地磁気観測所テクニカルレポート 第 10 巻第１号 １－８頁 平成 25 年２月
Technical Report of the Kakioka Magnetic Observatory Vol.10, No.1, pp.1-8, February2013

大気電場観測室周辺の環境変化による観測値への影響―数値計算による竹薮伐採の影響量の見積もり―
長町信吾，外谷健，吉武由紀

地磁気観測所観測課
2012 年 1 月 11 日受領，2012 年 9 月 14 日受理

要旨

柿岡における大気電場の観測値は 1990 年ごろから減少傾向にある．周辺の竹薮の成長がその一因であると考えられるため，2009 年 8 月～ 10 月にかけて周辺の竹薮の一部を伐採した．
竹薮の伐採によってどの程度観測値に影響を与えるかを見積もるため，伐採前後に対応する境界条件および，竹薮が一切無かった場合の境界条件を仮定して理論計算を行った．竹薮が一切なかった場合は，平面更正係数として 1.26 程度になるという結果を得た．写真記録からは観測開始当初は竹薮は無かったと考えられ , 現在まで継続して使われている平面更正係数 1.3 と調和する結果であった．また，伐採前での平面更正係数は約 2.52，伐採後では約 2.17 となり，伐採後は伐採前に比べて約 2 割ほどの観測値の増加が見込めると考えられる．また，伐採直前は竹薮が無かった場合に比べて観測値は約 1/2 に減少しているという結果になる．近年の観測値の減少は竹薮の成長による影響と永年的な変化が重なって現れているものと考えられる .

１．はじめに柿岡の大気電場の観測値は 1990 年頃から約 5（V/m/ 年）程度の割合で減少傾向にある．1990 年には120V/m ほどであったが，2009 年には約 30V/m となるなど , 観測値は半分以下にまで減少した（図 1参照）.
大気電場観測は女満別出張所でも行なわれているが，女満別の観測値は減少傾向にはあるものの，その減少幅は柿岡ほど大きくなく約 3（V/m/ 年）
V/m160kakmmb1401201008060402001930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
図１year

大気電場経年変化 2009 年までの年平均値
実線：柿岡 点線：女満別©2013 Kakioka Magnetic Observatory, Japan Meteorological Agency程度である．したがって，柿岡の減少傾向は自然現象のみではなく，周辺の観測環境の変化による部分も大きいのではないかと考えられる .
大気電場は，周囲の地形や観測室自体が電場を乱すため，平坦な地形で観測した場合と実際の観測室で観測した場合では値が異なる．このため，実際に得られた観測値に平面更正係数と呼ばれる比例係数を掛けることで，平坦な地形での観測値に引き戻している．平面更正係数を決定するには，地形の平坦な場所で同時に大気電場を観測し，連続観測の観測値と比較することによって求められる．柿岡では過去の観測で得られた平面更正係数 1.3 を採用している．過去の平面更正では，平坦な地形上での観測を放射性物質等を用いて行なっていたようだが，放射性物質の取り扱いが難しくなったため，近年は平面更正は行われていない .
写真記録によると，柿岡の大気電場観測施設（空中電気室）の周辺は , 観測開始当初は樹木もほとんど無く平坦な地形であったようだが（図 2,3 参照），現在は開けているのは東側のみで，他の方角は樹木や竹薮が覆い茂っている．これら樹木や竹薮が大気電場観測に影響を及ぼしている，すなわち平面更正
係数が 1.3 から変化している可能性が十分考えられ2

長町信吾・外谷健・吉武由紀

北東から撮影した空中電気室（中央）。現在では木々で隠れてしまっている第一絶対室（左奥の建物）まで見渡すことが出来る。（1959 年）

図 3 南西から撮影した空中電気室。現在は北側のすぐ近くまで迫っている竹薮はまだかなり遠くにあるように見える。撮影場所は現在は森の中で立ち入ることは出来ない。
（1954 年）ることから，2009 年 8 月～ 10 月にかけて，観測施設北側の竹薮を幅 20m，奥行き 12m の範囲にわたって伐採した（図 4 参照）．この竹藪の伐採については 2004 年にも試みられたが，その時は空中電気室側から奥の北側に倒したため僅か 2 列程度の伐採で進めなくなり，観測環境は見た目にも大きな違いはなかった．その経験から今回は奥から東側の草叢に順次倒していくという方法により上記範囲の竹藪を次の 6 回の作業で終了した．最後の 10 月
14 日に，影響の大きいと思われる空電室に最も近い数列を一挙に伐採した．なお，竹の高さ（長さ）は 10 ～ 15m 程度で，12m 前後のものが多かった．
伐採前後の写真を図 5 に示す .

