1.はじめに
私達の学校がある鳥羽や近隣の伊勢・志摩では牡蠣や真珠をつくるアコヤ貝などの養殖が盛んです（図1)。赤潮が起こると、アコヤ貝や牡蠣などが死んでしまいます。そのため、地元の名産でもある海の産物がとれなくなり大きな被害を生みます。例えば、今年の9月13日に八代海で発生した赤潮が南下して、鹿児島県長島町で養殖ブリ約10万匹が死に、約１億６０００万円の被害を生みました。県水産振興課によると、12日までに東町漁協管内の漁港2カ所で、出荷前の2年魚と来年に出荷する予定だった１年魚を合わせて９万５千匹が死んでいるのが確認されています。原因は魚を窒息死させるプランクトン「シャットネラアンティーカ」の増殖です。８月下旬に熊本県側で発生し、９月８日には同町でもブリの致死量に近い濃度で確認されています。 [1]これらの被害をおさえるためには、詳細な海洋気象情報を入手することが重要であると考え、私たちは「海色（うみいろ）」のシステムを作りました。被害をおさえるために、被害が起きる前の海の変化を定期的に視覚化することが重要です。一般的に海水中の溶存酸素濃度（D0値）を測るには低価格の溶存酸素キットや大きな機械を必要とします。しかし、採取した時間・場所・測定度合が限られており、厳密な測定結果を得る事が出来ません。また、現在海の色を調査するには船や飛行機、人工衛星を使用してモニタリングされており[2]、個人や漁業組合などが調査を行うには膨大な費用がかかります。そこで「海色(うみいろ)」は、とても低価格で軽量な計測機器を使用して海洋気象情報(海水温・DO値・海の色）を計測することで海洋気象の観測を行います。「海色（うみいろ)」は分光器、溶存酸素計をラズベリーパイに組み合わせることで定期的かつ自動的に測定が行うことが出来ます。鳥羽商船高等専門学校がある鳥羽では身近に養殖業があり、小学校から真珠の養殖体験や海について知る機会が多くあります。私たちは地域の誇るべき養殖技術を衰退させないためにも海に密接にかかわっている人たちのサポートをしていきたいという思いで、この「海色（うみいろ）」を製作しました。
2.1概要
「海色（うみいろ)」は赤潮や海水の汚染を早期に警戒するためのシステムです。この装置はマイクロ分光器(C1266MA)と溶存酸素計をラズベリーパイ2に接続し全ての機器を一括管理します。測定データはラズベリーパイ2からモバイルWiFi ルータを通じてデータベースサーバへ送信されます。また、パソコンからはラズベリーパイ2にリモートアクセスすることで計測システムの保守管理が可能です。更に、インターネットを通じて計測結果をどこからでも閲覧することが可能です（図2 )。 「海色（うみいろ）」を使用することで以下の３つのことが可能となります。 1.赤潮の予祭• DO値の低下•赤色が増加2.植物プランクトンの検出• DO値の増加•緑色が増加3.水のにごり具合・レベルが低下これらは海の色と溶存酸素量が密接に関係しています。一度にこれらの海洋気象情報を測定できる機器は限りなく少ないです。
2.2 海色（うみいろ）
下記のもので「海色（うみいろ)」は製作されています。使用した機器•分光器(C1266MA) ・溶存酸素計(WA-2017SDJ-DO) ・キセノンライト•バッテリー (2500mAh) ・ラズベリーパイ2
外装部分
•ペール缶20ℓ • PELICAN PRODUCTSペリカンプロダクツスモールケース・防塵/防水ケース・ケーブルグランド• 20kgのおもり「海色（うみいろ)」で使用しているのは浜松ホトニクス社製の分光器です。このC12666MAと同じスペックの分光器を購入すると場合によれば1000万円以上で、大きさも500リットルの家庭用冷蔵庫程になります。しかし、この分光器は約５万円という安さと指先サイズの小ささであり、海の中に沈めるのにはコンパクトで使いやすいため使用しています。溶存酸素計についてはFUSO社製です。この溶存酸素計はDO値と一緒に水温も測れるようになっています。そして、私たちが注目した部分はインターフェイスにあります。