東京工科大学　工学部　応用化学科　ブログ

　今回のお題は表題とおり、なぜ雷が「稲妻」と呼ばれるのか、についてです。なんで雷が「稲の奥さん」なのでしょうか？

　理由は「雷があると稲の実りが良くなるから。」です。「奥さんと実りに何の関係が...」というと難しい話になりそうですが、「雷と実りの関係」に注目すると少し化学の世界に近づいてきます。

　雷は大気中での大規模な放電現象であり、そのさい普通には起こらない化学反応も起こります。おそらく窒素分子の分解も起こる。通常の環境ではほぼ起こることのない窒素分子の活性化によって窒素酸化物などが生じ、それが窒素肥料の役割を果たすことで植物の（ここでは稲の）成長が良くなる、という訳です。

　窒素原子は大気の8割を占める窒素ガスの形で自然界に大量に存在しています。同時に生物の体を構成するタンパク質の基本要素、アミノ酸に必ず含まれている元素でもありますが、窒素ガスの分子はきわめて安定で植物はそれを直接吸収することはできません。（動物もですが。）窒素分子を分解してアンモニアや硝酸イオン、亜硝酸イオンなど、植物が利用できる形態に変化させる機能は自然界ではマメ科の植物の根に共生している根瘤バクテリアと呼ばれる細菌の作用が知られている程度です。雷の放電、つまり稲妻はもう一つの自然産の窒素肥料なのです。

　ハーバーボッシュ法による窒素固定技術が開発される以前、水田は窒素肥料不足の状態にあったはずですから、雷によって生じた窒素酸化物、窒素肥料を含んだ雨の降った場所は他より目に見えて稲の育ちが良かったのでしょう。

　「サステイナブル工学」。本学工学部の一つの特徴として打ち出しているコンセプトではありますが、「サステイナブル工学」は概念としては多くの人が考えているものの、「これがサステイナブル工学だ」という具体的な内容は定まっていないと思います。そこで今回のお題は私の考える「サステイナブル工学」ということにしましょう。

　さて、「サステイナブル工学」を考える前に今までの工学、というか現時点での工学とはどんなものかを考えて見ましょう。工学の誕生は産業革命と相前後していて、産業社会の進歩と同期して工学も進歩してゆきました。この産業と工学の進歩の成果は人々を豊かにするという点で疑いようもないほどに明白な成果を挙げています。多少の問題はあるとしても、この進歩の成果を全肯定することがサステイナブル工学の大前提だと私は考えています。

　この素晴らしい産業と工学ですが、このままでは環境破壊や資源･エネルギーの枯渇を招くことが分ってきました。このまま継続することはできない。つまり、現状の産業と工学はサステイナブルではないことが分かった。これは1970年代にはすでに広く知られる様になっていた考えです。

　ではどうすれば良いか。一つの考え方は環境破壊や資源･エネルギーの枯渇を防ぐために産業と工学の発展を抑制し、さらには後退させようという考えです。このような考えは私は絶対に認められません。そこが私の考える「サステイナブル工学」のポイントです。

　環境破壊や資源･エネルギーの枯渇のためいままでの工学はサステイナブルでは無い、ならば進歩を抑制し時代を遡らせるのか？

　ガス管と建物を排気するダクト、両者はともにガスを輸送するためのパイプなのですがガス管は比較的細いのに対してダクトは太いパイプが用いられています。ガスには圧力がかかっているのに対して排気にはそれほどの圧力がかかっていない、だからダクトの方がガスが流れやすい太いパイプが用いられている、というのは容易に想像できることだと思いますが、さてパイプの太さとガスの流れにはどのような関係があるのか、というのが今回のお題です。

　問題を正確に定義しましょう。パイプの長さが同じ、ガス管の両端の圧力差も同じだとしてパイプの太さが変わったときにガスの流量はどの程度変わるのでしょうか。パイプは折れ曲がりがなく直線でそれなりの長さがあるとします。また、圧力差は絶対圧にくらべて比較的小さく、入口から出口までの圧力変化によるガスの膨張は無視できる程度だとしておきましょう。

　まず、パイプの断面積の違いから太い方が流量が大きい、というある種当たり前の違いがあるでしょう。パイプの太さが2倍になれば断面積は4倍になります。断面積だけで考えればパイプが4本に増えたのと同じことですから、単純に考えればパイプの太さが2倍になれば流量は4倍になる、と考えられるでしょう。

　もう少し考えて、パイプの中の流れが制限されるのは壁面が流れを邪魔しているからだ、壁面とガスの間に摩擦が働いているからだ、と考えてみましょう。圧力差によってガスにかかる力はパイプの断面積に比例する一方、摩擦力はパイプの周囲長に比例しているはずですからパイプが太くなるほど摩擦力の影響は相対的に小さくなるはずです。断面積は直径の2乗、周囲長は直径の1乗に比例していますから、その比を考えると直径の2-1＝１乗に比例して流れやすくなるはずです。

