河野 宣之、日置 幸介 (2017) 動く地球の測りかた — 宇宙測地技術が明らかにした動的地球像

  • 河野 宣之[かわの のぶゆき]、日置 幸介[へき こうすけ], 2017: 動く地球の測りかた — 宇宙測地技術が明らかにした動的地球像。東海大学出版部, 124 pp. ISBN 978-4-486-02128-5.

2017年12月の新刊。出版されたとき、わたしは次の年度の地学概論の授業をひきうける約束をしたばかりで、その参考にしようと思って買った。しかし、地学の広い範囲をふくむ概論的な本をさきに読むことにしたので、本書はあとまわしにしてしまい、2019年12月に目をとおした。

いまでは、大陸が相互に移動したことはわかっている。それはおもに、なん億年もまえにできた地層や岩石をしらべることによって知られた。では、たとえば去年と今年でハワイから日本の本州までの距離が なんcm 変わったかの測定はできているのだろうか? 40年まえにはできなかったが、いまではできている。「測地」の技術が発達して、できるようになったのだ。本書はそれがどんな技術かを解説した本だ。【わたしのメモは、技術の話題にしぼり、プレートの動きの実態の話題は省略している。】

第1章では、プレートテクトニクスがどんなものか、ごく簡単に導入している。

第2章では、本書の主題である宇宙測地技術がつかわれるようになるまえの、地球上の場所のあいだの距離をきめる方法を簡単に紹介する。地上の観測点間を光で見とおすのが基本だ。かつては角度をはかる三角測量だったが、最近は光の往復時間から距離を出す三辺測量がふつうになった。残念ながら、変動する大気の影響をうけるので、プレート運動による距離の変化を知るのにじゅうぶんな精度をだすことができない。

第3章では、1980年代からつかわれるようになったSLR (satellite laser ranging、衛星レーザ測距)と VLBI (very long baseline interferometry、超長基線電波干渉法) という技術を紹介する。第4章ではこのふたつの方法でわかったプレートの動きについてのべる。著者たちは、このころ郵政省 電波研究所 (いまでは情報通信研究機構になっている) につとめ、このふたつの方法にかかわってきた人たちだ。

SLRは、地上局からレーザー光を出し、人工衛星で反射させて、地上局で受信して、光の往復の時間を測定することによって、地上局と衛星との距離を知り、これを複数の地上局についてくみあわせることによって地上局間の位置関係を知る方法だ。

VLBIは、非常に遠い天体からの電波(地球にとっては平面波とみなせる)を、地球上でとおくにある複数の地上局の電波望遠鏡で受信して、その位相差から、天体にむかう方向の軸上での地上局の座標の差をもとめ、それを多数くみあわせることによって地上局間の位置関係を知る方法だ。

1990年ごろから、GPS (Global Positioning System)が使えるようになった。いまではGPSはアメリカ合衆国が運用するシステムの固有名とされ、そのほか(日本が運用する準天頂衛星「みちびき」も一例)をふくむ一般名としてはGNSS (Global Navigation Satellite System、全地球航法衛星測位システム)というようになった。第5章ではGNSSによる測地の技術、第6章ではそれによってわかったプレートの動きについて解説している。

地上局で、4つのGNSS衛星からの信号を同時に受信すれば、4次元時空での地上局の位置を知ることができる。測地のばあいは、搬送波の位相の情報をつかうので、カーナビのようにディジタル信号だけをつかうものにくらべれば高級な受信設備が必要だが、発信装置が必要なSLRや大きな電波望遠鏡が必要なVLBIにくらべれば、ずっと安く、地上局間の位置関係を知ることができるようになった。この状態からふりかえって、著者たちは1980年代を「大艦巨砲」の時代だったと言っている。

海水中は電磁波で情報をつたえることができないので、海上の船またはブイの位置をGNSSできめたうえで、そこと海底とのあいだは音波をつかう。

第7章は座標系と地球回転の話題。位置をしめす座標系としては、(たくさんの)天体を基準とするものと、地球を基準とするものが考えられる。VLBIの電波源の位置は天体基準座標系、地上局の位置は地球基準座標系できまっていて、その相互関係は、地球の自転とともにかわっていく。なお、地球の自転角速度にはいくらかの変動がある。(たとえば年周変化として自転周期に1ミリ秒程度ののびちぢみがある。これは、風速の季節変化にともなう大気と固体地球とのあいだの角運動量のやりとりによる。) また、自転軸が固体地球に固定した軸に対して移動する「極運動」もある。