溶存酸素計のほとんどはインターフェイスが無い場合が多く、あったとしても10万円越えがほとんどです。しかしこの答在酸素計にはインターフェイス(USB出力)があり、価格も５万円以下です。そのため、ラズベリーパイ２に繋げて操作することが可能となります。 LEDライトではなくキセノンライトを使用している理由については、白熱電球より光を遠くまではっきりと届かせることが出来るため、１メートル程潜ると太陽光が届かなくなるような汚れた海の場合でもキセノンライトの光が分光器に届きやすいと考えました。また、キセノンライトは可視光域の分光分布が太陽光に近く演色性に優れているため使用しています。今回使用した分光器のスペック概要と写真を表1・図3、溶存酸素計のスペック概要を表2・図4に示します。また、測定機器が入った箱の外面と内面を図5、図6、図7に示します。
表1.分光器スペック概要

表2. 溶存酸素計スペック概要

2.3海の色の測定方法
以下にスペクトルデータの測定からグラフ化までの手順を示します。表3はパソコンからラズベリーパイヘリモートアクセスし取得したスペクトルデータを表にまとめたものです。測定の流れは図8に示します。まずは、暗闇でのスペクトルデータを取得します。これは、測定したスペクトルデータと暗闇でのスペクトルデータの差分を取ることで測定したスペクトルデータに含まれる誤差を取り除くことが出来るからです。今回の測定では表3のP列より、200～300程度の色の誤差が生じることが確認できます。次に海の色の測定を始めます。海の色を10回測定するのは正確さを求めるためです。その後、平均化したスペクトルデータから暗闇でのスペクトルデータ（表３のP列）を引き、差分値を算出します（表3の0列）。次に分光器の特性を取り除くための正規化を行います。式１により求めることが出来ます。キセノンライトの補正保教はキセノンライトのスペクトルデータ取得し、可視光部分の平均値から求めた値を使用しています。このような処理を行った上でグラフを作成し、誰が見ても分かりやすいようにしています。
図8. 測定からグラフ作成までの流れWavelength[nm] = Ao+B1*ch+B2*ch2+B3*ch3+B4*ch4+B5*ch5 (ch = 1~256) Ao= 3.054047593E+02 . . B1 = 2.407657170E+00 . B2 =-1.423576077E-03 . B3 = 1.137269727E-06 . B4 =-2.572505028E-08 B 5 = 5.517292106E-11
2.4   溶存酸素量（DO値）の測定方法
パソコンからラズベリーパイへ、リモートアクセスすることで図10のテキストデータを取得します。溶存酸素の測定例を図10に、海水の飽和溶存酸素量の参考資料を表4と表5に示します。テキストデータ4107010000116 4201010000208 4107010000116 4201010000208 4107010000116 4201010000208 4107010000116 4201010000208 4107010000116 4201010000208 4107010000116 4201010000208
表4. 飽和溶存酸素量
海水
水温
bsar:大気圧1013 mbar下で空気飽和させた水中の酸素濃度b212: 酸素分圧 212 mbar下での水中の酸素濃度
3.検証実験
「海色（うみいろ)」は赤潮や海水の汚染を早期に警戒するためのシステムです。そのため海水の汚染をいち早く祭知出来る事を確認するために「海色（うみいろ)」を実際に海水で使用するとどのような傾向がみられるのか確認しています。養殖業などで被害が大きい酸欠状態に近づいていることは溶存酸素計で検出できますが、「その予兆になる海の変化を色からも検出できるのではないか？」というのが「海色（うみいろ）の特徴的な点です。この検証実験では特に分光器を用いた検証を行います。
3.1キセノンライトの補正値の取得
