地震予知総合研究振興会「地震ジャーナル」53 号, 2012 年

巨大地震直前に増える電離圏の電子
日置 幸介 北海道大学理学研究院
１．はじめに成り、1990年代半ばの観測開始以来日本列島の地1855年の安政江戸地震の直前に永久磁石が磁力殻変動を観測してきた(e.g. Heki, 2007)。GEONETを失った話を聞いて、幕末の賢者佐久間象山は地は日本列島の大地の動きをほぼ二次元的にとらえ震予知器を作ったそうだ(榎本, 2002)。トリブッチ

られるが、東北沖地震に伴う地殻変動もOzawa et(1985)は、大気中の帯電エアロゾルによって同じ極al. (2011)を始めすでに多く報告されている。

性に帯電した物体間の静電気的な反発でこの現象超高層大気である電離圏には太陽からの放射にが説明できるとした。米国では1989年のロマプリ

よって中性大気から弾き出された電子が多く漂っータ地震直前にULF帯の電磁波放射があったことており，日本上空では高度300km付近で最も電子が報告されている(Fraser-Smith et al., 1990)。このよが濃い。高度約2万kmのGPS衛星から送信されたマうに地震が電磁気的な前兆を伴った事例は多く知イクロ波は電離圏通過時に電子によるわずかな遅られている。

延を受ける。遅延はマイクロ波の周波数の自乗に今日の電磁気的な地震前兆の探求は、地電流反比例する。それを利用して、異なる周波数のマ(Uyeda and Kamogawa, 2008)や、VLF 帯(Molchanov

イクロ波の遅延を比べれば、衛星と受信機を結ぶ

and Hayakawa, 1998)やVHF帯(Moriya et al., 2010)の線上にある電子の総数(Total Electron Content,

電波伝搬異常が中心となっている。それらは限らTEC)がわかる。ここでは、GPS網によって見出された数の特定の観測点で特殊な目的のために設置れた、巨大地震に先だって生じる電離圏のTEC異された観測装置によるものであり、一般的に地震常(Heki, 2011)について紹介する。との空間的な相関を立証することは容易でない。
フランスのDEMETER衛星(e.g. Němec et al., 2008)

２．2011年東北沖地震とTECの変動

は、これを乗り越えるために打ち上げられたもの

TECを用いた研究の対象のひとつに、固体地球だが、衛星が震源域上空を通過する頻度は限られにおける現象に起因する電離圏の擾乱がある。地る。こんどは時間的な相関の立証に問題が生じる

震時電離圏擾乱(Coseismic Ionospheric Disturbance,のだ。

CID)はその一つであり、GPSを用いた最初の研究

2011年3月11日の05:46UTに発生した東北地方太(Calais and Minster, 1995)以来、筆者を始め複数の平洋沖地震は、太平洋プレートが東北日本の下に研究グループが取り組んでいる。その実体は震源沈み込む日本海溝のプレート境界を、長さ約450域における地面や海面の上下運動や表面波（このkm、幅約200 kmにわたって破壊した。国土地理院

場合はレーリー波）によって励起された音波(Hekiが運用するGEONET (GPS Earth Observation

et al., 2006; Rolland et al., 2011)、あるいは内部重力Network)は、日本列島に敷き詰められた千局を超波(Occhipinti et al., 2008)が電離圏高度まで伝搬しえる全地球測位システム(GPS)の連続観測点からて作った電子の濃淡である。

ウェブ(terras.gsi.go.jp)で公開されている全国約を色で図3に示す。一時間前にはなかった正の異常

千二百点の国土地理院GPS連続観測網のデータをが二十分前には現れており、地震に向けて大きく用いて，2011年東北沖地震前後のTEC変化を調べなっている。異常の大きさは鉛直方向で最大で約てみた。図１Aは地震前後のTECの変動をそのまま2.3 TECU (1 TECUは1 m2あたり1016個の電子があ描いたものである。なおGPS位相データには整数ることを示す)で、この時刻の全電子数の一割弱に値バイアスがあり、時間変化のみが意味を持つ（絶相当する。TECが正異常を示す地域は震源域とほ対値に意味がない）。仰角が低い（地平線に近い）ぼ重なる。同時に震源域から遠く離れた西南日本

