東北地方太平洋沖地震後、高度300km上空に現れた波紋状の波

~ 大気の波が電離圏まで到達 ~

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2011年11月4日

独立行政法人情報通信研究機構(以下「NICT」、理事長:宮原 秀夫)は、2011年3月11日、東北地方太平洋沖地震発生の約7分後から数時間にかけて、高度300km付近の電離圏に、震源付近から波紋状に広がる大気波動を観測しました。この現象は、国土地理院のGPS受信機網とNICTの電波観測網により明らかになったもので、地震後に、震源付近の海面で励起された大気の波が電離圏まで到達したものと考えられます。

  このような地震後の電離圏内の大気の波について、現象の全体像を高い分解能かつ広範囲で詳細に観測したのは、今回が初めてです。今回の観測結果は、電離圏の変動に下層大気がどのように影響を及ぼすかを明らかにする研究の一端であるとともに、宇宙からの津波監視等にも応用できる可能性を示しています。

経緯

NICTは、イオノゾンデ網による電離圏定常観測に加え、京都大学・名古屋大学と共同して国土地理院のGPS受信機網(以下「GEONET」)を利用した電離圏全電子数(以下「TEC」)観測を行っています。この観測の中で、2011年3月11日14時46分に発生した東北地方太平洋沖地震(マグニチュード9.0)の約7分後から数時間にかけ、宇宙の入り口である高度300km付近の電離圏と呼ばれる希薄な大気中に、震源付近から波紋のように拡がる大気波動をとらえました(図1参照)。

今回の観測
-地震の約38分後のTEC変動-
-地震の約38分後のTEC変動-

TEC観測によると、震央(北緯38.322° 東経142.369° アメリカ地質調査所による。)から、約170km南東にずれた場所(以下「電離圏震央」)を中心に、地震の約7分後から波が現れ始め、同心円状に広がっていました。(図2参照)。この電離圏震央は、海底津波計等で推定された津波の最初の隆起ポイントとほぼ一致していました。同心円状の波は、西日本では18時00分 頃まで観測されていました。

また、イオノゾンデを用いた電離圏電子密度の高度分布の観測によると、地震直後の高度分布が通常の滑らかな分布とは異なって乱れており、20~30kmの鉛直波長を持つ波が高さ150~250 kmの電離圏内を伝播していたことが分かりました(図3参照)。

考察

これらの観測結果から、巨大地震は、地中の波(地震波)、海洋の波(津波)だけではなく、大気の波を起こし、その大気の波が電離圏まで到達したと考えられます。このような電離圏内の波は、2004年のスマトラ地震や2010年のチリ地震等、ほかの巨大地震でも観測されていますが、高い分解能かつ広範囲に、現象の全体像を詳細に観測できたのは今回が初めてです。

今後の展望

今回の観測は、高度な衛星測位や衛星・地上間通信等に影響を与える電離圏の変動(図4参照 )に、下層大気がどのように関わっているかを明らかにする研究の一端であるとともに、宇宙からの津波監視といった実利用にも応用できる可能性を示しています。

なお、本研究結果の詳細は、「地球電磁気・地球惑星圏学会 総会および講演会 (2011年SGEPSS秋学会)」(2011年11月3日(木)~6日(日)神戸大学にて開催)で発表します。また、初期解析結果をまとめた論文は、英文科学誌『Earth, Planets and Space』誌に掲載されました。

関連情報


補足説明

図1: 地震後に高度300kmの電離圏まで大気波動が到達したことを示す現象の概要図
図1: 地震後に高度300kmの電離圏まで大気波動が到達したことを示す現象の概要図

高さ20,000 kmを周回するGPS衛星の信号を、地上のGPS受信機網(GEONET、約1,200観測点)で受信し、高さ300km付近の電離圏を観測します。地震後に、震央付近の海面で励起された大気の波が、高さ300kmまで到達し、電離圏に波紋を作ったと考えられます。


図2: GEONETを利用して算出されたTEC変動
図2: GEONETを利用して算出されたTEC変動

TECは単位面積を持つ鉛直の仮想的な柱状領域内の電子の総数で、一般的に1TEC Unit(TECU) = 1016/m2で表されます。ここでは、10分以下の短周期変動のみを示しています。色はTEC変動の振幅を示しており、赤は定常レベルから+0.2 TECU、黒は-0.4 TECUです(この時刻の背景TECは20~30 TECU)。赤星は震央、×印は電離圏震央を示しています。同心円の補助線は電離圏震央を中心としています。


図3: 鹿児島・山川のイオノゾンデ観測から得られた地震の約43分後(左図)と前日同時刻(右図)のイオノグラム
図3: 鹿児島・山川のイオノゾンデ観測から得られた地震の約43分後(左図)と前日同時刻(右図)のイオノグラム

イオノグラムの横軸は周波数(1~15MHz)、縦軸は見かけの高さ(0~600km)で、電離圏に打ち上げた電波の反射(エコー)の様子を示しています。通常の電離圏エコー(右図)と異なり、見かけの高さ200~300km(実高度で150~250km)付近において、電離圏エコーの乱れが見られました(赤丸部分)。この乱れは、電離圏内に20~30kmの鉛直構造を持つ波が存在したことを示しています。


図4: 電波伝播に対する電離圏の影響
図4: 電波伝播に対する電離圏の影響



本件に関する 問い合わせ先

電磁波計測研究所
宇宙環境インフォマティクス研究室
津川 卓也

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