最初にキセノンライトの特性を取り除くための補正値を取得します。また、キセノンライトを分光器に直接当てるとサチュレートしてしまうため、分光器にNDフィルターを付けて測定します。NDフィルターは図11に、NDフィルターの使用例を図12に示します。
3.2分光器で検出された色の確認
分光器で検出された色を確認するため、分光器の色を認識する穴の上にセロハンテープを付けて、その上にペンで着色します。その後キセノンライトの光を当てて検出した値がペンの色と一致するかを確認します。分光器にセロハンテープを貼り、ペンで着色した測定例を図13・図14に示します。測定に使用したNDフィルターは以下の通りです。 ・青色：NDなし•赤色：ND0.6 •緑色: ND0.7
3.3鳥羽の海水と沖縄の海水を比較
鳥羽商船高等専門学校敷地内の堤防で採取した海水と沖縄の海水で色や溶存酸素量に変化が見られるのかを測定します。鳥羽商船高等専門学校敷地内の堤防は図15に示します。
3.4 綺麗な海水・濁った海水・ミドリムシを混ぜた海水の測定
鳥羽商船高等専門学校敷地内の堤防で晴天時に採取した海水、雨天時に採取した海水、晴天時に採取した海水にミドリムシを混ぜたものを測定し、どのような違いが検出されるのかを調べます。データの取得には溶存酸素計の値も同時に取得するため海水に浸けてから５分後に計測します。また、水中にいる植物プランクトンの吸収スペクトルを図18に、蒸留水と海水の消散保数を図19に示します。測定に使用したNDフィルターはND1.3です。
3.5   濁り具合の比較
沖縄の海水と沖縄の海水に泥を混ぜたものを測定し、濁り具合を比較します。また、晴天時の鳥羽の海水と雨天時の鳥羽の海水の比較も行います。測定に使用したNDフィルターは以下の通りです。 •鳥羽：ND1.5 •沖縄：ND2.0
3.6   溶存酸素量（DO値）の測定
鳥羽の海水と沖縄の海水のDO値を測定しました。測定時の様子を図22に示します。
4.1キセノンライトの補正値の取得
キセノンライトのスペクトルデータを図23の青線のグラフに示します。これに分光器の特性を取り除くための補正係数を乗じて正規化します。正規化した値を図23の緑色のグラフに示します。 (測定時にND1.5を使用)緑色のグラフからキセノンライトの特性を取り除くための補正値を算出し、測定したスペクトルデータに適用します。図23.キセノンライトの測定結果
4.2分光器による色の検出を確認
図24の測定結果に図9のカラーバーを参照して青色・緑色・赤色を見ていくと、青色の波長の出力が一番突き出ているのが分かります。しかし、青色の出力が大きいのはNDフィルターを使用していないことが原因と考えられます。全体的に見てもそれぞれの色の波長の部分で大きくグラフが上がっているのが確認出来ます。この測定結果より、分光器での測定結果が目視で判断出来る色と一致することが確認できました。
4.3鳥羽商船高等専門学校敷地内の海水と沖縄の海水を比較
図25の測定結果より、鳥羽の海水が若干沖縄よりもグラフが上にあります。鳥羽の方が綺麗だということが観測されました。海水の見た目では図16を見ると両方とも透明で同じように見えますが、海水を採取する場所により若干の違いが出ることが分かりました。これは鳥羽と沖縄では海水に含まれているミネラル等に違いがあるからだと考えられます。
4.4 綺麗な海水・濁った海水・ミドリムシを混ぜた海水の測定
図26の測定結果より、通常の海水よりもミドリムシがいるグラフの値が下がっているのが確認出来ます。そして、700nm付近の波長が上がっており、通常の海水とほぼ同じ値を示しています。図18の植物プランクトンの吸収スペクトルより、約700nmから右側は植物プランクトンが吸収しない波長であることと一致していることが確認出来ました。400nm付近が下がっているのはミドリムシの特性だと予想されます。
4.5 濁り具合を比較