第8章は、将来にむけた展望を簡単に列挙している。

  • GNSS利用技術はこれまでGPSだけを利用するものだったが、複数のGNSSシステムを利用する技術が開発されている。
  • 海底の位置を精度よくきめることはむずかしい。うまい方法がみつかるとうれしい。
  • 地殻変動を知る技術としては SAR (合成開口レーダー)もある。これによれば2つの時点の間の変位を、高い空間分解能で知ることができる。しかし絶対位置はわからない。また時間分解能は高くない。
  • VLBIとSLRは、地殻変動の計測の主役ではなくなったが、地球基準座標系の精度を高くたもつための重要性はいまもあり、国際共同事業がつづけられている。VLBIは自転角速度を知るために、SLRは固体地球に対する地球の重心の位置を知るために必要だ。なおVLBIには遠方の天体の研究という本来の目的もある。

折りかえしのあとに くわしい目次をつける。

== 目次 ==
まえがき
第1章 動く大地: 地震とプレートテクトニクス
– – 地震は何故起こる
– – 地球深部は熱い
– – 沈み込むプレート
第2章 巻尺で届かない距離をどう測るか
– – 数百メートルまでの長さ (距離) を測る
– – 数百メートル以上の距離を測る地上測量
– – 地図の基準になる三角点
– – 地上測量でプレート運動は測れるか
– – 誤差の主原因は大気
第3章 宇宙測地技術で大陸間の距離を測る: 大鑑巨砲の80年代 (SLRとVLBI)
– 衛星レーザ測距 (SLR)
– – 衛星までの距離からなぜ局位置が分かる
– – 専用衛星は球形
– – レーザパルスの幅は100億分の1秒
– – 軌道決定精度は局位置決定精度を左右する
– – わが国でのSLRの研究・開発
– 超長基線電波干渉法 (VLBI)
– – VLBIの原理
– – 周波数変換とバンド幅合成
– – VLBIに適した天体電波源
– – 水素メーザ原子時計は人類出現以来1秒以下の狂い?
– – VLBIとSLR
– – わが国でのVLBIの研究・開発
– – VLBIの国際・国内観測が本格化した80年代
第4章 宇宙測地技術でとらえられたプレート運動
– – SLRによるプレート運動の検出
– – 地球全体の形が変化している
– – VLBIによるプレート運動の検出
– – プレートの動きとプレート境界の変形
第5章 4つの衛星で位置を測るGNSSと海底測位: 宇宙測地技術が身近になった90年代
– GNSS (全地球航法衛星測位システム) と GPS (全地球測位システム)
– – 軍用に開発されたGPS
– – いつでも、どこでも、誰でも簡単に現在地を知る
– – 単独測位: 4つの衛星を観測して自分の位置を知る
– – 4つの衛星を同時に見る
– – 相対測位では搬送波位相を連続観測する
– – 位相差をとって時計のゆらぎを消す
– – 二重位相差による相対位置の推定
– – 様々な解析ソフトウェアと精密単独測位
– – 日米貿易摩擦と GPS
– – 精度の向上と新たなフロンティア
– 音波を利用した海底測位
– – 6つの過程から成る海底測位
– – 海上の位置は移動体 GNSS 相対測位で
– – 船やブイの回転運動の測定
– – 海上から海底局の位置測定は音波で
– – 海中の音速の測定
– – 深さ方向の音速の変化に強い観測方法 (アレイ型海底局)
– – 東日本大震災以後に増えた海底局
第6章 GNSSによる高密度な観測と日本列島の動き
– – GNSSで測ったプレートの動き
– – 日本列島の変形
– – 余効すべりとゆっくり地震
– – キネマティックGNSSで見た東北地方太平洋沖地震直前直後の地表の動き
– – 東北地方太平洋沖地震による海底地殻変動
– – 南海トラフ付近の地殻ひずみの分布を明らかにする海底測位
第7章 基準座標系と地球回転変動
– – 天体基準座標系と地球基準座標系
– – 人工衛星の軌道
– – 二つの基準座標系をつなぐ地球回転パラメータ
– – 最小二乗法による局位置の推定
– – 地球回転とその変動
– – 歳差・章動
– – 極運動
– – 地球の自転の速さと1日の長さの変化
– – 協定世界時と「うるう秒」
第8章 宇宙測地技術の将来
– – GPSから複数GNSSへ
– – 将来期待される測位技術
– – 合成開口レーダーとGNSS
– – 重厚長大型宇宙測地技術の将来
おわりに
付録
– – 周波数、角度と時間の単位
参考文献
索引

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