空気の冒険

アントワーヌ・ローラン・ラヴォワジエ（1743-1794）の化学実験。ラヴォワジエ、ラヴォワジエの妻、共同研究者のマリアンヌ・ピエレット・ポールゼ（1758-1836）の肖像画。ラヴォワジエは、定量的な研究方法をみちびき、空気中の窒素、酸素、二酸化炭素の量を測定。元素の組成、酸化、燃焼反応の正確な測定に尽力。空気は酸素と窒素で構成されていると推測。酸素の命名者。化学を物理学同様に精密な科学にまで高めた功績から、現在でも「化学の父」として尊敬される。 著書「Methods of Chemical Nomenclature of 1787」は、元素の組成によって物質に名前を付ける方法を定めており、現在でも使用されている。

人体の元素構成比を示したグラフィック。人体をつくる元素は、酸素（Oxygen）65.0％、炭素（carbon）18.0％、水素（hydrogen）10.0％、窒素（nitrogen）3.0％、カルシウム（calcium）1.5％、リン（phosphorus）1.0％。平均的な大人の体には、水（酸素と水素）が約50kg、炭素が約18kg、カルシウムが数kg、窒素とリンが少し、そして鉄が微量含まれている。生物を構成する元素の大部分は、水素、炭素、窒素、酸素の４元素。

風船に充填されたメタン（methane）の燃焼。メタンだけで満たされた風船、メタンと酸素の混合物で満たされた風船に点火し、燃焼の違いを観察。

1937年にニューヨーク上空を飛行したツェッペリン（Zeppelin）「ヒンデンブルク号（Hindenburg）」の映像と、レイクハーストでの事故映像。ツェッペリンは、20世紀初頭、フェルディナント・フォン・ツェッペリン伯爵が開発した枠組構造を持つ飛行船。1937年5月6日、ドイツの旅客飛行船LZ129「ヒンデンブルク号」は、米国ニュージャージー州のレイクハースト海軍航空基地のマストに係留する際に発火し、乗客97名のうち乗客13名、乗務員22名、地上職員1名の全36名が亡くなった。 英国ロックバンドのレッド・ツェッペリン（Led Zeppelin）は、失敗を意味する「鉛の風船(lead balloon)」を、大事故を起こしたヒンデンブルク号に置き換えたのが由来とされる。

19世紀までの計算機の歴史をたどる。古代のそろばん（abacus）からパスカルの計算機、英国の数学者チャールズ・バベッジが設計した階差機関（difference engine）に至るまでの計算装置。ジャカードのパンチカード、モーランド、ライプニッツ、ポレニの計算機を紹介。エイダラブレス、バベッジらの汎用解析エンジンで終わる。バベッジが提案した解析エンジン（analytical engine）は、現代のコンピューターに通じる、重要なステップを刻んだ。

ジョセフ・プリーストリー（Joseph Priestley：1733-1804）は、英国の神学者、哲学者、化学者、教育者、政治理論家。彼の最も有名な科学的研究は、気体（ガス）の性質に関するものだった。装置の巧妙な設計と注意深い操作により、プリーストリーは、酸素を含む8つのガスを分離して特性を評価し、これらの研究から最も重要な科学的テキスト、つまり6巻のさまざまな種類の空気に関する実験と観察（1774-1786）を明らかにしました。彼はまた、光合成と呼吸の解明にも貢献しました。 プリーストリーは、当時英国で支配的だった英国教会派でなく、プロテスタント教会派に属していたため、大学には入れてもらえず、神学校で学び牧師になった。その後、凧を上げて雷が電気によって起こる現象であることを発見したベンジャミン・フランクリンが、米国から英国に帰国していた際に、プリーストリーと意気投合し、フランクリンの推薦でロイヤル・ソサエティの会員となり、電気の研究に加え、二酸化炭素、酸素、窒素などの気体の研究でも多くの成果を残した。

周期表（periodic table）は、物質を構成する基本単位である元素を、それぞれが持つ物理的または化学的性質が似たもの同士が並ぶように決められた規則（周期律）に従って配列した表。酸素（oxygen）は、原子番号8の元素。元素記号はO。原子量は16.00。第16族元素、第2周期元素のひとつ。

