ある 学校の せいとたちが、ろうそくを 入れた いれものから、空気を 少しだけ ぬいて みました。すると 十数びょうで、ほのおが まるく なり、色も 青く かわったそうです［8］。

せんこうの けむりを 近づけると、空気の ながれが とまって いました。それで ほのおが まるく なった、と たしかめて います［8］。

では、青く なったのは なぜでしょう。せいとたちは「ねつが ひくく なったから かも」と うたがいましたが、けっきょく「わからない」と ほうこく しました［8］。わからない ことを、わからないと 書いた ところが、すてきです。

この じっけんから、上に のびる かたちには 空気の ながれが かかわって いると 分かります。黄色い 色の ほうは、ほのおの 中の 「すす」が かぎです。その 前に、まず ほのおって なにが 光って いるのか、見て みましょう。

奈良女子大学附属中等教育学校の生徒たちは、ろうそくを入れた容器から空気を少しぬくと、十数秒で炎が丸くなり、青く変わることを見つけました［8］。

線香の煙を使って空気の動きを見ると、対流が止まっていました。炎が丸くなったのは、それが理由だと確かめています［8］。一方、青くなった理由は、温度が下がったためではないかと疑ったものの、この研究では「不明」と報告されました［8］。

地上の炎は上にのびて黄色く、空気をぬくと丸く青くなる。この実験から、上にのびる形は空気の流れ（対流）がつくっていると分かります。黄色い色のほうは、炎の中のすすが鍵になります。この差をくわしく説明するには、まず炎の中で何が光っているのかを知る必要があります。

奈良女子大学附属中等教育学校の生徒は、ろうそくを入れた容器の空気を少しぬくと、十数秒で炎が丸くなり、青く変わることを発見した。線香の煙で空気の動きを観察し、対流が止まるために炎が丸くなると確かめている［8］。

これに対し、色の変化の原因は、温度の低下が疑われたものの、この研究では「不明」とされた［8］。形は対流で説明がつき、色は未解決のまま残ったことになる。なお、この結果は後で見る宇宙の実験と同じ向きだが［5］、容器の中の青い炎と宇宙の青い炎を、同じ原因と断定する材料はない。

形と色を別々に考える必要がありそうだ。そのためにも、炎のどこで何が光っているのかを、先に押さえておく。

ほのおは、気体が もえて、光と ねつを 出して いる ところです［1］。ことばの もとは「火の ほ」だと いわれます。

木や あぶらのような、かたい ものや 水のような ものも、ねつで 気体に なって、その 気体が もえると ほのおに なります［1］。

ところで、ほのおは「プラズマ」だと 聞いた ことが ある人も いるかも しれません。ろうそくの ほのおは、いちばん あつい ところで 1500度ほどですが、プラズマには ならない くらいの 温度だと いわれます［4］。

ほのおの 赤や 黄色の 光は、プラズマだからでは ありません。光って いるのは、べつの ものです。

百科事典（Wikipedia）によると、炎とは、気体が燃えるときに光と熱を出している部分のことです。木や油のような固体や液体も、熱で分解したり蒸発したりして、燃える気体が出ると、それが燃えて炎になります［1］。炎の語源は「火の穂」とされます［1］。

炎は「プラズマ」だという説明を見たことがあるかもしれません。プラズマは、電子がはぎ取られた電気を帯びた気体です。アメリカの大学の科学Q&Aによると、ふつうの炎は温度が低く、プラズマとして働くほどには電気を帯びていません。ろうそくの炎の最高温度は約1500℃、アセチレンという燃料の炎は約3100℃に達し、こちらはプラズマとみなせるそうです［4］。

炎の赤から黄色の光も、プラズマだからではありません。では、何が光っているのでしょうか。

炎は、燃焼する気体が光と熱を発している部分を指す。固体や液体の燃料も、熱で分解・蒸発して生じた可燃性の気体が燃えて、はじめて炎になる［1］。語源は「火の穂」とされる。

「炎はプラズマか」という疑問には、条件つきの答えがある。ウェストテキサスA&M大学の科学Q&Aによれば、ろうそくや木、ガスの炎は温度が低く（ろうそくの最高温度は約1500℃）、イオンの数が少ないため、プラズマとして働くほどには電離していない。アセチレン炎は約3100℃に達し、プラズマとみなせる［4］。つまり「炎＝プラズマ」とは言えず、とても熱い炎の一部がそうなる、という整理になる。

