SOUND

平成24年度研究助成 【サウンド技術振興部門】より

超低周波音波計測を用いた巨大津波検知の研究
首都大学東京大学院システムデザイン研究科

情報通信システム学域
准教授

１．はじめに大久保博士（工学）
から盛んに行われてきている寛。しかしなが１）−５）ら、津波については、大きな人的被害を引き起大地震は待ったなしに我々人類を襲う。地こすクラスの事象が頻繁に起こるわけでなく、震は起こってしまったため、もうそれを巻きいかに数少ない貴重な観測結果を次の防災研究戻すことはできないが、地震の次に我々を襲に利用するかが極めて重要である。

うのは津波である。そのとき、我々にはいち早い正確な情報が重要となるだろう。
「今の地震で津波は発生したのか」「津波はいつ・どこへ・どんな規模で来るのか」

津波に関しては、これまでも到達予測シミュレーションなどの研究は行われてきているが、現時点で、国内外を通じて津波をリアルタイムで検知する技術は全く確立されていない。

日本列島を含む太平洋沿岸のアジア諸国は一方、津波発生に伴う極超低周波音波の観測

火山帯（沈み込み帯）に属し、また複数のプレ成功事例はそれほど多くはないが、以前より、ートの衝突領域であるため、多く地震・津波その観測結果は報告されていた 。ただし、極が発生する地域である。特に、海溝型の巨大超低周波音波計測を用いた津波検知システム

４）

地震時には巨大津波が同時に発生することがあるため、発生した津波の規模や到達時間をいかに早く国民に知らせることができるかは、社会的に非常に重要な課題と言える。
しかし、現時点で我が国やアジア諸国が有す

44ºNる津波検知システムが不十分であることは明らかである。2004年のスマトラ地震での津波やその数年後に起きた東北地方太平洋沖地震で40ºN

HSK

さえも、発生した津波の規模・到達時間を正確に知る術はなかったのが事実であり、東日本大震災では津波により多くの犠牲者が発生し、死者数は15,000人以上にのぼっている。
“地震”と“津波”は、日本はもちろんアジア、そして世界の多くの地域において避けられない自然現象であり、これらに関する研究は古く
1036ºN

M9.0 Tohoku EQ
Aftershock Area

140ºE

144ºE

図１ 東北地方太平洋沖地震と観測地点（細倉観測点：HSK）

SOUNDの検討はあまり行われていないのが現状であえる。また、この鉱山はすでに操業は停止される 。直接、海底で水圧を計測する方法も検討ており、坑道は鉱山管理のために整備されていされ始めており、これは将来有効な津波検知法

るが、廃鉱山の再利用という側面からも、鉱山となり得るだろうが、メンテナンス・初期費用における観測はとても有益な組み合わせと言えが多額となるため、陸上に容易に設置できる本るだろう 。

６）

提案法の有効性は十分にあるだろう。

２．観測システム

８）

３．東北地方太平洋沖地震時の津波によって発生した極超低周波音波の観測結果

我々の研究グループでは宮城県栗原市の細倉

図2に東北地方太平洋沖地震発生前後の観測鉱山（HSK、図1）において野外計測システ結果を示す。同図は、地震発生前後の2011年3ムによって気圧信号の連続観測を行ってきて月10日から12日（JST）の気圧変化を示していいる 。この観測点でのサンプリング周波数はる。東北地方太平洋沖地震発生時には、地震発2Hzであるが、日本国内において、この観測生とともに電力供給は一時停止したが、UPSとパラメータを１Hz以上の周波数帯で観測して細倉金属鉱業株式会社が有する自家発電装置にいる事例は非常に少ない。なぜなら、一般的によって、地震発生後も継続してデータを観測す天気予報などに役立てるための気象観測用のパることに成功した。東北地方太平洋沖地震の震ラメータとして気圧を計測する場合には、数分源近くにおいて、停電の影響を受けずに、地震程度の時間刻みでも十分だからである。の前後で継続して観測されたデータは非常に貴７）

我々のHSK観測点は、細倉鉱山の地上と地重といえるだろう。

中に整備されており、気圧の他にも、温度、湿続 い て、 図3に2011年3月11日14：30 か ら

度、イオン濃度、大気電場、加速度（地震動を15：30に細倉観測地点において観測された信号検知するため）など20種類近くのパラメータを波形を示す。ただし、上段が加速度、下段が気常時観測している。観測システムは鉱山内の立圧変化である。地震発生（14：46.18JST）の10坑にケーブルを敷設することで、GPSによってから20分後に東北地方太平洋沖地震時の津波に時刻同期されており、また、停電に備え無停電よって発生した10分周期程度の極超低周波音波電源装置（UPS）を装備している。

が観測されているのがわかる。この時刻はすで鉱山内は隔離されているため、外来の観測雑に地震波による振動は存在しないので、センサ音が非常に少なく、極めて良好な観測環境といーの振動によって信号が生じた可能性はない。
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図２

東北地方太平洋沖地震前後の気圧変化波形（2011/03/10－2012/03/12、HSKにて観測）

図３ 東北地方太平洋沖地震津波によって発生した極超低周波音波（上段：加速度信号、下段：気圧信号（HSKにて観測））
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図４

