hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
微分方程式の教材をMathematicsを用いて開設し、実際に教育を行ってその効果を見る

本研究の目的は、「微分方程式とその応用に関する教材の開発」と、「開発された教材を用いて実際に教育を行ってその効果を見る実験」であった。このうち前者は、平成7年度にほぼ終了し、平成8年度には後者の実験に移った。このような教材によって、単に教授者側から与えられた事柄だけを学習するのではなく、いろいろな場合について学習者が自ら考え、法則性を発見し、さらに発展させるというような新しい学習法を開発することを試みたが、それは成功し、目的はほぼ達成されたと考えられる。具体的には、数式処理、数値計算、グラフィックスを結合した優秀な統合ソフトウェアのうち、現在及び近い将来において開発され、または、開発中のものを含めて、最も強力で使いやすいと思われるMathematicaを用いて開発された、従来の微分方程式の書物とは異なったアプローチによる教材を用いて教室内外で教育を行い、教育効果を見て、従来の数学教育のありかたを教育実験によって示した。しかも、微分方程式にとどまらず、高校レベルでもできるが、実は深遠な内容をもつような題材も選んで、学生に提示し、競い合って法則性を発見し、出来れば証明を考え、また、一見成り立ちそうな性質も、もっとよく調べると成り立たない場合があることを発見する、それを反例で具体的に示すというようなことを行わせた。それらは見事に成功し、その成果は別紙報告書(様式12)にあるような「書物の抜粋」、及び発表された論文などに述べたとおりである。この書物はいずれ出版社から刊行するとともに、教材の内容をさらに改良して何らかの形でインターネット上に公開することを考えている。数式処理ソフトMathematicaの(3次元)グラフィックス機能・アニメーション機能を最大限に活用して、微分方程式の解の安定性等における定性的な議論を明快に視覚化する教材を開発し、実験授業を行い、その効果を見た。従来の微分方程式の教育においては、ともすると、その導入部においては変数分離形等の特定のタイプの微分方程式に対する(そのタイプごとに特有の)求積法をマスターすることに重点がおかれ勝ちであり、また引き続く議論において「級数解法」という方法を論ずる場合でも、ある種の確定特異点型方程式とその解である特殊関数の紹介程度に留まるといったきらいがある。求積法により解の〈closed form〉を求める手順を身につけるというような受け身の学習では数学本来の面白さは見失われよう。我々はまた、級数解法による近似解の構成をビジュアル的に実現するMathematicaプログラムを作成し教材として実験授業に供することで、学生から大きな手応えを得た。我々が開発した両教材を通じて、自発的に、様々な微分方程式の解の定性的・大域的な性質を調べ始めた学生が何名か現れたことからも、「解(となる関数)の性質を明らかにする」という微分方程式研究本来の問題意識に学生の目を向けさせるという我々の意図も概ね成功をおさめたものと自負している。学生達に、数学における「発見の喜び」を体験させるという我々のサブテーマもほぼ満足のいく形で達成できたと思う。平成7年度にほぼ開発を終えた「微分方程式とその応用に関する教材」を用いて、本研究の後半の目的である「開発された教材を用いて実際に教育を行ってその効果を見る実験」を行った。われわれの開発した教材は、単に教授者側から与えられた事柄だけを学習するのではなく、いろいろな場合について学習者が自ら考え、法則性を発見し、さらに発展させるというような新しい学習法に適しているものであって、それがどれほどの効果を上げるかを見るのが目的であったが、それは成功し、目的はほぼ達成されたと考えられる。

具体的には、数式処理、数値計算、グラフィックスを統合した優秀な統合ソフトウェアのうち、現在及び近い将来において開発され、または、開発中のものを含めて、最も強力で使いやすいと思われるMathematicaを用いて開発された、従来の微分方程式の書物とは異なったアプローチによる教材を用いて教室内外で教育を行い、教育効果を見て、将来の数学教育のありかたを教育実験によって示した。しかも、微分方程式にとどまらず、高校レベルでもできるが、実は深遠な内容をもつような題材も選んで、学生に提示し、競い合って法則性を発見し、出来れば証明を考え、また、一見成り立ちそうな性質も、もっとよく調べると成り立たない場合があることを発見する、それを反例で具体的に示すというようなことを行わせた。それは見事に成功した。その成果は別紙報告書(様式12)にあるような書物の抜粋、及び、発表された論文などから明らかに分かるものである。
ペプチド錯体:加水分解酵素活性中心モチーフの合成・反応・アプサイジング

亜鉛加水分解酵素の反応機構については、亜鉛に配位した水酸基の存在が活性発現のもとであるとするメカニズムが確立されているが、活性を加速させるメカニズムや、活性が発現するpH領域のコントロールのメカニズムについては未だ定説がない。本研究計画は活性に及ぼすプロトン解離基の影響と疎水場の効果を明らかにすることを目的とし、申請書に示した計画に従って、1)加水分解酵素の内、Metzincin族の活性中心モチーフHis-Glu-X_2-His-X_2-Gly-X_2-Hisを有する1327残基数の種々のペプチドを5種類用意した(固相合成...39残基のものの合成には到らなかった)。2)それらペプチドのうち3種類についてZn^<2+>、Co^<2+>との錯形成をUV-vis.、CD、滴定、ポテンショメトリー、pH効果、質量分析、NMR、超遠心沈降平衡分析、EXAFS、検討した。これらの実験の結果、1)亜鉛ペプチドの活性の源泉は亜鉛ハイドロ木再度であることをペプチド系でも確認した。2)Co^<2+>はυ-hydroxo-υ-peroxo型2量体を形成するときに活性を示し、Zn^<2+>よりも活性が高かった。3)加水分解活性は疎水性性が高いほど高かった。一方、水溶液での溶解度が減少してNMR、EXAFS等の実験が遂行できなかった。そのため有機溶媒との混合を行なわざるを得ず、系のpHの定義が不可能になった。4)そのため、疎水性の高いアミノ酸配列を持つ系をミセル中へ包埋する研究を新たに計画し、NBD-Fやトリプトファンなど蛍光プローブを導入した13残基のペプチドを2種類合成した。これらのペプチドについて、Zn^<2+>、Co^<2+>共存下アニオン、カチオン、両性、ノニオン界面活性剤への包埋条件を検討した結果、カチオン型界面活性剤が目的に合致することを見出した。本研究は申請書の計画内容と異なり、正確なpHが定義可能で且つ疎水場を作り出せるミセル系の探索を余儀なくされ、回り道を強いられることになったが、ほぼその探索に成功した。今後NMRを用いて諸官能基のプロトン解離平衡及び加水分解活性のpH依存性を改めて遂行する予定である。本年度は5点について実験・研究を行い、それぞれ相応する結果を得た。内容は以下のとおりである。など、5残基から13残基へとペプチド鎖を次第に延長させながら、疎水性や親水性など性格の異なるペプチドをシステマティックに5種類合成した。2)これらのペプチドのプロトンの解離平衡定数(pKa)をNMRを用いて明らかにした。一方、ポテンショメトリー法を用いてプロトンの解離平衡定数(pKa)を求め前者と比較した。この結果ポテンショメトリー法は正確さに劣るがほぼ近いpKaを与えることが分かった。このことをもとに、ペプチドと亜鉛イオンの錯体形成条件をポテンショメトリー法を用いて検討し、NMRによる滴定との比較を行った。又、亜鉛上の水分子のプロトンの解離平衡定数(pKa)を求めた。