衛星では電波が電離圏を斜めに貫くため，遅延がでは負の異常が現れており、異常が電子の「純増」見かけ上大きくなる。そのため昇っては沈むGPS

ではなく「移動」によるものであることを示唆す

衛星の動きに応じて、TECはU字型のゆっくりとしる。

た変化を示す。地震発生時(5:46UT)には八個のGPS

図2や図3と同様の図は15番衛星以外に9, 26, 27

衛星が観測可能であったが、音波によるCIDは5,番の諸衛星を用いても描くことができるが、それ15, 26, 27, 28の各衛星で、地震約八分後に始まる不らはHeki (2011)のオンライン付属資料を参照され規則な乱れとして見える(Astafyeva et al., 2011)。またい。正の異常が現れる領域は衛星によって微妙た衛星18, 22で地震の40-80分後に生じたきれいなに異なるが、それは本来三次元的な分布を持つ電振動は内部重力波によるもので、地図上に描くと子密度を高度300 kmの面に二次元的に投影したこ震源を中心としたきれいな同心円状となるとからくるものである。

(Tsugawa et al., 2011)。電離圏を高度300 kmの薄い全球電離圏地図(Global Ionospheric Map, GIM)層で近似して、その層を視線が貫く点の地図上へは世界中のGPS局を用いて（ただし日本からは数の射影をSIP (Sub-ionospheric point)と呼ぶ。その軌局のみ）日々作成されている。図2左には、スイス・跡を図１Bに示す。

ベルン大学のデータセンター(ftp.unibe.ch)からダ

次に地震直前の非振動的なTEC変化を取り出しウンロードしたGIMを用いて、0038局と15番衛星て眺めてみよう。図2Aは東北から関東にかけた五を仮定して計算したこの時刻の斜めTECの変化もつのGPS局から15番衛星を通して見た東北地方上描いてある。GIMの空間分解能の目安は緯度が2.5空のTECの時間変化である。斜め方向のTECなの度、経度が5度程度 (Mannucci et al., 1998) と低いで見かけのU字型変化が見える。地震十分後のCIDため、細部は失われているが、本研究で求めた地に加えて、地震の60分前から40分前あたりから顕震前のTEC正異常と同様の正異常が見られる。こ著な正の異常が始まっていることがわかる（電子れはGIMの導出に岩手県水沢局（図2B）のデータ数の絶対値の増加というより周囲に対する相対的が用いられているためであろう。

な増加）。異常は東北の局で大きく，震源域から離れるに従って小さくなる。TEC異常は，CIDによ３．他の大地震との比較る電離圏の揺れが治まった頃には消えている。こTECは地震がなくても宇宙天気の都合でしばし

こではOzeki and Heki (2010)に倣い、鉛直方向のば上昇する。たとえば太陽フレアに伴って紫外線TECが時間の三次多項式に従うと仮定して最小二の放射が増えれば電離が促進されて電子が増える。

乗法を用いてモデルを推定した（なめらかな曲線）。

ただしこの場合昼半球全体で電子が増え、震源上推定の際には、地震に伴う異常部分(UT5.2-6.0)を

空のTECだけが増えることはない。またオーロラ除いている。

帯から巨大な波が南下してくることもある（大規モデルからの差に天頂角の余弦をかけて鉛直方

模移動性電離圏擾乱）。2011年東北沖地震はたま向に射影したものを「異常」と定義し，地震の一たま磁気嵐の最中に発生しており、地震と関係な時間前、二十分前、一分前におけるそれらの分布

い擾乱が多く発生していた可能性がある。

図2や図3で見られたような地震前TEC異常が東み合わせでのTEC変化を地震前後四か月にわたっ北沖地震の前兆であるかどうかを判断するには，て調べたものを掲載している。最大の異常は本研

他の巨大地震の前にも類似の現象がみられるかど究で示した地震直前のものだったが、それ以外にうかを調べるのが早い。そこで，2010年二月に発もある程度大きなTEC上昇が数回みられた。それ生したチリ地震(Mw8.8) (Moreno et al., 2010)、2004

らはすべて秒速数百メートルで極域から南下して年十二月のスマトラ・アンダマン地震(Mw9.2)