　パイプの断面積と摩擦の影響、両方を考えると2+1=3乗に比例、つまりパイプの太さが2倍になると流量は8倍になると考えられるのでしょう。

　実はこの話はもう少し複雑です。まず、流れには「層流状態」と「乱流状態」があります。流れに渦や脈動がない状態は層流、流れが乱れて渦巻いている状態が乱流です。

　先日の記事ではGPSを利用した自動車の速度測定値と自動車のスピードメータのずれについて考察したのですが、今回は自動車のお話。西オーストラリアにフィールドワークに言った話の続きです。

　フィールドワークの現場の一つの農場の中の植林地があります。フィールドワークの開始前に農場主さんに挨拶がてら現場の様子を聞くのですが、今回言われたのは

今年の夏は最初は涼しかったけど今はものすごく暑いんだ（オーストラリアは南半球なので２月末から３月は夏なのです。）

刈り取りが終わった畑も今は完全にカラカラだよ。（この地域では比較的に降雨量の多い冬に農業を行います。）

ところで、今回はどんな車を借りてきたんだい？４WDのディーゼル車かい？

４WDは当然なのですが、今回はディーゼル車ではなくてガソリン車をレンタルしていました。車のクラス、というか大体のサイズは指定できるのですが、レンタカー会社では細かい車種の指定ができません。ディーゼル車は人気が高いらしく今回はガソリン車となったのです。農場主のケンさんにそう話すと

そうかー。じゃあ畑の中には入らないようにしないとなあ。

詳しく聞くと、どうやらガソリンエンジン車が枯れ草の上を走ると野火の原因になることがあるそうなのです。ガソリン車だと車の下の草に火がついて火事になる。ディーゼルエンジン車ならそんな問題はないのだとか。

レンタカー会社の車種選択の画面。ガソリン車かディーゼル車かは選べない仕様になっています。

　前回の記事でタブレットをフィールドワークで利用することを紹介しました。フィールドワークの現場では圏外でネットがつながらないこともある、というかつながらないことの方が多いのですが、それでもGPSは使えるというのが今回のお題です。

　GPSとインターネットは共に軍事利用を目的として開発された技術で1990年代の後半に一般的に利用されるようになりました。インターネットは移動体通信の技術と組み合わされることでスマートフォンやタブレットなど、持ち運びのできる端末が利用されるようになりました。インターネットで地図情報を受信し、それにGPSを利用した位置情報を組み合わせたものが現在広く利用されている地図アプリだ、ということができると思います。フィールドワークには地図アプリはとても便利なのですが、圏外になると位置情報はあっても地図情報が入手できない、ということでgoogle mapやiPhone標準の地図アプリはフィールドでは使えない、ということになります。

　GPSの情報は人工衛星からとどくものですから地球上どこでも空が見晴らせる場所なら届きます。インターネットは情報伝達の形式が決まっている訳ではありませんが、移動体通信で利用するなら携帯電話のネットワークを利用することになります。人のまばらな西オーストラリアの農業地帯の街と街の間のキャノーラ畑や林の中出ではGPSは使えてもインターネットには接続できません。（農場主の母屋には固定回線が来ていますが、家と家の感覚が数kmが普通、という環境ではネットにつなぐためには近隣の Town Center まで移動する必要があります。）

　ただ、地図情報を予めダウンロードしておけば圏外でも地図アプリを使うことができるはずです。

　MAPS.MEのスナップショット。ピンが打ってある場所はフィルードに設置したサイトや道しるべです。

　フィールドワーク、屋外での調査・研究活動は化学の分野ではあまりやらないことかもしれません。ただ私自身は「植物を利用した炭素固定」を研究テーマの一つとしているのでフィールドにでて計測などを行うことがあります。特にオーストラリアでの植林の研究はかれこれ２０年近く行っているのですが、昔と今ではフィールドワークのやり方も変わってきています。

　特に変わったのは使用する道具、なかでもタブレットを使うようになったことでフィールドワークはかなりやり易くなりました。

　まずＧＰＳ機能。フィールドワークを行う場所は「何丁目何番地」と住所が決められる場所ばかりとは限りません。フィールでの自分の居場所、目的地を簡単にしることができるようになったことは大きな進歩です。ＧＰＳ単体の機器もありますが、タブレットは地図アプリにフィールド内の場所を記録できるのが大きなメリットです。

　そして写真機能。いまだに専用のカメラには及びませんがタブレットなら簡単に記録を残すことができるので写真や動画をメモ代わりに使うことさえできるのです。

　ＧＰＳもデジタルカメラも20年前にはすでに存在していたのですが、それが一つでデバイスにまとまっていて、なおかつ安価に手にはいるわけです。タブレットがもたらした日常生活の変化も大したものですが、フィールドワークへの影響もかなりのものだ、ということができるでしょう。

　先の江頭先生の「地震と夏みかん」に、大地震発生直後は電話が通じたが、その後通じなくなった、という話しが記載されていました。

　大地震などの災害発生時に電話回線が混雑し、つながらなくなる現象は「電話網のふくそう」と呼ばれます。NTTのWeb Pageには：

「交換機の一定時間内に処理できる能力を越える電話が集中することにより発生するいわゆる「電気通信網の渋滞」のことを「ふくそう」いいます。ふくそうは、電話がつながらないことにより相手につながるまで繰り返し電話をかけ直す行為により増大します。」

