在火山或溫泉區，為什麼不能走進「凹地」？
― 重的氣體會像水一樣往低處積存
在火山或溫泉周圍，地面會冒出看不見的氣體。其中有些比空氣還重。這些重氣體會流進無風的凹地或谷底，像積水一樣堆在最底部。表面看起來只是一個安靜的凹陷，但底部的空氣，早已換成了無法呼吸的氣體。
秋天走在火山步道上，突然飄來一股像水煮蛋的味道。前方有個看起來能避風的安靜凹地。你可能會想「就在那裡吃午餐吧」。
可是步道上立著「禁止進入」「注意火山氣體」的告示牌。眼前景色平靜，也看不到煙。很多人都搞不懂，這到底哪裡危險。
事實上，在日本，登山者或作業人員在這類凹地倒下的事故已發生過好幾次。原因就在於氣體的「重量」，以及人類的「鼻子」。
凹地危險的理由，只有2個
二氧化碳的重量約為空氣的1.5倍，硫化氫約為1.2倍。無風的日子裡，這些氣體會沉到凹地底部，不容易散去。
二氧化碳沒有氣味也沒有顏色。硫化氫本身很臭，但濃度升高後，鼻子會麻痺，感覺上氣味像是消失了。
也就是說，凹地正好集齊了「看不見・聞不到・只存在於低處」的條件。接下來依序說明。
氣體也會像水一樣「往下流」
把等體積的氣體裝進同樣大小的箱子比較重量，會發現每種氣體的重量都不同。如果一般空氣是1.2kg，二氧化碳大約是1.8kg，硫化氫大約是1.4kg。較重的氣體，會想鑽到周圍空氣的下方。
從火山噴氣孔或溫泉蒸氣冒出的氣體，剛開始因為溫度高會往上升。但一旦冷卻下來，重量差異就會占上風。接著就沿著斜坡往下流，堆積在谷底或凹地底部。請看圖1。
這裡要注意的重點是，氣體層的厚度有時比人的身高還薄。可能出現大人站著沒事，卻在蹲下綁鞋帶的瞬間倒下的情況。身高較矮的兒童和狗，會比大人更早吸入危險的空氣。
無風的晴朗早晨、雨後，以及下雪天要特別留意。風弱的時候，堆積的氣體就不會被攪散。積雪後，雪洞或雪牆內側也會變成小小的凹地。
濃度越危險，鼻子越不管用
二氧化碳是沒有氣味也沒有顏色的氣體。一般空氣中大約只含0.04%。濃度一旦升高到數%，就會出現頭痛或暈眩，據說達到10%左右，幾分鐘內就可能失去意識。請試著用圖2的滑桿改變濃度。
硫化氫帶有像水煮蛋或溫泉般的氣味。因為濃度很低也能聞到，容易讓人以為「有氣味＝能察覺」。但濃度一旦升高，鼻子感知氣味的機制會麻痺，據說氣味會像是突然消失一樣。
也就是說，「剛才還很臭，現在卻聞不到了」並不是變安全的訊號。反而可能代表已經進入了危險的濃度。
1986年，在非洲喀麥隆的尼奧斯湖，堆積在湖底的二氧化碳突然大量湧出。這些重氣體沿著山谷往下流，籠罩了周邊村莊，據說約有1700人因此喪生。這是重氣體「往低處流動」的最大案例。
1997年，在青森縣的八甲田山，3名正在訓練的自衛隊員，據說因凹地堆積的二氧化碳而喪生。同年，在福島縣的安達太良山，4名登山者因硫化氫而喪生。兩者都是平時看起來很安靜的低處。
那麼，該怎麼做才好？
- 不要越過「禁止進入」「注意火山氣體」的告示牌不要在凹地、谷底、積雪形成的雪洞中休息或蹲下。無風的日子要更加小心。
- 如果氣味突然消失，立刻避難到高處如果感到呼吸困難、頭痛或暈眩，請沿原路返回，移動到通風良好的高處。
- 即使有人倒下，也不要衝進凹地前去救援的人也會倒下。請不要靠近，從高處打119報案。
看到有人在凹地倒下，會下意識想衝過去。但底部的空氣，對救援者來說也是同樣的空氣。過去的事故中，就有救援人員也倒下、導致受害擴大的案例。請不要靠近，先打119報案，等待消防人員到達。出發前，也請確認氣象廳發布的噴發警戒等級與火山氣體資訊。在活動中的火山，除了氣體之外，還有飛來的石頭。請準備好安全帽，緊急時請躲進山屋等場所保護頭部。