さらに、ふつうの炎の赤から黄の色は、プラズマだからではなく、すすが光るためだとされる［4］。では、すすはどのように光り、それを最初に実験で示したのは誰か。

黄色い 光の しょうたいは、もえきらなかった 黒い つぶ、「すす」です。すすが あつく なって、光って いるのです［2］。

イギリスの ファラデーは、1860年の 終わりごろ、子どもたちに むけた はなしの 会で、ほのおの 明るさは かたい つぶの おかげだと ためして 見せました［2］。

ものは、あつく すると 光ります。はじめは 赤、ねつが 上がると だいだい色、黄色、白っぽい 色へ かわります。色は ものの しゅるいより、おもに 温度で きまります［3］。

たけで 作った 電きゅうが だいだい色っぽいのも、温度が ひくいからです［3］。すすが 光る 黄色は、ろうそくの ほのおが それくらいの 温度だと いう しるしです。

ただし、青い 光は、すすの 光とは ちがいます。つぎに、その 話です。

ろうそくの炎が黄色く明るいのは、燃えきらなかった炭素の粒、つまりすすが熱くなって光るためです［2］。ものは熱くすると光り、これを熱放射といいます。

大阪市立科学館のコラムによると、ものを熱していくと、赤く光り始め、温度が上がるにつれてオレンジ、黄、白っぽい色へ変わります。この色は素材よりも、ほぼ温度で決まります［3］。竹のフィラメントを使った電球がオレンジ色っぽいのは、温度が低めだからです［3］。

子どもたちに見せた実験

イギリスのファラデーは、1860年の暮れの子ども向けクリスマス講演で、炎の明るさは固体の粒のおかげだと、実験で示したと伝えられています。講演は『ロウソクの科学』という本になりました［2］。

炎の明るさの正体は、燃えきらなかったすすです。では、炎の青い部分は何でしょうか。

ろうそくの炎が黄色く明るいのは、燃え残った炭素の微粒子（すす）が高温になって光る、熱放射のためである［2］。ファラデーは、1860年暮れのクリスマス講演（のちに『ロウソクの科学』として出版）で、炎が明るいのは固体の粒があるからだと実験で示した［2］。なお、講演の年は1848年とする資料もあるが、ここでは日本の資料に多い1860年説に従う。

熱放射とは、熱いものが温度に応じた色で光ることだ。大阪市立科学館の解説では、ものを熱すると赤、オレンジ、黄、白っぽい色の順に変わり、色は素材よりも温度でほぼ決まる［3］。竹フィラメントの電球が橙色っぽいのは、温度が低いからだとされる［3］。炎の黄色は、すすがその温度に熱せられている印とみられる。

ただし、ここから「炎の光はすべて熱放射」と読むのは行きすぎだ。炎には、まったく別の仕組みで光る青い部分がある。

ろうそくの ほのおは、いくつかの ぶぶんに わかれます。そとがわは 空気が たっぷり あって、いちばん あつく、青く 光ります［1］。

この 青い 光は、すすでは ありません。ものが もえて いる とちゅうの 小さな つぶが、ねつを もらって 光るからだと いわれます［1］。

ほのおの 中がわは、空気が たりません。そこで すすが できて、だいだい色に 光ります［1］。

つまり ほのおには、すすの 光と、青い 光の 2しゅるいが あります。ただし、もえて いる ところの すべてが 青と 黄色に きれいに わかれる わけでは ありません。

では、ほのおの かたちは、どうして しずくの ように なるのでしょう。

ろうそくの炎は、外側から外炎、内炎、炎心に分けられます。酸素が十分にある外炎は、いちばん温度が高く、青く光ります。これは、燃える途中の分子が熱でエネルギーを受け取り、そのエネルギーを光として出すためだと説明されています［1］。

その内側の内炎は、酸素が足りません。そのためすすができて、オレンジ色に光ります［1］。

炎の光は2種類あることになります。すすが熱で光る黄色からオレンジの光と、燃える途中の分子が出す青い光です。

次の疑問は、形です。炎はなぜ、しずくのように上にのびるのでしょうか。

ろうそくの炎は、外炎・内炎・炎心に分かれる。酸素が十分な外炎は最高温で、反応の途中にできる分子の発光が、青い色に関わるとされる。酸素が不足する内炎ではすすが生じ、橙色に熱放射する［1］。ここで励起とは、分子が熱でエネルギーの高い状態になることを指す。