この伐採によって，竹薮の成長によって受けてきた影響が幾分緩和されたと予想されるが，平面更正のための観測を行なっていないため，その影響を観測値から直接的に見積もるのは困難である．そこ
で，伐採前後および竹薮が一切無かった場合の大気電場分布を数値計算で求めることで，竹薮が観測に与える影響を算出し，実際の観測値との比較を試みた.

図２【作業日時 －世界時（UTC）－】① 8 /21（金） 06 － 09h② 9 / 3 （木） 03 － 07h③ 9 /14（月） 03 － 06h④ 9 /17（木） 03 － 06h⑤ 10/13（火） 07 － 08h⑥ 10/14（水） 04 － 06h

図5

伐採前後の竹藪の状態－東側より空中電気観測室を見る－

図4

竹薮の伐採範囲。

伐採前（左：8 月 20 日）と伐採後（右：10 月 14 日）

大気電場観測室周辺の環境変化による観測値への影響

2．数値計算2．1
計算手法
大気電場は時間的に変動しない静電場を仮定し，竹薮の有無に相当する境界条件を仮定することとした．静電場はラプラス方程式に従う．数値計算には , ラプラス方程式を差分化することで連立一次方程式に還元し，SOR 法と呼ばれる繰り返し計算を行う手法を使用した .
2．2
計算範囲および境界条件
計算範囲および境界条件の概略を図 6，7 に示す．
x 軸および y 軸が -150 ～ 150，z 軸が 0 ～ 300 の 1
辺 300m の立方体を計算範囲とし，空中電気室を中央 部 分 の -3<x<3，-4<y<3，z<4.5 の 範 囲 に 配 置する．竹薮のある場合は，図 7 のような高さ 12mの矩形状の範囲を竹薮の領域とする . 薄緑の範囲は竹薮の伐採範囲を示しており，伐採後の計算の際に―数値計算による竹薮伐採の影響量の見積もり―

3はその部分は削除する .
大気電場観測は空中電気室に設置された水滴集電器によって行っている．水滴集電器のノズルの先端は空中電気室北側の壁面から 117cm の距離にある．このため，空中電気室の周辺では計算メッシュを細かくし，詳細な電場分布を計算する必要がある
が，それ以外の領域では計算メッシュは粗くてもよい．したがって，計算範囲の外周部で格子間隔 3 ｍ，空中電気室に近づくにしたがって格子間隔を狭めていき，最終的には約 10cm まで狭めた .
境界条件は，z=0 の地面および空中電気室外壁，
竹 薮 表 面 を 電 位 Φ =0V,z=300m の 上 空 を 電 位 Φ=30000V と固定（平坦な地形で電位傾度が 100V/m となるように），|x|=|y|=150m では電位の勾配∂ Φ /∂n = 0 を設定した .
また，収束条件として，全格子点において逐次計算の補正量が 0.001 以下になることとした .
2．3
計算結果
x=0.5（ノズルの存在する位置）の断面での電位をコンターで示す．図 8，9 が竹薮が一切無い場合，
図 10，11 が竹薮伐採前，図 12，13 が竹薮伐採後である．赤い部分が空中電気室，緑の部分が竹薮を表している .
m3e+003
2e+003
1.5e+003
1e+003800
600
4002001005040353025
図620数値計算の境界条件。竹薮が一切無い場合

151050図805 10 15 20 25 30 35 40m

計算結果。竹薮なし、広域m109876543210
図7数値計算の境界条件。竹薮伐採前および後。薄緑の範囲
が伐採範囲

図9400200
10080604020100246m810計算結果。竹薮なし、空中電気室周辺

4

長町信吾・外谷m

3e+0032e+003
1.5e+003
1e+003
800
600
400
200
100
504035302520151050
図 1005 10 15 20 25 30 35 40m

計算結果。伐採前、広域m

109876543210
図 11400
200
10080604020100246810計算結果。伐採前、空中電気室周辺m

3e+0032e+003
1.5e+003
1e+003800
600
40020010050403530252015105

図 1205 10 15 20 25 30 35 40m

計算結果。伐採後、広域m

109876543210
図 13竹薮の存在が等電位面を変形させている様子が見て取れる．特に空中電気室周辺の電位を見ると，竹薮がある場合（伐採前後に限らず）は，竹薮の無い場合に比べて等電位面が明らかに押し上げられていることがわかる .
水滴集電器のノズル先端の電位から，平面更正係数の理論値を算出する事が出来る．計算式（100V/m）/（ノズル先端の電位）である．ノズル先端の位置は，高さ 2.55m，壁面距離 1.17m（y=4.17）である．ノ
ズル先端の電位と，算出された平面更正係数を表 1に示す .
平面更正係数は，観測開始当初（竹薮が無かった頃）から現在まで 1.3 が使われている．竹薮なしの計算結果はそれに近い値が得られていることから，今回の計算結果は少なくとも与えられた境界条件
では信頼できる結果が得られていると考えられる．
また，伐採前後で観測値は約 1.17 倍に増加すると予想される .
表1m0健・吉武由紀