總結
火山或溫泉的氣體中，有些比空氣還重。冷卻後的氣體會像水一樣沿著坡面流動，堆積在無風凹地的底部。二氧化碳沒有氣味，硫化氫在濃度升高後也會聞不出來。因此，「看不見・聞不到・低處」這三個條件疊加的凹地，最好的對策就是不要進入。
凹地底部，是空氣的「積水」。
氣味消失時，不是安全的訊號，而是該撤退的訊號。
關於火山本身的機制，請參閱「火山為什麼會噴發？」；同樣是難以察覺的氣體危險，也可參閱「一氧化碳為什麼最可怕的地方就在於難以察覺？」。
- 在杯子裡放入一小匙小蘇打粉，倒入一點醋。會冒出氣泡，產生二氧化碳。
- 氣泡平息後，像「倒水」一樣輕輕傾斜杯子，把看不見的氣體倒向蠟燭的火焰上方（請與大人一起進行，並注意用火安全）。
- 如果火焰突然熄滅，就是看不見的重氣體往下流並包住火焰的證據。
請在通風良好的地方，以少量進行。如果不傾斜杯子，只是把杯子舉到火焰上方，氣體不會往上跑，火應該不容易熄滅。
想了解更多的人 ― 用語・公式・與教科書的連結從國中理科到大學專業科目，明確標示內容屬於哪個程度
- 國中國中理科課程範圍
- 高中高中「化學」「地球科學」課程範圍
- 高中＋高中選修內容，或教科書專欄層級的內容
- 大學高中不會教、屬於大學專業科目（流體力學・火山學・勞動衛生）的內容
- 研究即使在大學也尚未被當作「定論」教授，是研究者目前還在調查中的內容
國中用語：這個現象是有名字的
- 火山氣體：從火山或噴氣孔冒出的氣體。大部分是水蒸氣，並含有二氧化碳、二氧化硫、硫化氫等成分。
- 密度：相同體積下的重量。氣體之間，密度較大的會往下沉。
- 嗅覺疲勞：持續聞同一種氣味，或暴露在濃烈氣味中，導致對氣味變得不敏感的現象。據說硫化氫特別容易出現這種情況。
國中高中用公式確認：二氧化碳比空氣重多少倍？
氣體的密度，是由氣體種類（分子的重量）以及溫度・壓力所決定的。我們來計算一下在20℃・1大氣壓下，空氣、二氧化碳與硫化氫的密度。
| 用符號表示 | ρ ＝ P × M ÷ ( R × T ) |
| 用文字表示 | 氣體密度 ＝ 壓力 × 每mol的質量 ÷（氣體常數 × 絕對溫度） |
| 公式的來源 | 將理想氣體方程式 P × V ＝ n × R × T 改寫成密度的形式。在相同溫度・壓力下，密度與每mol的質量成正比。 |
| ρ | 氣體密度（單位為 kg/m³） |
| P | 壓力（單位為 Pa。1大氣壓約為101300 Pa） |
| M | 每mol的質量（單位為 kg/mol） |
| R | 氣體常數（約8.31 J/(mol·K)） |
| T | 絕對溫度（單位為 K。20℃為293 K） |
| 空氣的每mol質量 | 約 0.029 kg/mol |
| 二氧化碳的每mol質量 | 約 0.044 kg/mol |
| 硫化氫的每mol質量 | 約 0.034 kg/mol |
| 分母（氣體常數 × 溫度） | 8.31 × 293 ≒ 2435 |
| 空氣的分子（壓力 × 質量） | 101300 × 0.029 ≒ 2938 |
| 空氣的密度 | 2938 ÷ 2435 ≒ 1.21 kg/m³ |
| 二氧化碳的分子 | 101300 × 0.044 ≒ 4457 |
| 二氧化碳的密度 | 4457 ÷ 2435 ≒ 1.83 kg/m³ |
| 硫化氫的分子 | 101300 × 0.034 ≒ 3444 |
| 硫化氫的密度 | 3444 ÷ 2435 ≒ 1.41 kg/m³ |