図27の測定結果を見るとドロが入っている海水のグラフの方の出力が弱いことが確認されます。図20の沖縄の海水を比較してみると明らかにドロが入っている方が茶色く濁っています。このグラフより海水が濁っている場合は分光器に届く光量が少なくなることが分かります。図21を見ると両方とも綺麗な海水に見えます。しかし濁った海水を採取した日は、前日の豪雨の影響で海が茶色く濁っていました。図28のグラフを見てみるとほとんど同じグラフになっています。しかし濁った海水のグラフでは680nm付近の波長の出力が綺麗な海水よりも上に上がっています。これは前日の豪雨で砂などが海中で舞い上がっており680nm付近の波長の出力が上がっていると分かります。
4.6  溶存酸素量（DO値）の測定
鳥羽の海水と沖縄の海水のDO値の測定結果を以下に示します。 1 4201010000202 2 4107010000116 3 4201010000202 4 4107010000116 5 4201010000202 6 24107010000116 7 4201010000202 8 4107010000116 9 4201010000203 10 4107010000116 11 4201010000203 12 34107010000116図29.鳥羽の海水のDO値1 4201010000210 2 410701000011 3　4201010000210 4　410701000011 5　4201010000210 6 410701000011 7 4201010000210 8 410701000011 9 4201010000210 10 410701000011 11 4201010000210 12 410701000011図30.沖縄の海水のDO値
5　検証実験結果に関する考察
これらの実証実験結果より分光器で海の色を計測すること可能であることが分かりました。さらにDO値の測定を組み合わせることで、より正確に海洋気象を観測することが可能です。測定データを取っていくと、実証結果のグラフだけでは確証を得ることが出来ない部分が出てきます。その場合、主成分分析などを行うことで、より多様な海洋気象情報を得ることが出来ると思われます。今回の検証実験の結果で、私たちの「海色（うみいろ)」は海水の色を数値化することが可能であり、さらに多くの海洋気象情報を得られる可能を秘めたシステムであると言えます。
おわりに
本稿では、海の色を計測・観測するためのシステム「海色（うみいろ)」の開発を行いました。今回行った検証により本システム「海色（うみいろ)」の有用性を示すことが出来ました。「海色（うみいろ）」は製作費10万円以下の安価なシステムですが、海の色と溶存酸素量について測定することが出来ます。今後の課題としては「海色（うみいろ)」を使用して赤潮や海水の汚染などのデータを多く集めれば的確な警戒をすることが可能と考えます。現状ではモバイルWiFiルータを使用するため、3G通信が可能な範囲でしか「海色（うみいろ)」を利用することは出来ません。しかし、将来的には小型の人工衛星を利用した800MHz帯の通信網を用いることにより世界中の海洋気象を観測できるようになる可能性があります。本報告の海色は、一般財団法人WNI気象文化創造センターの皆様による、制作委託費により製作しました。このような素晴らしい機会を与えていただいたことに感謝いたします。また、防水実験で協力していただいた鳥羽商船高等専門学校　水永部顧問の鈴木治先生本当にありがとうございました。 [1]デジタル朝日新聞「養殖プリ１０万匹死ぬ鹿児島・長島、赤潮が南下」 http://www.asahi.com/articles/ASJ9F533DJ9FTLTB009.html [2]   NASAの人工衛星による沿岸地域の水質調査http://www.nedo.go.jp/content/100105141.pdf引用[3]海水中の濁りと明るさ著者：菱田耕造賞金5万円ビローン気圧計千葉県立佐原高等学校天文・気象部WNI気象文化創造センター「気象文化大賞　第５回高校・高専『気象観測機器コンテスト』千葉県立佐原高等学校天文・気象部鈴木真斗, 鈴木 舜, 鈴木雄飛, 望月駿介, 山口 透,小林夏実,多田明日菜,神崎あゆみ,木内愛那1．はじめにへリコプターには限界高度があり、上空の気圧が低い場所では揚力を得ることができずに飛べないという話を聞いた。