3)亜鉛ペプチド錯体の加水分解活性の速度論的検討を行い、活性に及ぼすpH効果を検討した。その結果加水分解には1水酸化物と2水酸化物の両者が働くらしいことが分かった。4)これとは別に、コバルトを中心金属イオンとして上記ペプチドとの錯形成を分光法によって検討し、活性に及ぼすpH効果を検討した。その結果、コバルト(III)が13残基以上のペプチドに対して、恐らくμ-hidroxo-μ-peroxo二核錯体と思われる化学種を形成し、加水分解活性と同時に、酸化反応活性を示すことを見出した。このことは、短い配列のコンセンサスペプチドは酸化反応と加水分解反応の両者にたいして未分化な状態にあるという進化論的に興味深い仮説を引き出すことになった。5)13残基ペプチドが水溶液中で形成するコバルト(III)錯体が複核構造を有することをXAFS法によって検討し、確認した。亜鉛加水分解酵素の反応機構については、亜鉛に配位した水酸基の存在が活性発現のもとであるとするメカニズムが確立されているが、活性を加速させるメカニズムや、活性が発現するpH領域のコントロールのメカニズムについては未だ定説がない。本研究計画は活性に及ぼすプロトン解離基の影響と疎水場の効果を明らかにすることを目的とし、申請書に示した計画に従って、1)加水分解酵素の内、Metzincin族の活性中心モチーフHis-Glu-X_2-His-X_2-Gly-X_2-Hisを有する1327残基数の種々のペプチドを5種類用意した(固相合成---39残基のものの合成には到らなかった)。2)それらペプチドのうち3種類についてZn^<2+>、Co^<2+>との錯形成をUV-vis.、CD、滴定、ポテンショメトリー、pH効果、質量分析、NMR、超遠心沈降平衡分析、EXAFS、検討した。これらの実験の結果、1)亜鉛ペプチドの活性の源泉は亜鉛ハイドロ木再度であることをペプチド系でも確認した。2)Co^<2+>はυ-hydroxo-υ-peroxo型2量体を形成するときに活性を示し、Zn^<2+>よりも活性が高かった。3)加水分解活性は疎水性が高いほど高かった。一方、水溶液での溶解度が減少してNMR、EXAFS等の実験が遂行できなかった。そのため有機溶媒との混合を行なわざるを得ず、系のpHの定義が不可能になった。4)そのため、疎水性の高いアミノ酸配列を持つ系をミセル中へ包埋する研究を新たに計画し、NBD-Fやトリプトファンなど蛍光プローブを導入した13残基のペプチドを2種類合成した。これらのペプチドについて、Zn^<2+>、Co^<2+>共存下アニオン、カチオン、両性、ノニオン界面活性剤への包埋条件を検討した結果、カチオン型界面活性剤が目的に合致することを見出した。以上のように、本研究は申請書の計画内容と異なり、正確なpHが定義可能で且つ疎水場を作り出せるミセル系の探索を余儀なくされ、回り道を強いられることになったが、ほぼその探索に成功した。今後NMRを用いて諸官能基のプロトン解離平衡及び加水分解活性のpH依存性を改めて遂行する予定である。
水プロトン化学シフトによる体内温度分布の無侵襲画像化法に関する研究

まず,実験(1)として真空機構を有する試料作成装置を試作し,人工血液(純水の20倍の酸素溶解能力)中の酸素量を変化させた際の,水プロトン化学シフトの温度特性を評価した.その結果,無酸素及び飽和酸素状態における温度係数の違いは高々10^<-3>ppm/°Cであった.次に実験(2)としてマウスの後肢骨格筋における水プロトン化学シフトの温度特性を磁気共鳴分光器により詳細に評価した.その結果,本指標は,内部基準なしの場合,正の温度係数で非線形に変化し,ヒステリシスを呈した.脂肪内部基準を使った場合は負の温度係数で線形に変化し,ヒステリシスを示さなかった.なお直腸温が骨格筋の温度変化に追従して変化していた.続いて実験(3)としてラットの後肢骨格筋の温度を局所的に制御し,磁気共鳴分光画像化装置を用いて(2)と同様の評価を行った.その結果,本指標は内部基準の有無に拘らず負の温度係数で線形に変化し,ヒステリシスを示さなかった.最後に実験(4)として,実験(3)と同時に,右後肢を含む断層における温度分布の定量画像化を試みた.3D-MRSI法及びフェーズマップ法による撮像データを処理し,温度画像を得た.実験(1)の結果から血中酸素の影響は極めて小さく,温度特性に影響を与える因子としては還元ヘモグロビンが支配的と考えられた.実験(2)及び(3)の結果の比較から,温度変化が全身に及んだ場合には,代謝が活性化すると同時に中枢動脈血流量が増加するため,組織の還元ヘモグロビン密度が増加し,水プロトン化学シフトが高周波シフトしたものと考えられた.非線形性及びヒステリシスは血流量の増減の非線形性及び時間遅延によるものと解釈された.温度変化が局所的な場合は代謝の活性化を伴わない末梢血流の増加に留まるため,還元ヘモグロビン密度の影響が小さかったと考えられた.これらを考慮すると,実験(4)で得た温度画像は内部基準を使用しない場合においても,温度分布を可視化したものと考えられた.以上より本年度の研究は還元ヘモグロビンの影響を現象論的に明らかにすると共に,体内温度分布の定量画像化法の有用性を実証した.まず,実験(1)として真空機構を有する試料作成装置を試作し,人工血液(純水の20倍の酸素溶解能力)中の酸素量を変化させた際の,水プロトン化学シフトの温度特性を評価した.その結果,無酸素及び飽和酸素状態における温度係数の違いは高々10^<-3>ppm/°Cであった.次に実験(2)としてマウスの後肢骨格筋における水プロトン化学シフトの温度特性を磁気共鳴分光器により詳細に評価した.その結果,本指標は,内部基準なしの場合,正の温度係数で非線形に変化し,ヒステリシスを呈した.脂肪内部基準を使った場合は負の温度係数で線形に変化し,ヒステリシスを示さなかった.なお直腸温が骨格筋の温度変化に追従して変化していた.続いて実験(3)としてラットの後肢骨格筋の温度を局所的に制御し,磁気共鳴分光画像化装置を用いて(2)と同様の評価を行った.その結果,本指標は内部基準の有無に拘らず負の温度係数で線形に変化し,ヒステリシスを示さなかった.最後に実験(4)として,実験(3)と同時に,右後肢を含む断層における温度分布の定量画像化を試みた.3D-MRSI法及びフェーズマップ法による撮像データを処理し,温度画像を得た.実験(1)の結果から血中酸素の影響は極めて小さく,温度特性に影響を与える因子としては還元ヘモグロビンが支配的と考えられた.実験(2)及び(3)の結果の比較から,温度変化が全身に及んだ場合には,代謝が活性化すると同時に中枢動脈血流量が増加するため,組織の還元ヘモグロビン密度が増加し,水プロトン化学シフトが高周波シフトしたものと考えられた.非線形性及びヒステリシスは血流量の増減の非線形性及び時間遅延によるものと解釈された.温度変化が局所的な場合は代謝の活性化を伴わない末梢血流の増加に留まるため,還元ヘモグロビン密度の影響が小さかったと考えられた.これらを考慮すると,実験(4)で得た温度画像は内部基準を使用しない場合においても,温度分布を可視化したものと考えられた.以上より本年度の研究は還元ヘモグロビンの影響を現象論的に明らかにすると共に,体内温度分布の定量画像化法の有用性を実証した.
化学者メンデレーエフと明治日本-日露科学交渉史研究