| 二氧化碳是空氣的幾倍 | 1.83 ÷ 1.21 ≒ 1.51 倍 |
| 硫化氫是空氣的幾倍 | 1.41 ÷ 1.21 ≒ 1.17 倍 |
用1m³的箱子比較，二氧化碳比空氣重約0.6kg。雖然差距只有大約一瓶寶特瓶的重量，但只要沒有風，光是這點差距就足以讓它持續停留在凹地底部。圖2顯示的重量，也是根據這個數值計算出來的。
高中高中＋為什麼熾熱的氣體冷卻後會下沉
高中在上面的公式中，密度與絕對溫度 T 成反比。剛從噴氣孔冒出的近100℃的氣體，即使是二氧化碳，有時也會比空氣輕，因此會先往上升。等冷卻到與周圍相同的溫度後，分子重量的差異就會直接表現為密度差，開始下沉。
高中＋氣體原本會因分子的運動而逐漸混合（擴散）。即便如此，凹地的氣體之所以不容易變稀薄，是因為擴散的速度非常緩慢。據說如果沒有風帶來的混合作用，重氣體層有時可以持續好幾個小時。
大學重氣體的「流動」與對身體的影響
比周圍重的氣體沿著地面匍匐擴散的流動，在流體力學中稱為「重力流（密度流）」。混合的強弱，取決於代表擴散作用的菲克定律，與風帶來的紊流混合之間的平衡。已知硫化氫會抑制細胞呼吸所需酵素（細胞色素c氧化酶）的作用。因此它不只是稀釋氧氣，本身也是一種強烈的毒素。
📖 公式的推導與更深入的內容：菲克定律（維基百科，日文） ／ 硫化氫（維基百科，日文）
研究目前尚未完全明瞭的事
- 哪個凹地、何時會變危險。 氣體的冒出量每天都在變化，風與氣溫的影響也相當複雜。目前仍在進行以地形與天氣預測堆積狀況的研究。
- 如何安全地抽出湖底的氣體。 在尼奧斯湖，已採取用管線逐步抽取底層湖水來排出氣體的對策。但究竟達到了多高的安全程度，仍在持續評估中。
- 氣味消失時的濃度，因人而異。 鼻子麻痺的濃度被認為因人而不同，無法斷言「只要是這個濃度就能察覺」。
也就是說，本文的內容也只是「目前所知範圍內的說明」。數值僅供參考，請以當地告示牌與地方政府的資訊為優先。
與教科書的連結（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 對應本文何處 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科1年「氣體的性質」、2年「大地的變化（火山）」 | 二氧化碳比空氣重、火山氣體 |
| 高中 | 化學基礎「物質量」、化學「氣體方程式」 | 密度 ＝ P × M ÷ ( R × T ) 的計算 |
| 高中＋ | 化學「擴散」、地球科學「火山災害」 | 氣體不易變稀薄的原因、熾熱氣體冷卻後下沉 |
| 大學 | 流體力學（重力流）、毒理學 | 沿地面流動的氣體、硫化氫的毒性 |
| 研究 | 火山學・防災科學 | 氣體堆積狀況的預測、尼奧斯湖的氣體抽出 |
| ― | 與生活的連結 | 登山・溫泉區散步・下雪天在溫泉街的行動 |
- 日本氣象廳「火山氣體」相關解說（火山基礎知識，気象庁）
- 尼奧斯湖（維基百科，日文）
- 硫化氫（維基百科，日文）
- 日本氣象廳「二氧化碳濃度的年度變化」（気象庁）
- Kling, G. W. et al. (1987) The 1986 Lake Nyos gas disaster in Cameroon, West Africa. Science 236, 169–175.
※本文為一般大眾的科學解說。所刊載的數值為幫助理解機制的概略估算值。在火山或溫泉區，請依照當地告示牌、消防・地方政府等指示，以及氣象廳發布的火山資訊行動。若感到身體不適，請立即前往高處，並視情況撥打119報案。