炎の光は、発光の仕組みが異なる2種類からなる。固体の粒（すす）による熱放射と、気体分子の発光だ。同じ「光る」でも、前者は温度で色が決まり、後者は分子の種類で決まる。

注意したいのは、青という色から、星の青さのような「高温」を連想してはいけない点だ。高温の天体の青は熱放射の色で、炎の青い発光とは別の話である。また、容器で見つかった青い炎が低温の炎かもしれない、という推測は［8］、ここで述べた外炎の青とも同じとは限らない。

次は形だ。炎の形は、なぜしずくのようになるのか。

あつい 気体は かるく なって、上に のぼります。ストーブの 上で 空気が ゆらゆら するのと 同じです。この 気体の うごきを「たいりゅう」と いいます。

ろうそくの ほのおでは、この たいりゅうが、下から 新しい 空気を すいこみ、あつい 気体を 上へ おし上げます。そのため、ほのおは しずくの ように 上に のびます［5］。

この たいりゅうは、すすも ほのおの 先まで はこんで います。黄色く 見えるのは、そのためです［5］。

じゃあ、たいりゅうが なかったら？ せんこうの けむりの じっけんで、空気が とまった ときは、ほのおが まるく なりました［8］。

では、たいりゅうが おきない うちゅうでは、ほのおは どう なるのでしょう。

熱い気体は軽くなって上へのぼります。この浮力による空気の流れを対流といいます。NASAの説明によると、地上のろうそくの炎がしずく形なのは、この対流のためです。対流は、すすを炎の先まで運び、それが炎を黄色く見せています［5］。

炎の下では、まわりの空気が吸い込まれ、熱い気体が上へ押し上げられています。そのため炎は、細長く上にのびます。

この説明は、中高生の実験とも合います。容器の空気をぬいて対流が止まると、炎は丸くなりました［8］。

では、対流がもとからない場所では、炎はどうなるのでしょうか。

地上のろうそくの炎がしずく形になるのは、重力のもとで、熱せられて軽くなった気体が浮力で上昇し、その流れが炎を引きのばすからである。NASAの解説は、この浮力対流が炎をしずく形にし、すすを炎の先端へ運んで黄色くしていると説明する［5］。つまり形と、黄色さの一部は、同じ対流で決まっている。

この説明は、冒頭の観察の確かめにもなる。容器の空気をぬいて対流が止まり、炎が丸くなったのは、対流が形をつくっているという説明と一致する［8］。一方、色が青くなった理由が不明のままなのは、対流が止まると、すすの出方やその光り方など、いくつかの条件が同時に変わるためと考えられる。ただしこの点は、生徒の報告にも断定する記述はなく、あくまで推測にとどまる。

対流は重力があって初めて起きる。では重力がほとんどない場所では、炎の形も色も変わるはずだ。それを確かめた実験がある。

うちゅうでは、たいりゅうが ありません。NASAは、そこでの ほのおは まるくて 青く、すすが 見えなく なる、と はなして います［5］。

スペースシャトルでも、ろうそくを もやす じっけんが、70回ほど ありました。はじめの みじかい あいだは すすが 見えますが、そのあと、はんきゅうの かたちの 青い ほのおに なりました［6］。空気と ひろさが たりれば、もえつづけられた そうです［6］。

2023年には、中国の うちゅうステーションで、ろうそくに 火を つける じゅぎょうが 中けいされました。ほのおは、たてに ながく ならず、ほぼ まるい かたちでした［7］。

いまは、うちゅうの まるい ほのおで、すすが できる しくみを しらべる けんきゅうも あります。すすの 出ない ほのおの つくりかたを さがす ためです［9］。

ただし、うちゅうの 青い ほのおと、あの せいとたちの 青い ほのおが、同じ りゆうで 青いのかは、まだ わかりません。

スペースシャトルで行われた実験（USML-1）の報告には、約70回のろうそくの試験がまとまっています。微小重力では、炎は最初の短い間だけすすが見えたあと、半球形の青い炎になります。すすは見えなくなり、炎と芯の距離は大きく広がりました。空気と空間が十分なら、そのまま燃え続けられると結論されています［6］。

NASAの説明でも、微小重力では対流がないので、炎は球形で、すすがなく青くなります［5］。

2023年には、中国の宇宙ステーションで、宇宙飛行士がろうそくに火をつける授業が生中継されました。炎は縦長でなく、ほぼ球状だったと報じられています［7］。

すすの出ない炎をさがす

宇宙ステーションでは、丸い炎を使って、すすができる仕組みを調べる実験も行われています。ワシントン大学セントルイス校の発表によると、すすの出ない青い炎の作り方を探るのが目的です［9］。すすが出ない炎は、将来の燃焼の研究に役立つかもしれません。