ロシア連邦のサンクト・ペテルブルグ大学付属メンデレーエフ文書館・博物館に所蔵されていた、メンデレーエフとメンデレーエフの息子で海軍士官であった長男のヴラジーミルに宛てられた日本からの計二通の手紙について、その手紙が出された経緯を明らかにした。手紙によれば、海軍士官ヴラジーミル・メンデレーエフは長崎を訪れ、長崎で秀島タカという名前の日本人妻をもち、ヴラジーミルの帰国後に二人の一子どもとしてタカという女の子が生まれたことがわかる。ヴラジーミルの長崎訪問を跡づけるために、当時の回想録やサンクト・ペテルブルクの海軍文書館に保存されているヴラジーミルの軍歴表を検討し、長崎県立博物館に保存されている当時の長崎の新聞や大津市歴史博物館の大津事件関係の史料などを調査して、ヴラジーミルが、1891年5月、大津事件で有名なニコライ皇太子の訪日の際にその旗艦に同乗して来日しており、その後翌年までにさらに3回長崎を訪れていることを突き止めた。したがって、ヴラジーミルは、秀島タカと1891年の暮か翌年の4月に知り合い長崎滞在の1ヶ月か2ヶ月をともに過ごし子供をもうけた可能性が高く、フジが生まれたのは93年1月であったことがわかった。こうした調査結果は、日本大学生物資源科学部(神奈川県藤沢市)で開かれた湘南科学史懇話会(1998年9月15日)、東京工業大学の火曜日ゼミ(同年9月28日)、岡山県津山市で開かれた1998年度化学史研究会(同年10月18日)、早稲田大学文学部で開かれた来日ロシア人研究会(同年11月21日)でそれぞれ発表し、有益な意見や議論を聞くことができた。
グラフの再埋蔵を中心とした位相幾何学的グラフ理論の総合的研究

位相幾何学的グラフ理論における多くの研究テーマを「グラフの再埋蔵」という視点で束ねて総合的な研究を行った。特に,閉曲面上の三角形分割の再埋蔵構造を記述する「パネル構造」の理論を展開し,コンピュータ上のプログラムとして実装して,トーラス上の三角形分割に対する既存の結果を再検証した。閉曲面上に埋め込まれたグラフの対称性を破壊するような彩色や三角形分割に対するtriad coloringという新しい彩色を考察し,その諸性質を解明した。今年度は,例年横浜国立大学で開催されている「位相幾何学的グラフ理論研究集会」が25周年を迎えた.これを記念して国際会議「TGT25」を開催し,国内外から約100名の参加者を得た.その参加者たちとの交流を深め,位相幾何学的グラフ理論に関する様々なテーマについて研究を深めることができた.特に,スロバキアで開催された「GEMS 2013」に参加し,Roman Nedera氏らと情報交換し,グラフの被覆と閉曲面上の正則地図に関する知識を吸収することができた.それにより,閉曲面上の3-正則地図は,いくつかの例外を除き,色4を高々1回しか使わない識別4-彩色を持つことを証明することができた.当初,その例外の候補として極めて対称性の高い正則地図が挙げられていたが,最終的には例外は3個しかないことを突き止めた.また,米国ボルチモアで開催された「JMM 2014」に参加し,Tom Tucker氏と共同研究することで,閉曲面上の多面体的な二部グラフ的地図の識別染色数は,有限個の例外を除き,3以下であることを証明することができた.現在,その有限個の例外の完全列挙を試みている.一方,木更津高専の佐野照和氏の協力により,トーラス上の三角形分割の再埋蔵をコントロールする「パネル構造」をコンピュータ上で自動生成し,分類することに成功した.それによって,笹尾哲氏が手作業で行ったトーラス上の三角形分割のパネル構造の分類には,いくつか欠けているパネル構造があることが明らかになり,その分類リストを正すことができた.その他にも,連携研究者たちの協力により,多数の定理の証明に成功し,上述の国際会議「TGT25」において発表された.昨年度に証明に成功した閉曲面上の3-正則地図は,3個の例外を除き,色4を高々1回だけ使う識別3-彩色を持つという事実を出発点として,切頂3-正則多面体や射影平面上の切頂3-正則地図が識別3-彩色を持つことを証明し,一般の曲面上の切頂3-正則地図に対しても同様のことを結論するための理論を構築することができた.また,上述の反例を探求することで,少数の例外を除き,3-連結平面的グラフは適当な向き付け可能な閉曲面上に忠実に埋め込み可能であることを証明することができた.さらに,3-連結平面的グラフが向き付け不可能な閉曲面上に忠実に埋め込み可能かどうかを判定する手法を考案した.その他にも,連携研究者たちの協力により,多数の定理の証明に成功しており,その成果をSIAM2014(米国), SIGMAP2014(英国),JCGTC2014(日本)という国際会議や新潟で開催された研究集会や毎年行っている「位相幾何学的グラフ理論研究集会」などで発表した.閉曲面上の三角形分割に対して,triad coloringという新たな彩色を定義し,その理論を展開した。triad coloringが与えられると,その三角形分割からtriad complexと呼ばれる2次元複体への単体写像が定義される。その普遍被覆への持ち上げなど,位相幾何学的手法を多用し,組合せ的な議論だけでは結論が難しいいくつかの事実を証明した。また,連結グラフを辺の長さが1となるような距離空間とみなし,その上に互いの距離がx > 0以上になるように配置された点の最大個数を値とする関数を考え(beans functionと呼ぶ),xが1未満のときの関数の振る舞いを探求し,いくつかの不等式を証明した。この概念自体はグラフの再埋蔵とは直接関係ないが,不等式を議論する際に,グラフのベッチ数など,位相幾何学的な不変量を利用した。再埋蔵理論に関しては,既約三角形分割のリストの存在を前提としてパネル既約三角形分割を生成する高速なアルゴリズムを構築し,コンピュータ・プログラムとして実装した。それにより,過去に人力によって行われたトーラス上のパネル構造の分類表に欠けているものがあることを発見し,それを補うことができた。その他にも,連携研究者たちの協力により,多数の定理の証明に成功しており,その成果は「離散数学とその応用研究集会2015」や毎年行っている「位相幾何学的グラフ理論研究集会」,ニュージーランドで開催された「SCDO 2501」などで発表した。閉曲面上の三角形分割のtriad coloringや連結グラフのbeans functionなど,これまでになかった研究テーマを創出し,基礎的な理論を構築することができた。また,ある手法を導入することで,パネル既約三角形分割の自動生成の高速化に成功した。これまでの研究から,閉曲面上の地図(グラフの埋め込み)の対称性と関連して定義されている地図の識別染色数は,特殊な例を除き,通常の地図の染色数と大きくかけ離れないことがわかっている。その事実をより精密にするために,二部グラフや3-正則グラフを埋め込むことで得られる地図の識別染色数を評価することを試みた。その結果,数少ない例外を除き,二部グラフによる多面体的地図の識別染色数は3以下であることを証明し,その例外を特定するための理論を構築した。