ロバート・ボイル（Robert Boyle：1626-1691）は、アイルランド出身の化学者、物理学者、神学者。圧力と気体の体積の関係を実験から確かめた。一定温度では気体の体積と圧力は反比例するという「ボイルの法則（Boyle's law）」は有名。研究姿勢は錬金術（alchemy）を根幹としたが、化学が何かの利を得ようとするものであってはならないと説き、ニュートンなど著名な科学者と「ロイヤル・ソサエティ（学士院）」をつくり、学問の礎を置いた。1661年に出版された著書「The Skeptical Chymist」は、化学分野における礎石。

酸素と結合したヘモグロビン分子の3Dモデル。タンパク質鎖はオレンジ色のリボンで示されている。ヘムグループは球棒モデルとして示され、4つのヘムグループのそれぞれに単一の酸素分子が結合している。

ヤン・パブティスタ・ファン・ヘルモント（Jan Baptista van Helmont：1579-1644）は、17世紀フランドル（フランダース）の医師、化学者、錬金術師。「ガス（気体）」という概念の考案者。石灰石に酸を注ぐとき、木を燃やすとき、酒の発酵過程を観察し、二酸化炭素を発見した。フランドルは、現在のオランダ南部、ベルギー西部、フランス北部にかけての地域。

ガリレオ・ガリレイ（Galileo Galilei：1564-1642）は、イタリアの物理学者、天文学者。多くの星を計測し、コペルニクスの地動説を計算から明らかにしたり、ガラスのビンに空気を押し込み測定し、空気に重さがることを実証。天文学以外でも、多くの分野で科学的根拠に基づいた「科学的精神（scientific spirit, scientific mind）」への道を切り開いた。

ブレーズ・パスカル（Blaise Pascal：1623-1662）は、フランスの哲学者、物理学者、思想家、数学者、キリスト教神学者。大気には重さがあり、私たちを押さえつけていること。大気の無い場所（真空）をつくることができることを測定から見出した。パスカルの三角形（Pascal's triangle）、パスカルの原理（Pascal's principle）、パスカルの定理（Pascal's theorem）などの発見で知られる。現在でもパスカルの定理を用いた油圧ジャッキや自動車のブレーキなどの増幅装置が利用される。「人間は考える葦である」などの名文句で有名な書物「パンセ（pensee）」は、フランス人の高貴な精神を示すものとして、現在でも愛読されている。

ヤン・パブティスタ・ファン・ヘルモント（Jan Baptista van Helmont・1579-1644）は、17世紀フランドル（フランダース）の医師、化学者、錬金術師。「ガス（気体）」という概念の考案者。石灰石に酸を注ぐとき、木を燃やすとき、酒の発酵過程を観察し、二酸化炭素を発見した。フランドルは、現在のオランダ南部、ベルギー西部、フランス北部にかけての地域。

ロバート・ボイル（Robert Boyle：1626-1691）は、アイルランド出身の化学者、物理学者、神学者。圧力と気体の体積の関係を実験から確かめた。一定温度では気体の体積と圧力は反比例するという「ボイルの法則（Boyle's law）」は有名。研究姿勢は錬金術（alchemy）を根幹としたが、化学が何かの利を得ようとするものであってはならないと説き、ニュートンなど著名な科学者と「ロイヤル・ソサエティ（学士院）」をつくり、学問の礎を置いた。1661年に出版された著書「The Skeptical Chymist」は、化学分野における礎石。

ジャック・シャルル（Jacques Charles：1746-1823）はフランスの発明家、物理学者、数学者、気球乗り。1662年にロバート・ボイルが発表した「ボイルの法則」や同時代のヘンリー・キャヴェンディッシュらの業績を学んだシャルルは、水素が気球を持ち上げるのに適していると考え、乗り物を設計し、ロベール兄弟に製作を依頼。1783年8月、ロベール兄弟と共に、世界で初めて水素を詰めた気球での有人飛行に成功。同年12月には有人気球で高度約1,800フィート（550メートル）まで昇った。気球を恐れた人たちに、気球が襲撃されることもあった。

オットー・フォン・ゲーリケ（Otto von Guericke：1602-1686）は、ドイツの物理学者、工学技師、政治家。真空の研究で知られ、真空下では「鈴の音が聞こえないこと（音が伝わるためには空気が必要なこと）」、「動物は生きていけないこと」、「ろうそくが燃えないこと」を発見。