ただし、宇宙の青い炎と、教室の容器の中の青い炎が同じ理由で青いのかは、資料ではまだ結論が出ていません［8］。

NASAの解説は、微小重力では対流が起きないため、炎は球形（ろうそくでは半球形）になり、すすが見えず青くなると述べる［5］。スペースシャトルのUSML-1で行われた約70回のろうそくの試験でも、炎は最初の短い間だけすすが見えた後、半球形の青い炎（すすがないように見える）になり、炎と芯の距離（スタンドオフ距離）が大きくなった。空気と空間が十分なら燃え続けられる、と結論されている［6］。

これは、地上で観察された形・色の変化と同じ向きだ［8］。2023年には、中国の宇宙ステーションでろうそくに火をつける授業が生中継され、炎はほぼ球状だったと報じられた［7］。ただし、後者は二次資料にもとづく。

では、この研究は何の役に立つのか。ワシントン大学セントルイス校の発表によれば、ISSの実験は、球形の炎ですすができる仕組みを調べ、すすの出ない青い炎の作り方を探るものだ。重力が作る対流を取り除くことで、すすの生成そのものを調べやすくなる、という考え方による［9］。

残る問いもある。宇宙の青い炎は、すすが見えないことと関係がありそうだが、容器の中の青い炎の理由は「不明」とされた［8］。両者を同じ原因と結ぶ資料はなく、ここは未解決の課題として残る。

おうちの 人と いっしょに、ろうそくの ほのおを、よこから 見て みましょう。青い ところと 黄色い ところは、どこに ありますか。すすの 黄色い 光と、青い 光は、べつべつの 光でした。

つぎに、おうちの 人に 火を つけて もらい、金ぞくの スプーンの うらを、黄色い ところに 2〜3びょうだけ 近づけます。黒い ものが つくか、見て みましょう。スプーンは すぐ あつく なるので、ながい えを おうちの 人に もって もらいます。

火の まわりに かみの 毛や ふくが 近づかない ように し、水の 入った コップを 近くに おきましょう。ガスコンロの ほのおも、見て かまいません。ろうそくと くらべて、色や かたちの ちがいを さがして みてください。

ファラデーの『ロウソクの科学』は、子どもに むけた はなしの 会が もとの 本です。日本語に なった ものも あります。

家の人といっしょに、ろうそくの炎を横から観察してみましょう。青い部分と、黄色くオレンジ色に見える部分は、どのあたりにあるでしょうか。

次に、家の人に火をつけてもらい、金属のスプーンの背を、炎の黄色い部分に2〜3秒だけ近づけます。黒いものがつくかどうかを見ます。ついたとすれば、それは燃えきらなかった炭素、つまりすすだと考えられます。スプーンはすぐ熱くなるので、長い柄を家の人に持ってもらい、近くに水を入れたコップを置きます。髪や服が炎に近づかないようにも注意してください。

ガスコンロの炎が見られるなら、ろうそくと見くらべて、色や形のちがいを探すこともできます。ちがいが出る理由は、このメモの資料では扱っていないので、自分で調べる問いとして残ります。

原典に興味がわいたら、ファラデーの『ロウソクの科学』はProject Gutenbergで英語の全文が読めます［2］。日本語訳の本も出ています。NASAの炎の比較画像［5］は、英語ですが、地上と微小重力の炎の差を見られます。

観察するなら、大人と一緒に、ろうそくの炎を横から見て、青い部分と黄・橙の部分の位置を確かめる。金属スプーンの背を黄色い部分に2〜3秒だけ近づけ、黒い付着物（すすと考えられる）を見る方法もある。スプーンは熱くなるため、長い柄を大人に持ってもらい、水を近くに置き、髪や衣服を炎に近づけない。ガスコンロの炎との色・形の違いを見くらべることもできるが、その理由はここで使った資料では扱っておらず、自分で調べる問いになる。

資料は、炎の光とすすの関係ならファラデー『ロウソクの科学』（Project Gutenbergに英語全文）［2］、形と微小重力ならNASAの解説［5］とUSML-1の報告［6］、色と形の教室実験なら奈良女子大学附属中等教育学校の報告［8］が読める。生徒が「不明」と書いた青い色の理由は、まだ決着していない問いとして、読む人に残されている。