また,切頂3-正則地図と呼ばれる3-正則地図は,第4の色を1つの頂点だけに着色する識別彩色を持つことを証明した。昨年度は,オイラー数が非負の閉曲面上の切頂3-正則地図に対してだけこの事実を示していたが,グラフが埋め込まれている閉曲面に依存しない証明に成功している。その一方で,閉曲面上の三角形分割の再埋蔵対構造を特定する新たな理論を展開した。これまでは個々の三角形分割のパネル構造の生成を試みてきたが,三角形分割の弛緩度などの再埋蔵と関連して探求される研究に活用できるように,再埋蔵対に対するパネル構造という概念を導入し,コンピュータ上のプログラムをによってトーラス上の三角形分割の再埋蔵対に対するパネル構造を決定した。その他にも,連携研究者たちの協力により,多数の定理の証明に成功しており,その成果は「離散数学とその応用研究集会2016」や毎年開催している「位相幾何学的グラフ理論研究集会」,米国フロリダで開催された国際会議などで発表した。位相幾何学的グラフ理論における多くの研究テーマを「グラフの再埋蔵」という視点で束ねて総合的な研究を行った。特に,閉曲面上の三角形分割の再埋蔵構造を記述する「パネル構造」の理論を展開し,コンピュータ上のプログラムとして実装して,トーラス上の三角形分割に対する既存の結果を再検証した。閉曲面上に埋め込まれたグラフの対称性を破壊するような彩色や三角形分割に対するtriad coloringという新しい彩色を考察し,その諸性質を解明した。定理を証明するということに関しては,期待以上の進展があったが,閉曲面上のパネル構造の自動生成を行うという計画については,まだ完成していないため.閉曲面上の三角形分割のtriad coloringや連結グラフのbeans functionの理論をさらに発展させる。生成の高速化に成功したパネル既約三角形分割を利用して,閉曲面上の三角形分割の再埋蔵構造の分類を試みる。また,これまで築いた国内外の研究者との協力関係を維持し,最終年度以後の研究の方向性について検討していく。28年度が最終年度であるため、記入しない。位相幾何学的グラフ理論これまでに築いた国内外の研究者との協力関係を維持し,これまでに明らかになった事実をさらに発展させて,より一般的な定理の証明を試みていく.また,コンピュータによる閉曲面上のパネル構造の自動生成に実現するために研究開発に力を注ぐ.佐野照和氏の協力によりトーラス上の三角形分割のパネル構造の自動成功に成功した.閉曲面上のグラフの識別染色数については,グラフを地図に変えることで,3-正則地図や二部グラフ的地図に対して,かなり正確な評価を得ることができた.また,国際会議「TGT25」を主催し,海外の研究者との交流を深め,共同研究に発展させることができた.2015年4月に研究代表者の根上が環境情報研究院長に就任し,スケジュール的に出張計画を自由に組めなくなったため,若干の旅費を残すことになった。購入した機材が当初の計画よりも安価で入手できたため.出張計画を早目に立て,残額を次年度の旅費に混ぜて円滑に執行する。これまでに築いた国内外の研究者との協力関係を維持し,今年度に明らかとなった課題を克服するために共同研究を発展させていく.
噴霧の生成メカニズムとそのモデリングに関する基礎的研究

本研究は,噴孔より気流中に噴射直後の液柱表面に初生した乱れが気液の相対速度によって増幅し,分裂に至る過程を実験的ならびに理論解析によって明らかにし,実測値を必要としない汎用性のある噴霧流動数値シミュレーション構築のため,噴霧生成のモデリングを行うことを目的としている。まず線形安定性理論を用いて液柱表面上に発生する波の波長と成長速度の関係を,周囲気流速度をパラメータに求めた。次に,ピエゾ圧電セラミック素子を用いて,噴孔より噴射時の液柱に振動を与え,液柱表面上の乱れの挙動を写真により観察した。さらに,噴射弁下方に赤色光シートを照射し,透過光量の変動から噴霧濃度の時間的変動を求め,これを周波数解析してピエゾ素子に与えた加振周波数との関係を調べた。以上の実験結果をもとに,噴霧生成モデルを新たに作成し,これを用いて液柱の分裂長さおよび生成噴霧の平均径を計算し,既存の実験式と比較した。その結果,以下の点が明らかとなった。(1)成長速度が最大となる変動波の波長は,相対速度の増大とともに両対数グラフ上でほぼ直線的に減少する。一方,その成長速度はほぼ直線的に増大する。(2)気流中に液柱を噴射した場合,気流速度が小さい条件では,噴霧濃度の変動成分中に5kHz以下の低周波数成分と10kHz付近の高周波成分が混在し,気流速度の増大とともに10kHz付近の高周波成分が強くなる。さらに気流速度が増大すると,あらゆる周波数成分の波が現れるようになる。(3)気流速度が17.744.2m/sの条件では,噴霧濃度の変動成分中の10kHz付近の高周波成分は,ピエゾ素子により加振した方が小さくなる。気流速度がかなり大きくなると,加振した方がより上流から噴霧生成が行われるようになる。(4)本研究で提案した噴霧生成モデルよる計算によれば,分裂長さは実験式にほぼ一致し,生成噴霧の平均粒径は,気流速度の極小さい条件を除けば,実験式にほぼ一致する。本研究の目的は,液体の微粒化現象における噴霧の生成メカニズムを明らかにし,実測値を必要としない汎用性のある噴霧流動数値シミュレーションの構築のため,噴霧生成過程のモデルを作成することにある。著者らの界面追跡法を用いた液噴流界面の変形に関する数値シミュレーション結果によれば,界面の微小乱れの増幅過程では,気液の相対速度によるせん断力が大きな役割を果たしている。これらのシミュレーション結果を参考に,まず液噴流の微粒化過程を観察して噴出直後に液噴流の連続部分の存在することを明らかにし,その運動を簡単なモデルを作成して調べた。その結果,液噴流の分裂長さは,周囲気流速度の増大とともに指数関数的に減少することが明らかとなった。この結果を実測値や他の研究者により報告されている実験式と比較すると,気流速度に対する分裂長さの変化は定性的には実測値や実験式と一致するものの,絶対値はかなり小さくなることが分かった。次に,このモデルを噴霧流動のシミュレーションプログラムに組み込み,液噴流周りの流れ場を計算して気液の相対速度を求め,これを用いて気液界面の線形安定性解析を行って,生成する噴霧の粒径ならびに液滴速度を求めるモデルを作成した。このモデルを用いた数値解析の結果,生成する噴霧粒子の平均粒径は周囲気流速度の増大とともに指数関数的に減少することが分かった。