くる大規模移動性電離圏擾乱だった。

(Banerjee et al., 2005) 、2007年九月のスマトラ・ブ
ンクル地震(Mw8.6) (Gusman et al., 2010)の前後の４．モデル

TEC変化を，入手可能なGPSデータを使って東北地震直前になぜ上空でTECの正異常が生じるか沖地震の時と同様な解析を行ってみた。特に、2010の本当の理由はわからない。しかし地表近傍に正年チリ地震と2007年ブンクル地震は、地磁気活動電荷が溜まることで説明できる可能性はあると思が静穏な時期に発生しており、地震前に同様なう。正電荷を供給するメカニズムとしては，圧縮TEC異常が生じたかを見ることは重要だ。

された火成岩から正孔が拡散してくる現象が室内その結果，チリ地震では17, 20, 23の三つのGPS実験で知られる（Freund, 2001; Takeuchi et al., 2006）

衛星で、東北地方太平洋沖地震の半分程度の大きが、実際の地震前にそのような現象が生じたことさの正のTEC異常が地震の40-50分前に始まり，電を野外で直接観測した例はない。

離圏が揺れ始めるまで継続していたことが確認さ

Kuo et al. (2011)は、地表の電荷によって大気中れた(図4)。同様のTEC異常は2007年ブンクル地震に上向きの電流が流れ、電離圏に達して地磁気のでも8, 25, 27の衛星で見いだされた。2004年スマト

磁力線に沿った領域の電位を上げることを数値計

ラ・アンダマン地震の発生時は地磁気活動がやや算で示した。電位の高い領域から放射状に生じる活発であったが、どの地震よりも大きな5 TECUに電場が磁場と相互作用することによって、西側で達する地震前のTEC正異常が、もっとも地震モーは電離圏電子が下降、東側では上昇する。その結メント解放の大きかった断層セグメントの上空で果、本研究で見いだされた程度のTEC変化もつく見られた。図5はこれらのM9クラス地震から代表れるらしい。いずれ原因を特定するには、電磁気的なTEC変化データを取り上げて比較したもので的なセンサーを備えた観測局をGPSと同じくらいある。ちなみに2005年ニアス地震(Mw8.7)について密に展開する必要があるのかも知れない。

も地震前後のTECを調べたが、その時間帯はプラズマバブルの活動によるTECの乱高下が激しく、意味のあるデータが得られなかった。

５．おわりにこれまでの地震前兆報告の多くは普遍性に乏し次にM8クラスの地震に目を転じる。1994 年北く追試が容易でなかった。しかしGPSデータの入海道東方沖地震(Mw8.3)(Tsuji et al., 1995)は、東北

手は簡単で，それを用いたTECの解析も難しくな沖地震が発生するまでは、GPS連続観測網が整備い。筆者のホームページではRINEX形式のGPS生されて以来最大の地震であった。この地震の前にデータから衛星ごとのTEC時系列の情報を抽出すは弱いTEC正異常が見つかった（図5）。一方2006

る簡単なプログラムを公開している（日置他, 2011）

年千島地震(Mw8.2)や2003年十勝沖地震(Mw8.0)でので、興味を持った読者各位は自ら試してほしい。

は、地震時のCIDは綺麗にみえるものの、地震前地震直前のTEC異常の物理的過程が解明され、のTEC異常は確認できなかった。本現象はM8台で直前予知に有用であるという合意が得られれば、も大き目の地震でようやく見える前兆なのだろう。

