのか。東京消防庁の防災学習資料は、煙は燃えたものから発生するので暖かく、空気より軽いため、天井や上の階へ上がる速さが速いとする。縦の空間（階段など）を上昇する速さは、1秒に約3〜5mだ［5］。避難では姿勢を低くして煙を吸わないよう勧めている［5］。

ここでの「煙が軽い」は、章2・3で見たとおり、粒ではなく、熱い空気と一緒になった全体の見かけの密度を指すと整理できる。粒単体は空気より重いとされるが［6］、温かい空気の流れが、粒を高い位置まで運ぶ。

のぼって いった けむりは、ずっと 上へ いくのでしょうか。たばこの けむりの はしらを 見ると、はじめは なめらかに 上がって いきます。やがて、ゆらゆらと みだれて きます［10］。

のぼる けむりは、はしの ほうで まわりの 空気を とりこんで、まざりながら ひろがる、と いわれます［10］。まざると、あたたかさが うすまって、まわりと おなじような おもさに ちかづくと 考えられます。

そうすると、上へ おす ちからは よわく なります。だから けむりは、ふとく なり、うすく なって、やがて 見えなく なります。とまる ばしょは きまって いなくて、まわりの 空気や へやの ようすで かわります。

煙の柱は、なめらかから乱れへ

周りより軽い流体のかたまりが、外から押されずに上がっていく状態を、流体力学では「浮力を持つプルーム」と呼びます。プルームは、上がるにつれて縁で周りの流体を取りこみ、広がります［10］。

タバコの煙の柱では、なめらかな流れ（層流）が、乱れた流れ（乱流）に変わる様子がはっきり見えます［10］。この資料は英語の百科事典で、一次資料ではない点に注意が要ります。

勢いが弱まる理由

煙が止まる高さは決まっておらず、周りの空気や部屋の条件で変わります。周りの空気と混ざれば、温かさは薄まります。周りとの温度の差が小さくなれば、密度の差も小さくなり、浮力は弱まる、と考えられます。これは、温かい空気が軽いという前の章の考え方から導いた説明です。

周囲より軽い流体の塊が外力なしに上昇する状態は、流体力学で「正の浮力をもつプルーム」と呼ばれる。プルームは、上昇しながら縁で周囲の流体を取りこむ（エントレインメント）ため、通常は広がる［10］。タバコの煙の柱では、層流から乱流への遷移がはっきり見える［10］。

では、なぜ上昇は弱まるのか。止まる高さは固定ではなく、周囲の条件で変わる。周囲の空気を取りこめば、煙を含む空気塊の温度は周囲に近づき、密度差が縮む。密度差が小さくなれば浮力も弱まるから、上昇の駆動力は弱くなる。これは章2の一般論からの推論で、出典がこの点を直接述べているわけではない。

けむりが 上へ のぼる ちからを、人は ずっと つかって きました。それが、煙突えんとつです。

えんとつには、ふたつの やくわりが あります。ひとつは、けむりを たかい ところへ みちびいて、ちじょうへの えいきょうを 小さく する こと。もうひとつは、中の あつい 気体と そとの 空気の おもさの ちがいを つかって、下から 空気を ひきこむ ことです［8］。

ひきこまれた 空気が、ものを もやす 手つだいを します。ひきこむ ちからは、中の 気体と そとの 空気の おもさの ちがいから うまれます。

たてものの 空気の入れかえでも、おなじ しくみが つかわれます。ふきぬけを 空気の とおりみちに すると、風が なくても 空気が うごく ことが きたい できる そうです［9］。

煙突の二つの役割

世界大百科事典によると、煙突の目的は二つです。煙を高いところへ導いて拡散させ、地表への影響を小さくすること。そして、煙と周囲のガスの密度差を利用して、通風力、つまり空気を引き込む力をつけることです［8］。

建物の換気にも使われる

大阪府の技術資料は、暖められた空気が軽くなって上昇する現象を「煙突効果」と呼びます。吹き抜けを風の通り道にすれば、風がなくても温度差による換気が期待できる、と述べています［9］。

煙を上げる力は、煙そのものではなく、温められた空気の軽さです。人はその力を、燃やすための空気の取り込みや、建物の風通しに使ってきました。

煙突の目的は、世界大百科事典によれば二つある。煙を高所へ導いて大気拡散を促進し地表への影響を小さくすることと、煙と周囲ガスとの密度差を利用して通風力をつけることだ［8］。煙突は、内部の熱い気体と外気の密度差を利用して空気を引き込む。

同じ原理は建築の換気にも使われる。大阪府の技術資料は、暖められた空気が軽くなって上昇する現象を煙突効果と呼び、吹き抜けを風の通り道にすれば無風でも温度差換気が期待できるとする［9］。煙そのものではなく、温められた空気の浮力こそが、煙も換気も動かしている。

かならず、おとなと いっしょに やって ください。ひを つかう ので、ふとんや かみの ちかくでは しません。

まどを しめて、かぜの ない ところで、おせんこうに ひを つけます。けむりを すいこまないよう、みじかい じかんだけ 見て、おわったら ひを けして、へやの 空気を いれかえます。けむりの はしらの、すぐ 上の ほうは なめらかですが、すこし 上で ゆらゆら みだれる ところが ありませんか。

たばこの けむりの はしらでも、おなじような みだれが 見えると いわれます［10］。どこで みだれ始めるか、さがして みましょう。

おとなの人と一緒に、線香の煙を観察してみましょう。火を使うので、布や紙の近くは避け、窓を閉めた風のない場所で、水を用意してから始めます。煙を吸いこまないよう短い時間だけ観察し、終わったら火を消して、部屋の空気を入れかえましょう。

煙の柱の根もとは、なめらかに上がります。少し上で、ゆらゆらと乱れ始める高さがあるはずです。乱れ始める高さを、線香の台からの距離で目で見て、近くの物と比べてみましょう。部屋の中の風や、人の動きでも変わります。

乱れはじめる高さは、いつも同じとは限りません。記録を取れば、季節や部屋の温度で変わるかを調べる手がかりになります。この記事で使った資料のうち、東京消防庁の防災学習資料［5］と、栃木県の線香の煙の実験の資料［6］は、日本語で読めます。

観察するなら、大人と一緒に、風のない窓を閉めた部屋で線香の煙の柱を見る。火を使うので、可燃物から離し、水を用意する。煙を吸いこまないよう短時間で観察し、終えたら火を消して換気する。柱が層流から乱流へ変わる高さを、線香の台からの距離で目測し、部屋の温度や換気の条件を変えて比べると、プルームの安定性を調べる手がかりになる［10］。

資料の読みどころは二つある。①粒が空気より重いという主張は、教育資料1件だけの記述で［6］、粒の組成によって変わる。②冷えて浮力が弱まるという説明は、一般論からの推論である。①②は、物理の教科書や気象の資料で確かめる価値のある問いだ。