オットー・フォン・ゲーリケは、銅製の半球状容器（マクデブルクの半球：Magdeburger Halbkugeln）を2つ組み合わせ、その内部の空気を真空ポンプで排気すると、2つの半球は容易に離れないという実験を公開で披露。また気圧計を用いた天気の予想も行い、気象学の先駆けとなった。

ジョン・メーヨー（John Mayow：1640-1679）は、イギリスの医者、化学者、生理学者。イオウと木炭の粉と硝石からつくられた黒色火薬は、水の中でも燃えることを観察。空気や硝石の中に、燃焼に必要なものが含まれていることを突き止めた。 暗赤色の血液が空気にふれるとあざやかな赤色になることから、空気中に特殊な物質、つまり酸素があることを唱えた。酸素が血液中の燃える物質と化合し、熱を発生して生命を保つと主張したが、当時は理解されなかった。メーヨーの説は約100年後、アントワーヌ・ラヴォアジエやジョゼフ・プリーストリーによって認められた。

ジョセフ・ルイ・ゲイリュサック（Joseph Louis Gay-Lussac：1778-1850）は、フランスの化学者、物理学者。気体の体積と温度の関係を示す「シャルルの法則」の発見者の一人。アルコールと水の混合についても研究し、アルコール度数のことを「ゲイリュサック度数」と呼ぶ国もある。

ジョセフ・ルイ・ゲイリュサックは、1804年、ジャンバティスト・ビオとともに熱気球に乗り、6400mの高度まで上がって大気の調査を行った。異なる高度の大気サンプルを集め、温度と湿度の関係を記録した。

アメデオ・アヴォガドロ（Amedeo Avogadro：1776-1856）は、サルデーニャ王国（現イタリア）トリノ出身の物理学者、化学者。分子の研究に貢献し、分子の存在を提唱。1811年に発見した同圧力、同温度、同体積のすべての種類の気体には、同じ数の分子が含まれる「アボガドロの法則（Avogadro's law）」は有名。当時は、分子の存在が確認できなかったことから、仮説ととらえられていた。

ヘンリー・キャヴェンディッシュ（Henry Cavendish：1731-1810）は、英国の化学者、物理学者。寡黙で人間嫌いな性格だったことが知られる。金属と強酸の反応によって「水素（hydrogen）」が発生することを見出した。電気火花を使った水素と酸素の反応により水が生成することを発見し、水が化合物であることを示した。現在でもケンブリッジ大にキャヴェンディッシュ研究所が残る。

アントワーヌ・ラヴォアジエ（Antoine Lavoisier：1743-1794）は、フランスの化学者、貴族。1774年、体積と重量を精密にはかる定量実験を通して、化学反応の前後では質量が変化しないという「質量保存の法則（law of conservation of mass）」を発見。また燃焼を「酸素との結合」であることを突き止め、酸素と命名。当時信じられていたフロギストン説を打破したことから「近代化学の父」と称される。

エヴァンジェリスタ・トリチェリ（Evangelista Torricelli：1608年-1647）は、イタリアの物理学者。ガリレオ・ガリレイの弟子。約10メートルよりも深い井戸から水を直接吸い上げることができないことは古くから知られていたが、トリチェリは、測定と実験を繰り返し、大気圧（空気による圧力）によって水面が押されているのが原因という結論を導いた。圧力の単位トル (Torr) はトリチェリの名にちなむ。

火星（Mars）の大気は、95%が二酸化炭素（carbon dioxide）、3%が窒素（nitrogen）、1.6%がアルゴン（Argon）で、主に二酸化炭素で構成される。火星表面の大気圧は地球の160分の1。平均気温はマイナス43度、平均表面温度はマイナス63度。 最低気温はマイナス140度、最高気温は20度まで上がる。2021年2月24日、NASA（アメリカ航空宇宙局）の無人火星探査車「パーシビアランス（Perseverance）」が火星に着陸。小型ヘリコプター「インジェニュイティ（Ingenuity）」の飛行試験を開始し、2年にわたる火星探査をはじめる予定。