TECの分布と変化がリアルタイムで監視される時

Heki (2011)のオンライン付属資料では、図2に示代が来るかも知れない。データ収集には技術的問された曲線の一つについて、同一の局と衛星の組

題はないが、ゆっくりと始まるTEC異常を宇宙天気の影響と区別するソフトウェア的な課題は残るだろう。かつては盛んだった地震直前予知研究は、我が国では兵庫県南部地震以来久しく沈滞している（上田、2011）。本件を機会に実用化に向けた研究の活性化を期待したい。
文献
Astafyeva, E. I., P. Lognonné, and L. M., Rolland(2011), First ionospheric images of the seismic
fault slip on the example of the Tohoku-oki
earthquake, Geophys. Res. Lett., L22104,
doi:10.1029/2011GL049623.
Banerjee, P., F. F. Pollitz, and R. Bürgmann (2005),
The size and duration of the Sumatra‐Andaman
earthquake from far‐field static offsets, Science,
308, 1769–1772.
Calais, E., and J. B. Minster (1995), GPS detection ofionospheric perturbations following the January17,
1994, Northridge earthquake, Geophys. Res. Lett., 22,1045–1048.
榎本祐嗣 (2002), 大地表面の異常帯電：大地震の前兆？—江戸のエレキテルと地震窮理の光芒—,
表面科学，23, 56-61.
Fraser-Smith, A. C., A. Bernardi, P. R. McGill, M. E.
Ladd, R. A. Helliwell and O. G. Villard, Jr. (1990),
Low-frequency magnetic field measurements near
the epicenter of the Ms 7.1 Loma Prieta earthquake,Geophys. Res. Lett., vol. 17, 1465-68.
Freund, F. (2000), Time-resolved study of charge
generation and propagation in igneous rocks, J.
Geophys. Res., 105, 11001-11019.
Geller, R. J., D. D. Jackson, Y. Y. Kagan, and F.
Mulargia (1997), Earthquakes cannot be predicted,Science, 275, 1616–1617.
Gusman, A. R., Y. Tanioka, T. Kobayashi, H. Latief,and W. Pandoe (2010), Slip distribution of the 2007
Bengkulu earthquake inferred from tsunami
waveforms and InSAR data, J. Geophys. Res., 115,B12316,doi:10.1029/2010JB007565.
Heki, K. (2011), Ionospheric electron enhancement
preceding the 2011 Tohoku-Oki earthquake,Geophys.
Res.
Lett.
38,
L17312,
doi:10.1029/2011GL047908.
Heki, K. (2007), Secular, transient and seasonal crustal
movements in Japan from a dense GPS array:
Implication for plate dynamics in convergent
boundaries, in The Seismogenic Zone of Subduction
Thrust Faults, edited by T. Dixon and C. Moore, pp.

512–539, Columbia Univ. Press, New York.
Heki, K., and J.‐S. Ping (2005), Directivity andapparent velocity of the coseismic ionosphericdisturbances observed with a dense GPS array, EarthPlanet. Sci. Lett., 236, 845–855.
Heki, K., Y. Otsuka, N. Choosakul, N. Hemmakorn, T.
Komolmis, and T. Maruyama (2006), Detection ofruptures of Andaman fault segments in the 2004
Great Sumatra Earthquake with coseismic
ionospheric disturbances, J. Geophys. Res., 111,B09313, doi:10.1029/2005JB004202.
日置幸介・他 (2011), GPS-TEC 法による地球物理学，測地学会誌, 56, 125-134.
Kuo, C.L., J.D. Huba, G. Joyce, and L.C. Lee (2011),
Ionosphere plasma bubbles and density variations
induced by pre-earthquake rock currents andassociated surface charges, J. Geophys. Res., 116,A10317, doi:10.1029/2011JA016628.
Mannucci, A. J., B. D. Wilson, D. N. Yuan, C. H. Ho,U. J. Lindqwister, and T. F. Runge (1998), A global
mapping technique for GPS‐derived ionospheric
total electron content measurements, Radio Sci., 33,565–582.
Molchanov, O. A., and M. Hayakawa (1998), VLF
signal perturbations possibly related to earthquakes, J.
Geophys. Res., 103, 17,489–17,504.
Moreno, M., M. Bosenau, and O. Oncken (2010), 2010
Maule earthquake slip correlates with pre‐seismic
locking of Andean subduction zone, Nature, 467,
198–202.
Moriya, T., T. Mogi, and M. Takada (2010),
Anomalous pre ‐ seismic transmission of VHF‐
band radio waves resulting from large earthquakes,
and its statistical relationship to magnitude ofimpending earthquakes, Geophys. J. Int., 180, 858–870.
Němec, F., O. Santolík, M. Parrot, and J. J. Berthelier(2008), Spacecraft observations of electromagnetic
perturbations connected with seismic activity,Geophys.
Res.
Lett.,
35,L05109,
doi:10.1029/2007GL032517.
Occhipinti, G., E. A. Kherani, and P. Lognonné (2008),
Geomagnetic
dependence
ofionosphericdisturbances induced by tsunamigenic internal
gravity waves, Geophys. J. Int., 173, 753–765.
Ozawa, S., T. Nishimura, H. Suito, T. Kobayashi, M.
Tobita, and T. Imakiire (2011), Coseismic andpostseismic slip of the 2011 magnitude‐9 Tohoku‐Oki earthquake, Nature, 475, 373–376.