そこで，ヘリコプターと同様にプロペラの回転によって上昇するドローンはどこまで高く飛べるのか，興味を持った。現在は法律によって150m以上の飛行は禁止されているが，500mほどは飛べるらしい。ドローンの飛行高度は気圧の影響を受けるのだろうか。もし受けるとしたら、その日ドローンが飛行した高度によって気圧がわかる，巨大な気圧計がつくれるかもしれない。現在，ドローンの飛行には様々な問題も指摘されている。安全面も考えなくてはならない。そこで透明な筒を立て，その中で一定算量の荷物を積んだドローンを一定の時間飛ばし，その高度を測ることを考えた。質量を調節すれば、筒の外まで飛んでいくことはないだろう。筒には目盛りを付け、それをドローンのカメラで読み取らせるようにすれば，高度も手軽に測ることができるのではないか。そもそもドローンの高度と気圧に明確な関係があるかもわからないが，データを収集することで，検証していきたい。 (1)当初の計画本計画は右図のように,当初室内で飛ばせるような小型ドローンを使用し、高さの目盛りをつけたアクリルパイプの中で飛行させる予定であったが，以下のような点により計画を変更せざるを得なくなった。 ①ドローンが飛ばなかったまずは15000円ほどの小型ドローンを購入し、飛ばそうとしたが全く飛ばなかった。こちらの操作ミスを疑い,メーカーにも問い合わせたが,結局初期不良であろうということになり，返品した。 ②ドローンのサイズが大きく，プロペラの回転が起こす風も強くなった次に購入したのは本格的なドローンである，dji社のPHANTOM3 STANDARDである。これは安定して飛ばすことができたが，かなりサイズが大きくアクリルパイプに入れることができなくなった。また，プロペラの回転が起こす風が想像していたよりも強く，閉じられた空間での飛ばそうとしたとき，この風の影響が大きくなると考えられた。 ③室内ではＧＰＳの電波が受信できなかった。 PHANTOM3は，コントローラーからの電波が受信できなくなると、離陸場所に落陸する機能がついている。この機能はGPSを利用しているため，GPS電波が受信できない場所では安全のため飛ばないようにできている。本校地学教室はGPS電波が受信できず，難陸できなかった。新しい観測場所は屋上とすることにした。PHANTOM3はかなり飛行能力があるため、はじめは重りをつけて飛びにくくしようとしたが，飛行中バランスを崩すことが多く，断念した。そこで当初の計画は飛んだ高さを測る予定であったが，モーターの回転を最大にしたときの上昇速度を測定することにした。気圧の違いによって，上昇速度が異なるのではないかと予想した。室内とは異なり，屋外では風の影響を考える必要がある。そこで，kestrel社の風速・温度・気圧計kestrel2500を購入し、こうした気象条件とドローンの上昇速度についてのデータを集めることにした。 ①壁に測量ポールを垂直に固定する。ポールには黄色いテープを１ｍごとに巻きつけ，視認性を高めた。 ②風向・風力・気圧・気温を測定する。 ③ドローンのカメラを測量ポールに向け，動画撮影を開始する。 ④ドローンを離陸させ，モーターの回転を最大にして上昇させる。これを５回繰り返す。 ⑤撮影した動画データをパソコンに取り込む。Video Pad動画編集ソフトを用いて、撮影開始からの時間と，そのときの高さ（撮影された測量ポールの目盛り）を読み取る。高さの差÷時間の差で,上昇速度を計算する。５回の上昇について，上昇速度の平均を求める。 ・ドローン（PHANTOM3 STANDARD）  ・風速・温度・気圧計（kestrel2500）  ・測量ポール2本•方位磁針     •吹流し      •パソコン※このうち，ドローンと風速・温度・気圧計を今回いただいた研究助成金で購入した。最終的に実験には用いないことになったが，50mの巻尺，ドローンにつける重りも購入した。 PHANTOM3 STANDARD (右)測定前の様子ドローンを上昇させながら,壁に取り付けた測量ポールを動画撮影学校の敷地内でドローンを飛行させる場所を検討した。壁落した場合，対人対物の事故につながる可能性がある。そこで，通常立ち入りが禁止されている屋上を観測場所に選んだ。また，飛行範囲をコントローラーから30m以内に限定する「初心者モード」にドローンを設定し，安全な観測に努めた。さらに、ドローンはいっぱいまで充電した状態で観測を行った。しかし、観測方法を確立するまでに時間がかかったことや、今年９月は秋雨の時期が長くドローンを飛ばせなかったことにより，10月末までに観測データを多くとることができなかった。下の表は観測結果をまとめたものである。