この結果を,気流微粒化における抜山・棚沢の式と比較すると,気流速度が100m/s以上の高速領域では,両者は定量的にほぼ一致するものの,100m/s以下の低速領域では,計算値は実験式よりもかなり小さくなることが分かった。予測精度を上げるためには,噴射弁出口近傍における流れ場を正確に求める必要がある。以上構築したモデルを検証するために,ピエゾ素子によって液噴流に微小乱れを与える装置を組み込んだ気流噴射弁を設計試作した。現在,試作した噴射弁の微粒化実験を行うためのシステムを製作中である。本研究は,噴孔より気流中に噴射直後の液柱表面に初生した乱れが気液の相対速度によって増幅し,分裂に至る過程を実験的ならびに理論解析によって明らかにし,実測値を必要としない汎用性のある噴霧流動数値シミュレーション構築のため,噴霧生成のモデリングを行うことを目的としている。本年度は,まずピエゾ圧電セラミック素子を用いて,噴孔より噴射時の液柱に振動を与え,液柱表面上の乱れの挙動を写真により観察した。ピエゾ圧電素子に印加する電圧の周波数,液柱の噴出速度ならびに周囲気流速度を種々に変えながら液柱の挙動を写真観察し,液柱表面が最も不安定になる乱れの周波数と気液相対速度の関係を調べた。つぎに,液柱表面上に初生した乱れの周波数と液柱分裂周波数の関係を定量的に調べるため,噴射弁下方に赤色光シートを照射し,透過光量の変動を測定した。透過光量の変動を周波数解析し,噴霧濃度変動の周波数成分を求めた。これらの実験的解析を行った結果,以下の点が明らかとなった。(1)静止気流中に液柱を噴射した場合,液柱の噴出速度が8m/s前後で9.3kHzの高周波成分の乱れの減衰が最も小さい。(2)気流中に液柱を噴射した場合,気流速度が小さい条件では,噴霧濃度の変動成分中に5kHz以下の低周波数成分と10kHz付近の高周波成分が混在し,気流速度の増大とともに10kHz付近の高周波成分が強くなる。さらに気流速度が増大すると,あらゆる周波数成分の波が現れるようになる。(3)気流速度が17.744.2m/sの条件では,噴霧濃度の変動成分中の10kHz付近の高周波成分は,ピエゾ素子により加振した方が小さくなる。気流速度がかなり大きくなると,加振した方がより上流から噴霧生成が行われるようになる。
カルボキシル基を利用した有機分子の銅配線上への自在配置に関する研究

本年度は、照射する有機分子のエネルギーや吸着している有機分子の活性度などを制御し非平衡状態を利用し、分子組み立てにおける化学反応についての検討を行う。銅表面にコハク酸のカルボキシル基の両方がイオン化している吸着状態(Bisuccinate)に並進エネルギーを制御した二重結合を持つCH2=CHCH3分子を照射しその反応性(付加反応)について実験を行った。これは、CH2=CHCH3分子の2重結合が破れ、有機合成で言う"付加反応"をコハク酸吸着分子と起こることを期待して行ったものである。その結果、用いたエネルギー範囲(0.3eV)では付加反応は起きなかった。この原因として入射したエネルギーの多くは、吸着していた分子にフォノンエネルギーとして与えてしまい、2重結合の解離には使われなかったと考えられる。分子衝突モデルより考えると入射する分子に質量にも依るが、およそ入射エネルギー2割程度は、フォノンへ散逸することがわかった。また一方、表面に配列吸着している有機分子の活性度を上げるためには、分子のHOMO-LUMOギャップエネルギーに近い紫外線の照射が有効である。しかし、紫外線照射によって分子の相互作用を助けるのでなく、分子自身が壊れてしまう可能性がある。そこで、アルミナ及び金表面に吸着させたリン酸基を含むフェニルリン酸の紫外線照射損傷について検討を行った。その結果、紫外線による分子の損傷は観測されなかった。一方、表面と強い化学結合を作らない系(金表面)では、局所的に紫外線により表面が加熱されたためその熱により分子の脱離が観測された。これらの結果は、分子素子開発や分子認識などにおける、吸着分子-分子の相互作用(化学反応)や、その過程の解明のための基礎的な知見であると考えられる。カルボキシル基は、金属表面と化学結合を作るため、分子の固定化(アンカー)材料として有力である。また、Si系デバイスでの配線材料である銅との融合を考えた場合、その固定化分子の熱的安定性や吸着構造が重要である。これまで我々は、カルボキシル基が1つである酢酸とカルボキシル基が2つであるコハク酸の吸着構造及び熱的安定性について報告した。酢酸に比べてコハク酸の方が脱離温度が高く熱的安定性が高いことが明らかになった。これは、コハク酸の2つあるカルボキシル基のうち2つともイオン化してCu原子に吸着している状態(Bisuccinate:-OOC-CH2-CH2-COO-)である為に、脱離温度が高くなったと考えられる。本年度は、メチレン基が2つ多いアジピン酸を用いて、炭素数の違いが熱的安定性に与える影響及び吸着構造について昇温脱離、低速電子線回折(LEED)及び高反射赤外分光法(FT-IRAS)を用いて検討を行った。350400Kでは、アジピン酸はc(2×2)の2次元構造を形成しmonoadipiate (HOOC-(CH2)4-COO-)として吸着していると考えられる。温度の上昇と共にc(2x2)構造は崩れ、500K以降では、p(1x2)及びp(6x2)の2次元構造になった。これらの構造では、biadipiate (-OOC-(CH2)4-COO-)として吸着していると考えられる。Biadipiate吸着構造は、600Kでの脱離まで存在した。これら炭素数が2つ少なく分子構造が似ているコハク酸の結果とほぼ一致した。脱離温度は、表面Cu原子と吸着しているカルボキシルイオンが決定していると考えられる。本年度は、カルボキシル基を含む有機分子のCu(110)表面での吸着構造を制御し、その仕事関数を計測することにより有機分子-金属界面でのポテンシャル接続について基礎的な解明を行う。この実験系での測定は、すでにある設備のケルビンプローブ(接触電位差法)によりおこなった。・有機分子-金属での仕事関数1つのカルボキシル基と1つのペプチド結合を含むアセチルグリシン(N-Acetylglycine(AcGl):CH3-CO-NH-CH2COOH)のCu(110)表面での温度変化による吸着構造と仕事関数の関係について検討を行った。室温から350Kでは、AcGlはカルボン酸イオンの同等な酸素原子を通じて表面垂直に位置する。400K以降では、N原子は表面に近づきAcGlは表面に対して寝るように位置する。室温でのAcGlの吸着により仕事関数は0.14eV増加する。これは吸着によるものと考えられる。350Kから400Kにかけて分子の脱離が起こりそれに伴い吸着構造の変化が起こるが、そのときに仕事関数は0.36eVと急激に増加する。これは、分子の構造変化による双極子モーメントの変化の効果よりも表面との結合による電荷の移動の効果であると考えられる。そして再び脱離が起こる550Kより仕事関数は減少し、清浄表面の仕事関数に近づいていく。吸着状態の違い(分子の長軸が表面に対して垂直、平行に位置する)により仕事関数が変化することが実験的に明らかになった。有機物を含むデバイス製作における電位(仕事関数)制御おいて、有機分子と固体表面との界面接続状態(結合状態)が重要であることを示している。