Ozeki, M., and K. Heki (2010), Ionospheric holes
made by ballistic missiles from North Korea detectedwith a Japanese dense GPS array, J. Geophys. Res.,
115, A09314, doi:10.1029/2010JA015531.
Pulinets, S., and D. Ouzounov (2011), Lithosphere‐atmosphere‐ionosphere coupling (LAIC) model—A
unified concept for earthquake precursor validation, J.
Asian Earth Sci., 41, 371–382.
Rikitake, T. (1976), Earthquake Prediction, Elsevier,Amsterdam.
Rolland, L. M., P. Lognonné, and H. Munekane (2011),
Detection and modeling of Rayleigh wave induced
patterns in ionosphere, J. Geophys. Res., 116,A05320, doi:10.1029/2010JA016060.
Takeuchi, A., B. W. S. Lau, and F. Freund (2006),
Current and surface potential induced by stress‐
activated positive holes in igneous rocks, Phys. Chem.
Earth, 31, 240–247.

図1

H.トリブッチ(渡辺正訳) (1985), 動物は地震を予知する, 朝日選書 277, 朝日新聞社.
Tsugawa, T. et al. (2011), Ionospheric disturbances
detected by GPS total electron content observation
after the 2011 off the Pacific coast of Tohoku
Earthquake, Earth Planets Space, 63, 875–879.
Tsuji, H., Y. Hatanaka, T. Sagiya, and M. Hashimoto(1995), Coseismic crustal deformation from the 1994
Hokkaido‐Toho‐Oki earthquake monitored by anationwide continuous GPS array in Japan, Geophys.
Res. Lett., 22, 1669–1672.
Uyeda, S., and M. Kamogawa (2008), The prediction
on two large earthquakes in Greece, Eos Trans. AGU,
89(39).
上田誠也 (2011), どうする! 日本の地震予知，中央公論四月号, 196.

(A) 0035局から十個のGPSを用いて観測された、2011年3月11日、3.5-8.5UTの斜めTEC変化。

衛星ごとの下駄ばきがあるので、時間変化にのみ注目してほしい。地震の十分後頃からいくつかの衛星で乱れが見られる。その間のGPS衛星のSIPの軌跡を(B)に示す。軌跡上には一時間ごとの区切りと地震発生時刻を示す小さな星を示す。四角形はおおよその断層の形で、大きな星印は震源を示す。

図2(A) 地震前後に15番のGPS衛星を観測して得られた電離圏全電子数の時系列。地震約の一時間程前から正の異常（黒い滑らかな曲線で示すモデルからのずれ）が見える。正の異常は音波の到来（地震約十分後）とともに消え始める。全球電離圏モデル(GIM)に基づく0038局におけるTEC変化の計算値を一番上の曲線で示す。(B)GPS局（灰色の丸）と 5-6UTの間のSIPの軌跡（黒い曲線）。白丸は地震発生時刻のSIP位置。

図315番のGPS衛星を観測して得られた電離圏全電子数の、地震一時間前(A)、二十分前(B)、一分前(C)の異常を鉛直TECに換算して、色で地図上にその時刻のSIPの位置にプロットしたもの。

図4

2010年2月のチリ地震前後に23番のGPS衛星を観測して得られた電離圏全電子数の時系列。

地震の約40-50分前から東北沖地震と同様な正の異常が見える。局の位置とSIPの軌跡を右の地図に示す。

図5

様々な地震の前後に観測された斜めTECの時系列を、同一のスケールかつ地震発生時刻を共通にとって比較したもの。地震直前の異常を鉛直TECに換算したものを、モーメントマグニチ
ュードMwと比較した図を右に示す（異常が観測されなかった2003年十勝沖地震等も含まれる）。