図１（左）：１９８０年セントへレンズ噴火における火山噴煙（USGS提供）．

図２（右）：１９８０年セントへレンズ噴火における火砕流　（USGS提供）．

図１や図２のような写真は，インターネットから手に入れることができます．

（http://vulcan.wr.usgs.gov/Volcanoes/MSH/Images/MSH80/）

興味深いことは，このような高温の火山ガスとマグマの破片の混合物中に，さらに空気が混合した場合，その混合物の密度が著しく減少することです．その理由は，マグマが高温（およそ摂氏千度）であることにあります．高温・高密度の噴煙に低温・低密度の空気が混入すると，マグマの熱によって空気が温められ膨張します．そのため，全体の密度が元々の空気の密度よりもさらに小さくなるのです．今，横軸に，空気の混入率（重量％）縦軸に混合物の密度をとった図を描くと，最小値をもつような曲線になります（図3）．この中間に最小値をもつような混合比と密度の関係が，火砕流が発生するか，噴煙として上昇するか，という運命の分かれ道を決めています．

火砕流発生の謎

ここまでの話を整理して，爆発的な火山噴火において，噴煙の密度がどのように変化するか予想してみましょう．爆発的な噴火が起こると，火口から勢いよく火山ガスとマグマの破片の混合物が噴出します．先に計算したように，この段階では，この混合物は，周囲の大気より重い状態にあります．そのため，噴煙の上昇運動は急減速します．一方，図1の写真で示されるように，噴煙は，上昇途中に，乱流の渦によって空気を混合します．混入した空気は，マグマからの熱によって膨張し，噴煙の密度は減少します．もし，噴煙の上昇運動が止まってしまう前に空気を十分に取り込むことができれば，噴煙は周囲の大気より軽くなります．その場合，噴煙は大気中を浮力で上昇してゆくことができます．一方，火口周辺で空気を十分に取り込むことができなかった場合，大気より低密度になる前に上昇運動が止まり，ちょうど噴水のように下降運動に転じてしまいます．このときは，高温の噴煙が地表を流れ下ることになります．これが火砕流です．

火砕流発生の実験

ここまでの説明で，火山噴煙が上昇するか，火砕流になるかという謎を解く鍵が，図3の大気の混入率（重量％）と混合物の密度の関係にあることが理解できたと思います．この図3の関係は，我々の日常的な感覚からすると，かなり不思議な性質です．例えば，水と食塩水を考えましょう．高濃度高密度の食塩水を水で薄めると低濃度の食塩水ができます．この低濃度の食塩水は，密度でみても水と食塩水の中間的な値を持ちます．世の中の殆どの混合物や溶液は，食塩水のように「重いものが加われば混合物は重くなり，軽いものが加われば混合物は軽くなる」という単純な関係が成り立っています．火砕流発生の謎に迫るために，この混合物の密度の不思議な性質に注目した実験をしてみましょう．

火砕流発生の謎を実験で再現するためには，混合物の密度が最小値をもつような特殊な性質をもつ物質の組み合わせを探さなければなりません．混合物の密度が最小値をもつ物質を用いて実験することは難しいのですが，幸いなことに，混合物の密度が最大値をもつような物質の組み合わせは，比較的簡単に手に入れることができます．日常生活でも使うアルコール（エタノール）と不凍液（エチレングリコール）の混合液（EEGと呼びます）と水を混合すると，EEGの濃度が数十％のところで密度が最大になるという不思議な性質があることが知られています（図4）．この物質を使うことによって，火砕流発生の鍵となる物理過程を実験室でそのまま再現することができます．ただし，混合物の密度が最小値ではなく最大値をもつので，運動も上下逆さまにしなければなりません．つまり，図5で示したような「上下逆さま噴煙実験」によって，火砕流の発生を再現します．