「このふくそうが集中的に発生すると、交換機の処理量も比例することとなり、電話の接続処理が滞るだけでなくやがては交換機処理自体が停止してしまう恐れがあります。このような状態が発生する前に異常を検知し、交換機の処理を守ると共にふくそう状態においても最低限の通信（警察、消防などの重要な通信）を確保するように必要な制御を行います。」

と書かれています。

（https://www.ntt-east.co.jp/traffic/congestion_flow_index.html）

　地震や災害発生時に、家族以外の方へ、心配だからと外部から「大丈夫だった？」と知り合いに尋ねる行為、不要不急の電話は控える方が良いようです。

　2018年6月18日07:58の「大阪北部地震」のとき、東大阪市に住んでいる、うちの大学院１年（応用化学）の長男の安否確認のために、電話をしたかったのですが、このような通信トラブルを招かないようにメールでの安否確認に留めました。

07:59「オヤジです。地震、大丈夫か？。返信よこせ。」

　オーストラリアの内陸部にフィールドワークに行ったら気温が43℃だった！という話はこちらに書いています。余りのことにいろんな人にこの画像を送っていたのですが、そのうちのお一人からこんな感想をもらいました。

43℃も凄いですが湿度3％というもものすごい環境ですね！

なるほど。

　まず一つ断っておかなくてはならないのはこの温湿度計、実は湿度を3％まで正確に測定はできない仕様だそうです。このタイプのデジタル温湿度計では湿度が低いと「Lo」という表示になってしまうものもありますよね。

　さて、それを前提としてこの「湿度3％」という値を信じるとしましょう。この湿度はどのくらいの値なのでしょうか。例えばこの写真を撮った2019年2月23日11時、東京の気候は温度10.7℃、湿度 38％　でした。（これはアメダスのデータです。）と言うことは「大気中の水は13分の1程度」ということなのでしょうか。

　先日紹介した「Dollar Street」、世界のいろいろな収入レベルの人たちがどのような生活をしているのか、を多くの写真でイメージさせてくるサイトです。家族のポートレートや住んでいる住宅、調理の様子など生活のいろいろな側面が写真に撮られているのですが、その中の1つが「歯ブラシ」でした。

　収入レベルの高い家庭では電動歯ブラシが写っている所もありましたが、最も広い収入層で使われていたのはプラスチック製の歯ブラシ。中所得高位層、中所得低位層では家族1人1人に1本の歯ブラシがありますが、低所得層では家族で共有している、というのが一般的だそうです。（これはハンス・ロスリング博士等の「FACTFULNESS(ファクトフルネス)」での記述に拠ります。）

　とは言えこの「歯ブラシ」、写真だけ見ていると収入レベルの差が大きくてもあまり違いが無い様に見えます。歯ブラシ自体は比較的安価なものである一方で多くの人が切実に必要としてる。だから収入レベルが低いところでも多くの家庭に置かれているのでしょう。逆に収入が少ないからといって歯ブラシにかけるお金を節約するのは、せいぜい家族で1本を共有するぐらいしか手段がない、ということかも知れません。

　さて、今回のお題はどうしてもプラスチック製の歯ブラシを手に入れられないひとについて。つまり、プラスチックが発明される以前の昔の人たちがどのように歯の手入れをしていたか、についてです。

　地球温暖化は深刻な地球環境の問題です。パリ協定では世界の平均気温上昇を産業革命以前に比べて2℃以下に抑える、という目標を掲げていますが、さてこの目標は「十分」だと言えるのでしょうか。

　「一日の中でも温度が20℃近く変化する日がある。だから2℃くらい大したことはない。」それはそうなのですがここで目標とされているのは平均気温です。例えば八王子の最高気温の記録は２０１８年７月２３日の39.3℃ですが、これが41.3℃になる、ということだと考えると深刻です。それに温暖化による気温上昇は時間的にも空間的にも均一に起こる現象とは限りません。より気温の上がるところ、雨が多く降るところ、逆に寒気や干ばつに襲われるところもあるでしょう。

　では目標値はどうあるべきなのでしょうか。人間による地球環境への干渉を問題として位置付けるとすれば目標値はずばり0℃。産業革命前の水準を目的とするならば0℃以下が目標であるべきです。であれば人間は工業生産活動を直ちに中止し、この惑星の生態系の平穏を祈念しつつ西方浄土へと旅立つべきなのです。

　もちろん、これは理想論というより極論、はっきり言えば冗談ですが、でも「環境科学」という枠組みからはこのような答えしかでてこないのではないでしょうか。そう考えると「環境科学」は憂鬱な学問のように思えてきます。

出典）温室効果ガスインベントリオフィス

全国地球温暖化防止活動推進センターウェブサイト（http://www.jccca.org/）より