銅表面にコハク酸のカルボキシル基の両方がイオン化している吸着状態(Bisuccinate)に並進エネルギーを制御した二重結合を持つCH2=CHCH3分子を照射しその反応性(付加反応)について実験を行った。これは、CH2=CHCH3分子の2重結合が破れ、有機合成で言う"付加反応"をコハク酸吸着分子と起こることを期待して行ったものである。その結果、用いたエネルギー範囲(0.3eV)では付加反応は起きなかった。この原因として入射したエネルギーの多くは、吸着していた分子にフォノンエネルギーとして与えてしまい、2重結合の解離には使われなかったと考えられる。分子衝突モデルより考えると入射する分子に質量にも依るが、およそ入射エネルギー2割程度は、フォノンへ散逸することがわかった。また一方、表面に配列吸着している有機分子の活性度を上げるためには、分子のHOMO-LUMOギャップエネルギーに近い紫外線の照射が有効である。しかし、紫外線照射によって分子の相互作用を助けるのでなく、分子自身が壊れてしまう可能性がある。そこで、アルミナ及び金表面に吸着させたリン酸基を含むフェニルリン酸の紫外線照射損傷について検討を行った。その結果、紫外線による分子の損傷は観測されなかった。一方、表面と強い化学結合を作らない系(金表面)では、局所的に紫外線により表面が加熱されたためその熱により分子の脱離が観測された。これらの結果は、分子素子開発や分子認識などにおける、吸着分子-分子の相互作用(化学反応)や、その過程の解明のための基礎的な知見であると考えられる。
原子レベル構造の理解に基づく溶融塩法による汚染土壌からの材料創製技術の開発

放射性汚染土壌の減容と再生利用は環境回復における重要な課題の一つである.本研究では,環境省の提示する汚染土壌処理の指針(2018年度)に基づき,汚染土壌の処理技術の中でも特に開発の求められている加熱・化学処理に着目した.なかでも溶融塩法は古くから提案されているものの,処理後の土壌の成分が明確ではなく,制御技術の向上が求められている.そこで本研究課題では,減容と再生利用の促進に向け,溶融塩と雲母との反応の初期段階における局所的な構造を明らかにすることで,Cs脱離と結晶成長過程の制御を目指す.本課題では,雲母に及ぼす影響が顕著にみられる溶融塩の条件を探索した.これまでの研究においてNaCl-CaCl2を混合した溶融塩の結果が報告されていることから,本研究では,溶融塩の条件として,混合比(NaCl-CaCl2比)に注目した.黒雲母に混合比の異なるNaCl-CaCl2少量ずつ添加していき,700°Cで2h加熱後,自然冷却したのち洗浄した.加熱前後の組成及び結晶構造を蛍光X線分析(XRF)およびX線回折(XRD)を用いてそれぞれ計測した.XRF計測の結果,いずれの混合比においても検出限界以下までCsが脱離しているものの,混合塩中のNaClによるCs脱離の抑制が示唆された.一方,XRD計測の結果からは,NaClの混合比により組成を変調できる可能性が示唆された.CaCl2比の多い場合wadaliteとhematiteが形成されるのに対し,NaCl比の増加によりdiopsideの形成も観察された.本研究により,Cs脱離および選択的結晶成長に対してCaCl2-NaClの混合比が寄与する可能性が示された.今後,各条件における原子レベルの構造観察により結晶成長初期過程を解明することで,溶融塩法の技術開発に貢献することが期待される.翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。
新機能性人工金属フィンガーの創製:ライブラリーの構築と遺伝子機能制御への展開