40020010080604020100246m810計算結果。伐採後、空中電気室周辺

アンテナ先端の電位および平面較正係数の計算値
アンテナ先端の電位

平面校正係数(計算値)

伐採前39.623 V

2.52

伐採後

46.365 V

2.16

竹薮なし

79.605 V

1.26

3．観測値の比較
竹薮伐採時間（10/14,5h ～ 6h,UT）直前直後を含む時間帯の観測値（図 14 参照）からは，伐採によると思われる観測値の変化を見て取ることはできない．伐採時間帯の大気電場の観測値は 10 ～ 25V/m ほどであり，数値計算から予想される伐採による観測値の増加量は多く見積もっても 5V/m 程度であると考えられる．その程度の変化は自然変化でも十分変動し得る量であり，伐採の直前直後の観測値から伐採による変化と自然変動を区別することは困難だと思われる．
伐採前後の 3 ヶ月間の観測値を図 15 に示す．観
測値は伐採直後からではなく，伐採後 2 ～ 3 日してから増大しているように見える．また，11 月のはじめ頃からはさらに観測値の増大が顕著になっている．大気電場は冬場に増大する傾向があり，伐採直後では大気電場がもともと小さかったため，伐採による変動は見出せなかったものの，その後の季節変動により伐採の効果も合わせて現れているものと考えられる .
4．議論2008 年 1 月～ 2009 年 5 月までの静穏日月平均値（以下観測値）の推移と，2009 年 1 月～ 2010 年

大気電場観測室周辺の環境変化による観測値への影響―数値計算による竹薮伐採の影響量の見積もり―

図 14

伐採の直前直後での大気電場の観測値

図 15

伐採前後 3 ヶ月間の大気電場の観測値。赤線が伐採を行った日。

5 月までの静穏日月平均の推移を重ねたものを図16 に示す．竹薮伐採後の 2009 年 11 月の値は，前年の値よりも 10V/m 以上大きく，伐採前の 2009 年10 月の値と比べても 2 倍近く増加しており，これを自然変動と考えるのは不自然なように思われる．
しかし，2009 年 11 月以降の観測値から竹薮の伐採によると思われる変化を差し引いてやると，図 17に示すとおり，2009 年 11 月の値は 2008 年 10 月の値とほぼ同じであることがわかる．したがって，少なくとも 2009 年 11 月の観測値の増大は，自然の季節変動と竹薮伐採による効果が重なった結果だと解釈できる .
2009 年 12 月以降の観測値は，竹薮伐採の効果と思われる変化を差し引いたとしても，前年よりも高5い水準で移行している．過去 6 年間の，7 月から翌年 6 月までの観測値の推移を重ね合わせたものを図18 に示す（2009 年 11 月以降は，伐採効果と思われる変化を差し引いている．また，2011 年 3 月以
降は福島第一原発の事故の影響で大気電場が大幅に減少している（Takeda et al. 2011）ので図には載せていない）．どの年でも冬場に大きくなる傾向は共通しているものの，2009 年 12 月以降の観測値は，過去 3 年間と比べても大きい値であり，2005 年から 2006 年にかけての変化に近いものである．図 19に 2010 年までの年平均値の推移を示す．伐採後の2010 年の値は 2005 年の水準に戻っているように見える．数値計算が伐採による効果を正しく計算できているとすると，図 18 のグラフは伐採以後も伐採

6

長町信吾・外谷

V/m
120前の水準で推移するだろうし，図 19 の 2010 年の観測値も前年の 1.2 倍程度の大きさとなると予想されるが，実際に観測された値はそれよりもかなり大きい . ただ , 過去にも 20V/m ほどの変動があった年もあり , 現時点では自然の変動が重なった結果であるのか，数値計算が伐採効果を過小評価しているのかは判断できない .
観測値が下がり始めた 1992 年から竹薮の影響が2008/1-2009/5
2009/1-2010/5

100806040200JanMarMayJulSepNovJanMarMaymonth図 16

2008/1 ～ 2009/5 および 2009/1 ～ 2010/5 の静穏
日月平均値

V/m
120

2008/1-2009/5
2009/1-2010/5

100

健・吉武由紀出始め，毎年同じ割合でその影響が増大したと仮定して，竹薮がなかった場合に予想される年平均値の推移を図 20 に示す．図 20 では観測値の減少が見られるようになるのは 2002 年からである．これは，女満別の観測値が減少傾向を示し始めた時期と一致する．竹薮の影響が出始めた時期や影響の拡大率を確定する根拠は無いため，図 20 をそのまま信用することは出来ないが，近年の大気電場観測値の減少は，真の減少傾向と竹薮の成長による影響が重なったものであることが示唆される．