※ドローンの平均上昇速度は５回の平均値である。 ・ドローンの平均上昇速度は，観測ごとに一定ではなく違いが見られる。 ・ドローンの平均上昇速度と，風向・平均風速・気温の間には，関係性は見られない。 ・ドローンの平均上昇速度は，気圧が最も高い10月15日に最も大きかった。また，気圧が最も低い10月20日に最も小さかった。 ・右のグラフはドローンの平均上昇速度と気圧の関係を示したものである。データは少ないが、気圧が高いときほど平均上昇速度が大きく，気圧が低いときほど平均上昇速度が小さくなっている。 •プロットされた点の並びは直線的である。 ・今回の結果から結論を出すにはあまりにもデータ数が少なすぎる。今後も観測を継続し，ドローンの上昇速度と気圧の関係を調べていくべきである。 ・データは少ないが，気圧が高いときほど平均上昇速度が大きく，気圧が低いときほど平均上昇速度が小さくなっている。これは,ドローンの上昇速度は気圧によって異なるのではないかという予想に沿ったものである。気圧が高いときほどドローンの上昇速度が大きくなる可能性があり，今後の観測で確かめていきたい。 ・気圧の違いによってドローンの上昇速度が異なるという予想は，データが少ないながらもおおむね当たっていると考えられる。 ・今後観測を重ね，データを増やしていくことによって，ドローンの上昇速度と気圧の関係性を見出し、「ドローン気圧計」の完成を目指したい。本研究のような高価な機材を使った観測は「第５回高校・高専『気象観測機器コンテスト』の研究助成金がなければ成しえなかった。研究の機会を与えてくださった，WNI気象文化創造センターの皆様に厚く御礼申し上げます。 •坪田教史(2009) 「ヘリコプターの最新知識」サイエンス・アイ新書観客賞賞金5万円布で測る！！降水量計測ストラップ長崎県立長崎西高校地学部
布という比較的安価なもので手軽に降水量を測れるようになることで、多くの人に天気に興味を持ってもらう。 1．布を12cm×7cmに断つ2．上端に駒込ピペットでそれぞれ5mL、10mL、15mLの水を垂らす3．５分と10分で染み込んだ部分の長さを測る今回は15種類の布について調べた。添付したエクセルファイルの通り。布地によって、水が染み込むものと染み込まないものがあることがわかった。綿や綿を含む布地、およびレーヨンには、水が染み込み、降水量の測定に利用できることがわかった。ただし、麻を含む綿には、水が染み込まないものがあることがわかった。一方、ナイロンやポリエステルには、水が染み込まず、不向きなことがわかった。しかし、ポリエステルの中でサテンだけは、水が染み込むことがわかった。 5分間計測した場合が、降水量測定に利用できそうである。水の量による染み込み方の差がはっきりしているのは、綿100％のツイル、レーヨン100％のパッチである。ツイルは水5mLで5cm染み込むので、5mL以下の少ない降水量が測定できそうである。また、パッチは、水10mLで3.5cm、水15mLで8cm染み込み、10mL以上の降水量が多くなるときに利用できそうである。 10分間の測定では、布地のもう一方の端まで染み込んでしまったり、5分のときとあまり差がない布地があったりした。今回の計測では、10分間計測するのはあまり重要とは考えられないようである。今回の実験では、綿100％のツイル、レーヨン100％のパッチが降水量測定に向いていることがわかった。実際に利用するには、雨を布地に染み込ませる方法を考えねばならない。また、降水量（水の量）と染み込む長さの距離関係を更に詳しく調べていく必要がある。今後の課題である。