ポストゲノム時代において、特定の遺伝子の塩基配列に結合・認識して、その機能発現を人為的に制御することができる人工タンパク質分子は、医学・生物学領域において有用なツールとして期待される。人工タンパク質の創製の一つの方法として、ライブラリーの利用を考え、ヒト由来の転写因子Sp1のDNA結合領域として作用する3つの亜鉛ブインガー部位を使用した。ランダム化領域に関しては、実験的に取り扱いが可能な約20アミノ酸残基であることに加え、実験系の簡略化およびライブラリーサイズの縮小のため約30アミノ酸残基から成るカルボキシル基末端のフィンガー3領域にのみ着目し、ファージー表面にライブラリータンパク質を発現させた。ライブラリータンパク質の各種金属イオンによるタンパク質高次構造の形成は、それらの培養液中への添加、あるいは精製したライブラリータンパク質への直接の添加により、円偏光二色性(CD)を用いて検討した。その結果、亜鉛以外ではコバルトにタンパク質高次構造形成の成果が認められた。また、DNA結合活性をゲルシフト法により追究したが、亜鉛の他にコバルトで弱いDNA結合が見られた。さらに、単一の亜鉛フィンガーモチーフを利用した新規タンパク質の創製に関して、GAGAファクターを基に、種々のタンパク質変異体を設計・合成し、これらの変異体と各種金属イオンとの錯体形成やDNA結合性を検討し、コバルトフィンガーと呼ぶことができる新たな人工タンパク質の創製に成功した。ポストゲノム時代において、特定の遺伝子を認識し、その発現を人為的に制御することが出来る人工分子は、有用なツールとして期待できる。ヒト由来の転写因子Sp1のDNA結合領域として機能する3つの亜鉛フィンガーを使用した。ランダム化領域に関しては、実験的に取り扱い可能なランダム化領域の大きさが約20アミノ酸残基であることに加え、系の簡略化およびライブラリーサイズの縮小のため約30アミノ酸残基から成るカルボキシル末端側のフィンガー3領域にのみ着目した。先ず、ランダム化領域を含むSp1亜鉛フィンガーの遺伝子をファージミドに取り込み、大腸菌に形質転換後ヘルパーファージを感染させ、ファージー表面のpIIIタンパク質上にライブラリータンパク質を発現させた。ライブラリータンパク質の各種金属イオンによる高次構造形成は、それらの培養液中への添加および精製したライブラリータンパク質発現ファージへの直接の添加により検討した。その結果、亜鉛以外ではコバルトに高次構造形成の効果が見られた。また、DNA結合活性をゲルシフト法で追究したが、亜鉛の他にコバルトで弱いDNA結合が認められた。単一亜鉛フィンガーモチーフを利用した新規タンパク質の創製をGAGAファクターを基に、種々の変異体を設計・合成し、現在、これら変異体と金属との錯体形成を検討している。ヒトのゲノム配列が明らかになった時代において、特定の疾患遺伝子を特異的に認識し、その遺伝子発現を人為的にコントロールすることができる人工分子は、医学・薬学領域において有用な手段となり得る。我々は天然に存在するDNA結合タンパク質である亜鉛フィンガータンパク質の特徴的な構造を基礎にして、コンピュータによる3次元構造予測の詳細な検討を行い、そのデータを用いて亜鉛フィンガーによるDNA認識のライブラリーを構築した。亜鉛フィンガーとしてはヒト転写因子Sp1のDNA結合領域として機能する3つの亜鉛フィンガーを基にした。また、選択された新規モチーフを直列に連結したマルチフィンガーを調製し、新しい金属モチーフのモジュール化構築の可能性についても追究した。その結果、亜鉛フィンガーの順列の入れ替え、DNA認識ヘリックス中の特定アミノ酸残基の点突然変異の導入、そして亜鉛配位基であるCysとHisとの相互変換などによって、亜鉛フィンガーのDNA塩基認識は大きく変化することがわかった。さらに、任意のDNA塩基配列を特異的に認識する亜鉛フィンガータンパク質の創製は、原理的にはこの構築されたライブラリーから可能であることが示唆された。他方、酸化還元型転写因子や光応答型転写因子として機能し得るコバルト、鉄および銅を含んだフィンガーペプチドを設計・合成し、DNA結合性や転写活性などについて検討した。その結果、初めてDNA塩基配列を認識できるコバルトフィンガーの創製に成功した。酸化還元反応や光化学による転写活性の制御は今後の課題であるが、極めて興味ある研究課題であると考えられる。亜鉛フィンガー以外の金属フィンガーモチーフは自然界からは未発見であり、また人工的にも未だ創製されていない。

結合金属の化学的特質を生かすことによって、酸化還元反応や光化学反応による活性制御が可能な全く新しい酸化還元型転写因子や光駆動型転写因子の開発を目指して研究を展開した。先ず、天然転写因子で1個の亜鉛フィンガーでDNA結合を示すGAGAファクターに対する各種金属イオンの結合性を検討したところ、コバルトが亜鉛と同程度に結合して、タンパク質を折りたたんだ構造に誘起することがわかった。興味深いことに、このGAGA-コバルトフィンガーは、強く配列特異的にDNAに結合することが示された。これはDNA認識能を持つ金属フィンガーの最初の例として、極めて価値がある。GAGA-コバルトフィンガーの分光学的、熱力学的、および酸化還元的性質を調べ、対応する亜鉛フィンガーの性質と比較検討した。しかし、コバルト以外の金属イオン(ニッケル、銅、鉄、マンガンなど)は、GAGAタンパク質には結合をしなかった。さらに、GAGAファクターのフィンガー内のアミノ酸残基の各種置換体を遺伝子工学的に作製し、そのコバルトフィンガー形成能を追究したが、いずれの置換体も明確なコバルトフィンガーの形成は認められなかった。これは、金属フィンガー形成には、フィンガーを構成するアミノ酸の組み合わせが重要であることを示唆している。本研究成果は、コバルトフィンガーが可能であり、新しい酸化還元型転写因子の設計に価値ある知見を提供していると考えられる。
T細胞アポプトーシスにおけるHOX11の役割の解析

HOX11は染色体転座t(10;14)(q24;q11)を有するT細胞急性白血病の染色体切断点よりクローニングされたホメオボックス遺伝子である(Science,1991)。本研究では、リンパ系器官の発生、分化におけるHOX11遺伝子の役割を明らかにすることを目的として正常マウスリンパ球およびリンパ系器官の発生、分化のステップにおけるHOX11の発現を定量的RT-PCR法を用いて解析した。その結果、胎生期において脾臓原基、胸腺およびその原基が誘導される鰓弓に発現を認めた。特に脾臓においては大量に発現が認められHOX11ノックアウトマウスが無脾症となることとあわせるとHOX11は脾臓臓器形成に必須のものと考えられた。また、HOX11ホメオドメインをプローブとしてHOX11と相同性の高いHOX11関連遺伝子をクローニングした。この遺伝子のホメオドメインは60アミノ酸中52個がHOX11と同一で、またホメオドメイン以外の部分でも80%以上の相同性が認められた。次に、胎生期における内在性のHOX11関連遺伝子の発現の変動を経時的に検討した。その結果、HOX11関連遺伝子は胎生10-13日のマウスの交感神経節や副腎髄質にその発現が見られた。これらの結果からHOX11とその関連遺伝子の機能は異なっていることが示唆された。
躁うつ病治療薬の薬理作用に関する臨床生化学的研究

(1)健康成人14名(男7名、女7名)について血漿遊離ならびに総MHPGを測定した。また当科外来を受診した未治療のうつ病患者(DSM【III】でmajor depression)5名について、初診時、治療薬投与1週後、4週後の血漿遊離ならびに総MHPGを測定し、同時にハミルトンのうつ病評価尺度を用いて臨床評価を行なった。血漿遊離および総MHPGはSemba et alの方法に準じて、本研究費で購入した電気化学検出器付高速液体クロマトグラフを用いて測定しさ。健康成人平均値は、遊離MHPG3.81±0.19、総MHPG12.26±0.89(mg/ml)であった。なお遊離MHPGと総MHPGの間には正の相関がみられた。うつ病患者の遊離および総MHPGの推移をみると、いずれも1週後で減少傾向を示し、4週後にはや々増加傾向が認められた。この傾向は、臨床評価点と血漿MHPGとの間に相関が認められなかったことから、臨床症状の変化に基くものとは考えにくく、むしろ抗うつ剤の作用によると思われた。なお正常対照群とうつ病者初診時のMHPGを比較すると、うつ病群では、対照群より高い群と低い群の2つにわかれるようにみえた。(2)健康成人17名(男11名、女6名)について血小板MAO活性を測定した。また当科外来を受診した末治療のうつ病患者について、初診時および治療薬投与後の血小板MAO活性および臨床評価の推移を検討中である。MAO活性の測定は、Wurtmanの方法を一部改変した石井らの方法によった。すなわち、血小板MAOはB型であることからB型MAOに特異的な基質であるβフェニルエチルアミン(PEA)を用いた。うつ病患者においてVmaxは健康成人と比較し、高値を示した。(3)PEAの基礎実験もあわせて行ない、PEAを投与したラットでは、躁状態のモデルとしての多動状態が出現することを認め、投与量も詳しく検討して報告した。
海域総合構造調査の3次元波形解析による地震断層面物性不均質の解明