場の「空気を読まない（KY）」は、日本特有の事象といわれる。欧米では、「みんなで見て見ぬふり」、いわば「空気を読め」は、「Elephant in the room」というイディオム（スラング）で表現されることがある。また「同調圧力に負けるな」というニュアンスでも「Elephant in the room」が使われている。

ツール・ド・フランスのような自転車競技、スケート競技、マラソンなどでは、空気抵抗をいかにかわすかが、勝敗を左右する。最新の自転車競技の研究結果では、真正面からの向かい風に対し、8人のひし形体制で進んだ場合、先頭に比べ、進行方向左最後尾の受ける空気抵抗は、先頭の3分の１に減少することがわかっている。

「ジャンボ」の愛称で知られるボーイング747の車輪格納時のCd値（空気抵抗係数）は約0.1といわれ、車輪を出すと約0.2に倍増する。最近の自動車では、トヨタのプリウスのCd値が0.25から0.27。

1936年、クリーブランドとデトロイト間を走る流線型旅客列車「マーキュリー」。時速75から80マイル（121から129km/h）の速度で定期運行。エンジンと車体はヘンリー・ドレイファス（Dreyfuss：1904-1972）によって設計され、モダン・ストリームライン・デザインの代表例と見なされている。

ベルリンモーターショーで1933年2月11日に公開された、流線形（streamline）アルミニウムボディ。ベースシャシーとエンジンは、メルセデスベンツ170。Erdmann＆Rossi製造。量産車のニーズでは、空力性能よりトランクルームの広さが勝った。

1937年製メルセデスベンツW25 Avus streamliner。アルミニウムボディ、車重1,216kg。V型12気筒、5,577ccエンジンを搭載し、最高出力736bhp/5,800rpm。最高速度362km/hを誇った。

渡り鳥のハイイロガン（Anser anser）が、長距離を移動する際には、V字型の隊列を組む。先頭に比べ、後方に行くほど空気抵抗が少なくなる。一番空気抵抗の大きい先頭は、順番に交代する。

ドイツのノルトラインヴェストファーレン州（North Rhine-Westphalia）にある水素充填ステーションで水素燃料を補給する水素自動車（hydrogen vehicle）。2020年12月にトヨタが販売した最新の水素燃料電池車（FCV:Fuel Cell Vehicle）「Mirai Z」は、水素と酸素で発電し、モーター駆動する。一充填走行距離は約750km（参考値）。

2014年に米国デトロイトで開催された「第21回ITS（Intelligent Transport Systems：高度道路交通システム）世界会議デトロイト2014」でトヨタが展示した｢TOYOTA FCV CONCEPT｣のベアシャシー。燃料電池スタックや高圧水素タンク等のシステム構成がわかる。20年におよぶトヨタのFCV開発の歴史と、水素利用の広がりとともに電気グリッドとつながる将来のエネルギー利用のイメージを紹介した。

ECMO（体外式膜型人工肺 ：Extracorporeal Membrane Oxygenation）は、患者の体内から血液を抜き出し(脱血)、人工肺にて二酸化炭素を除去し、赤血球に酸素を付加(酸素化)し、再び体内に戻す(送血)ことを行う。

光合成は、光エネルギーを使って水を分解して酸素を大気中に供給（放出）し、二酸化炭素から糖を合成する。主に植物や藻類など、光合成色素をもつ生物が行う生化学反応。

1970年のアポロ計画で、空気の無い月面で石を拾うトレーニングを、地球上で積む宇宙飛行士。月の大気は地球の100兆分の1程度とされ、ほぼ真空。表面温度変化は大きく、赤道付近で昼は約110℃、夜は約-170℃となる。 月の影の模様が兎に見えることから「月には兎がいる」という伝承は、アジア各地で古くから言い伝えられている。中国では不老不死の薬の材料を手杵で打って粉にしているとされ、日本では餅をついている姿とされる。

18世紀の産業革命以降、化石燃料（fossil fuel）の使用や森林の減少などにより、大気中の温室効果ガス（greenhouse gas）の濃度は急激に増加。温室効果ガスは、二酸化炭素、メタン、フロンなどのことを指し、大気の温室効果が強まったことが、地球温暖化（global warming）の原因と考えられている。逆に、温室効果ガスがまったく無いと、太陽の熱が全部宇宙に逃げてしまうため、地球の平均気温は氷点下19度まで下がってしまうと考えられている。