80V/m
160

6014012040100200Jan
図 17V/m
100
8060

kakmmb80MarMayJulSep NovmonthJanMarMay

2008/1 ～ 2009/5 および 2009/1 ～ 2010/5 の静穏
日月平均値 （2009/11 以降のデータは竹薮伐採を行わなかったとして補正した値

2005/7-2006/6
2006/7-2007/6
2007/7-2008/6
2008/7-2009/6
2009/7-2010/6
2010/7-2011/2

4060402001930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010year
図 19V/m160140

大気電場永年変化 2010 年までの年平均値
実線：柿岡 点線：女満別）

kakmmb120
100200Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Jan Feb Mar Apr May Junmonth
図 18 過去 6 年間の 7 月から翌年 6 月までの観測値の推移

8060402001930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010year

図 20

竹薮が無かったと仮定した場合の観測値の推移
実線：柿岡 点線：女満別

大気電場観測室周辺の環境変化による観測値への影響

竹薮が観測室のすぐそばに迫るまでその影響を重視していなかったのは，定期的な平面更正を行わず，観測環境の変化を把握してこなかったためであろうと考えられる．今回の数値計算の妥当性の検証のためにも，今後の観測環境の把握のためにも，平面更正のための観測手法を考案し，定期的な平面更正を行うべきであると考える .
5．まとめ
空中電気室周辺に成長してきた竹薮が観測値に影響を及ぼしている可能性があることから，2009
年 10 月に竹薮の一部分の伐採を行った．
竹薮の成長および伐採によって観測値に与える影響を理論計算により見積もった．竹薮が一切無いという境界条件からは，平面更正係数 1.26 という，過去に観測により決定された平面更正係数 1.3と近い値が得られた．また，竹藪の伐採による観測値への影響は，伐採後では伐採前に比べて 1.17 倍ほどの観測値の増加が期待できることがわかった．
さらに，観測開始当時から現在に至るまでの竹薮の成長による観測値への影響については，今回の伐採前の環境では，竹薮が一切無かった場合に比べて，観測値は 1/2 ほどに減少している可能性があることがわかった．
1992 年以降の観測値の減少は，自然の変動と竹薮による影響が重なったものと解釈できる．今後の観測環境の監視のためにも平面更正係数を決定するための観測手法を考案し，定期的に実施する必要がある．

謝辞
竹藪の伐採に尽力いただいた 2009 年当時の観測課職員に感謝申し上げる．
参考文献
Takeda, M., M. Yamauchi, M. Makino and T. Owada, Initialeffect of the Fukushima accident on atmospherice l e c t r i c i t y, G e o p h y s . R e s . L e t t . , 3 8 , L 1 5 8 1 1 ,doi:10.1029/2011GL048511, 2011

―数値計算による竹薮伐採の影響量の見積もり―

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長町信吾・外谷健・吉武由紀

Influence of environmental change near the atmospheric electric fieldobservation hut at Kakioka- numerical calculations to estimate the effect of a nearby bamboo groveby
Shingo NAGAMACHI, Takeshi TOYA and Yuki YOSHIKAKE
Kakioka Magnetic Observatory

Received 11 January 2012; accepted 14 September 2012

Abstract
The strength of the atmospheric electric field observed at Kakioka Magnetic Observatory hasdecreased since 1990. To investigate whether this decrease is related to the growth of a bamboo grovethat has encroached to the observatory, we cut a 12 m×20 m area of the grove to ground level between
August and October 2009. We numerically simulated the atmospheric electric field and determinedcoefficients of in situ calibration for three boundary conditions: (1) no bamboo grove, (2) before cutting,and (3) after cutting. Case (1) gave a coefficient of in situ calibration of 1.26, which is comparable tothe value of 1.3 that has been used since observations commenced at Kakioka; according to old photos,
there was no bamboo grove at that time. For case (2) the coefficient was 2.52 and for case (3) it was
2.17. The observed electric field after cutting the bamboo was about 20% higher than that before
cutting. Furthermore, the observed electric field before cutting the bamboo was about 50% lower thanthat originally recorded before the bamboo grove had developed. These results and comparison to theatmospheric electric field observed at Memambetsu observatory suggest that the recent decreasing
trend of the strength of the observed atmospheric electric field at Kakioka is a response to both growthof the bamboo grove and global atmospheric changes.