本研究では、2001年8月10月に、宮城県沖日本海溝陸側斜面海域で行われた人工地震構造調査で得られたデータについて、プレート境界面の物性を解明する目的で解析を進めている。昨年度までに、プレート境界面におけるP波の反射に関して、その強度と地震活動との間に非常によい逆相関があることを示した。すなわち、反射強度の大きい場所では地震活動が低く、小さい場所では地震活動が大きいという関係が成り立つことを明らかにした。本年度はこれについて、論文にまとめて発表した(Mochizuki et al., JGR,2005)。プレート境界の物性に関して総合的な解釈を行うためには、S波のプレート境界での反射についても明らかにする必要がある。人工地震調査では爆破震源を用いるために、S波は励起されない。そこで、音響基盤におけるPS変換波を用いて解析を行う必要があるが、昨年度まではS波に関して地殻構造内不均質による散乱がノイズ元となり、詳細な解析を行うことが阻まれていた。本年度は反射法調査で記録された人工震源直達波の波形を用いて海底地震計データのデコンボリューションを行い、こうしたノイズ元を低減させることに成功し、明瞭なS波波形記録を得ることができた。それ以前は、S波のプレート境界反射波について反射が見られないと解釈していたが、ノイズを除去した明瞭なデータを解析したときに、必ずしも音響基盤におけるS波の励起が十分ではない可能性があることがわかった。2001年の調査では、海底地震計のデータがまばらなために、さらに詳細な解析を行うことができない。そこで、2002年に2001年の調査海域の南で行われた人工地震調査のデータについて解析をはじめた。この場所についても、P波のプレート境界反射強度と地震活動との逆相関を確認した。S波の反射強度に関する詳細な解析は、今後の重要な課題である。2001年9月に、宮城県沖日本海溝陸側海域において、約40台の海底地震計を設置し、また24チャンネル・ハイドロホン・ストリーマーを用いての海域総合構造調査が行われた。調査は、それぞれが100kmの測線長をもち、5km間隔の日本海溝軸に沿った7本の調査測線上で行われた。本年度は、この測線に沿った地殻構造を求めるために、ハイドロホン・ストリーマーの反射記録を処理し、測線に沿った反射断面図を作った。また、海底地震計の記録に対して、従来から行われているτ-P変換・τ-sumインバージョン法を用いて、海底地震計ごとの1次元P波速度構造を作成し反射断面図とあわせて2次元P波速度構造を求めた。7本ある測線のうち、海溝軸側の2本ではハイドロホン・ストリーマーの記録が、フォーマットの不整合で読めなかったことより、陸側の5本の測線に対して解析を行った。現在は、この問題は解決し、次年度に問題のあった2本の解析を行う予定である。物性を議論する上で、上述のP波速度構造のみでは不十分であり、S波速度構造は重要な情報となる。海底地震計は3成分の速度型センサーを持っているにもかかわらず、従来は水平動2成分に対する解析は、なかなか行われてこなかった。本研究では、海底地震計の水平動2成分の方向を精密に決定し、これを解析することによって、特に堆積層内のS波速度構造を求める手法を確立した。これによって、深部のS波速度構造に対する議論が可能となる。3次元構造に対する有限差分法による波形計算を行い、海底地震計の波形記録との比較検討を始めた。特に、プレート境界面での不均質構造について、P波、S波の速度構造を変化させ、それに対応する観測波形の応答を見ることによって、プレート境界面での物性の考察を行った。本研究では、2001年8月から10月にかけて宮城県沖日本海溝陸側海域で行われた海域総合構造調査に関して、特にS波速度構造をより詳細に求めるための手法の開発を進めながら解析を行っている。本海域では、1996年のより小規模な調査から、プレート境界でのP波反射の振幅と地震活動との間に非常に良い逆相関が認められた場所である。これについて、プレート境界に存在する水の量との関係が指摘されているところである。これに対し本研究で昨年度までに、S波の反射がほとんど一様に見られないことを発見した。本年度は、このS波のプレート境界反射波の振幅について、より詳しい解析・議論を行った。主たる議論は以下の2点についてである。1)エアガン震源はP波的な縦波しか発振しない。S波は、主に堆積層と岩盤との境界においてPS変換波として励起される。この変換効率が悪い場合は、そもそもS波成分は励起されない。S波が観測されないのは、この変換効率が悪いためではないか。2)P波と、PS変換によって励起されたS波でのプレート境界に対する入射角の違いにより、プレート境界の反射係数がS波の方が小さく、S波の反射が観測されないのではないか。これに対し本研究では、PS変換によるS波の屈折波成分が観測されていることiを確認し、また昨年度に求められているP波速度、S波速度構造、および推定密度構造から、十分なS波成分が励起されていることを示した。また、P波とS波のプレート境界反射では、両者はほぼ同じ波線を通り、すなわちプレート境界に対する入射角は差がないことがわかった。この場合、プレート境界における反射係数についてはむしろS波反射の方が大きいということを求めた。

これより、S波反射が観測されないことについては、プレート境界において何らかのS波の反射を抑制するシステムがあるということを示した。本研究では、2001年8月10月に、宮城県沖日本海溝陸側斜面海域で行われた人工地震構造調査で得られたデータについて、プレート境界面の物性を解明する目的で解析を進めている。昨年度までに、プレート境界面におけるP波の反射に関して、その強度と地震活動との間に非常によい逆相関があることを示した。すなわち、反射強度の大きい場所では地震活動が低く、小さい場所では地震活動が大きいという関係が成り立つことを明らかにした。本年度はこれについて、論文にまとめて発表した(Mochizuki et al., JGR,2005)。プレート境界の物性に関して総合的な解釈を行うためには、S波のプレート境界での反射についても明らかにする必要がある。人工地震調査では爆破震源を用いるために、S波は励起されない。そこで、音響基盤におけるPS変換波を用いて解析を行う必要があるが、昨年度まではS波に関して地殻構造内不均質による散乱がノイズ元となり、詳細な解析を行うことが阻まれていた。本年度は反射法調査で記録された人工震源直達波の波形を用いて海底地震計データのデコンボリューションを行い、こうしたノイズ元を低減させることに成功し、明瞭なS波波形記録を得ることができた。それ以前は、S波のプレート境界反射波について反射が見られないと解釈していたが、ノイズを除去した明瞭なデータを解析したときに、必ずしも音響基盤におけるS波の励起が十分ではない可能性があることがわかった。2001年の調査では、海底地震計のデータがまばらなために、さらに詳細な解析を行うことができない。そこで、2002年に2001年の調査海域の南で行われた人工地震調査のデータについて解析をはじめた。この場所についても、P波のプレート境界反射強度と地震活動との逆相関を確認した。S波の反射強度に関する詳細な解析は、今後の重要な課題である。