極超低周波音波の発生・伝搬モデル

４．極超低周波音波の発生モデルと津波検知システムへの応用あることを支持していると言える。
さらに、図3より、細倉観測地点への音波の到達時間はおよそ14時57分として、地震発生時

図4に津波によって極超低周波音波が誘起さ刻が14時46分18秒であるので、その差が約640れるモデルを示す。同図に示す通り、津波発生秒程度となる。一方、文献 で示されている津に伴って海面が急激に押上げられる（または引波発生点から細倉観測点までは200km程度離れ下がる）ことで、大気圧縮が起こり、そこで極ており、この距離は音波の伝搬距離とほぼ等し超低周波音波が発生する。超低周波数の音波はい。

９）

減衰しにくいため、また津波（水波）よりも速

東北地方太平洋沖地震発生時では、東北地方度が速いため、津波の到達よりも数10分程度早での極低周波音波の観測結果は非常に少なく、く検知することが可能である。

発生点の同定までは難しいが、原理的には複数

一方、発生した音波は、上空にも同様に伝搬の観測点で同時計測することで、到達時間の差していき、電離層の擾乱を引き起こす。津波にを用いて、津波の発生点を計算することができ伴う超低周波音波による電離層擾乱を電離層電る。

子密度（TEC）によって観測した結果が示さすなわち、2つの観測点の緯度経度より変換れており 、これらの結果も我々の観測結果が、した xy 座標系での x 座標および y 座標をそれぞ

津波を発生源とする超低周波音波によるものでれ（X １ ，Y 1）および（X ２ ，Y ２）とし、津波発生

９）13

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点の座標を（X ０ ，Y ０）とすると、その間には、充実させるとともに発生点の計算精度を向上させることが重要である。
地震や津波の発生を事前に予測することが不なる関係がある。ただし、v は音波の伝搬速度、可能である現代社会においては、発生した地震Δt は観測地点間の到達時間差とする。この関や津波をできるだけ早く社会に伝達することは係式より、観測点の座標は既知であるので、津とても重要な課題である 。もし、この極超低波発生点（X ０ ，Y ０）は xy 座標上で双曲線を描周波音波の計測を用いた津波発生検知が実現すくことになる。したがって、観測点が3点以上れば、防災の一助に貢献できる画期的な試みとあれば、これらの交点より津波発生点を求めるなるだろう。

ことが可能となる。さらに、観測点が4点以上あれば、音速についてもパラメータとして同定することも可能となる。

５．まとめと今後の展望

10）

６．おわりに
これまで、我々グループは野外における観測を続けてきているが、野外における観測を継続的に行うことは非常に難しいとつくづく感じ

我々が連続観測している野外観測システム

る。野外での観測というのは、多くの場合、無は、東北地方太平洋沖地震時の津波によって発人で行われる。言葉にすると、『ただこの無人生した極超低周波音波の観測に成功した。津波システムが停止しないように連続観測する』だ

発生に伴う大気圧縮で発生した超低周波数の音

けなのだが、これが本当に難しい。自然現象は波は減衰しにくいため、また津波（水波）より全く同じものが２度起こることがなく、欲しいも速度が速いため、観測地点と津波発生点の関データを観測する機会はたったの１回なのだ係にもよるが津波の到達よりも数10分程度早くが、起こった時にちょうどシステムがダウンし検知することが原理的に可能であり、複数の観ていたということは、この分野ではよく聞くこ測点で音波の到達時間差を計測することで、津とである。

波の発生点を検知することも可能となる。

ただ現在では、無線端末が発達したため、無日本を含むアジア地域は現在も地殻活動は非人の観測システムをリモートで制御することも常に不安定であり、これらの地域において発生容易になってきている。実際、我々の観測点のした津波を早期に検知することは重要な課題で中にも研究室からリモートで制御できる箇所がある。今後は、観測地点を増やし、観測体制をある。情報通信技術の発展とともに、観測シス

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テムも高度化しており、堅固なシステムによる

4, pp.840 − 848, March, 2005.

更なる継続的な観測によって、観測データを積6）D.-J. Doong, et al.,“Development of tsu-

み重ねることで新たな現象の発見につながるとnami early warning systems and future

大いに期待している。

challenges”,Nat. Hazards Earth Syst. Sci.,

参考文献

12, 379 − 390, 2012.
７）A. Takeuchi, et al.,“Electric and Ionic

1）金森博雄, 地震の物理, 岩波書店, 1991.

Environmental Circumstances Interacting2）大中康誉, 松浦充宏, 地震発生の物理学, 東at Hosokura Underground Mine in京大学出版会, 2002
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８）鉱山をゆく「まだある鉱山の再利用」, pp.094,
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９）T. Tsugawa, et al.,“Ionospheric distur-4）T. Mikumo, et al.,“Low-frequency acous-bances detected by GPS total electron

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10）大久保寛, 竹内昭洋, 竹内伸直, 地震・津波

5）J. Artru, et al.,“Ionospheric detection ofの革新的発生検知法と緊急警報への応用,

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