測地観測
測地観測は測地学(Geodesy)という地球物理学の研究分野として行われますが実用技術としての地図測量も含まれます。測地学は地球の形状、大きさなどを学術的に求めることをいいます。しかし厳密な定義ではありません。江戸時代に伊能忠敬が緯度1度の距離を測定し地球の大きさを知ろうとしたのも測地学の分野になります。日本での本格的な測地学は明治中期からはじまりましたが当初は天文観測による経緯度の測定、三角測量で用いる正確な基線長の測定、天文経緯度と測地経緯度の違いである鉛直線偏差の測定などがありました。これらは主として目視による測定でした。ついで地球の磁気(地磁気)や重力など目に見えない物理量をも測定することによって、より正確に地球の状態を調べるようになってきました。さらに地震や火山の状態などを観察することによって地球内部の状態や動きも分かってきました。

これらの測地学は物理学や天文学とともに発展し、その基礎は長岡半太郎(ながおか・はんたろう 1865〜1950)、田中館愛橘(たなかだて・あいきつ 1856〜1952)、木村榮(きむら・ひさし 1870〜1943)、寺田寅彦(てらだ・とらひこ 1878〜1935)などによって築かれました。長岡や田中館は近代日本における物理学の祖といわれる山川健次郎(やまかわ・けんじろう 1854〜1931)に教えを受けています。山川は会津藩出身でしたが藩が会津戦争で敗れ、越後に逃れた後、米国エール大学で物理学を学びました。1876年(明治9)東京開成学校(のち東京大学に改編)に奉職、1901年(明治34)には東京帝国大学総長に就任しました。また木村や寺田は長岡、田中館の教えを受けています。

測地観測は近年は航法測地といわれGPS(GNSS)などの人工衛星を利用した宇宙からの観測が手段として主流になってきています。これまで地球物理学の研究分野も月や惑星にまで広がり地球惑星科学といわれ地球の生成過程まで遡る研究がされています。

地磁気

地球の中心には巨大な磁石があると仮定されます。とはいうものの棒磁石のような永久磁石があるわけではありません。永久磁石では地球の内部の1000度を越す温度(キュリー温度)では磁力を失ってしまうからです。そこで地球の核(外核)にある液状の鉄などの金属が流動して既存の地球磁場と作用し合い、電流が誘起され電磁石のようにになっているという「ダイナモ理論」説があります。一応はこの説で説明がつくので定着していますが、最初の地球磁場の生成理由など、くわしいことは分っていません。さて、この磁石は磁気双極子といい、これによる磁気を地磁気といいます。

地磁気は地球内部の対流運動や太陽など外部の活動によって一定ではありません。大きく分けると数年以上の周期のゆっくりとした「地磁気永年変化」と、とくに環境の異常がなければ一日周期で規則的な「地磁気日変化」があります。ダイナモ理論による地球内部の発電作用や地震、火山噴火などの地殻活動による地球内部に起源するものは数日から数年以上の長い周期を持ちますが、地上100キロメートル以上の電離層,磁気圏などの超高層大気の影響によるものは数秒から数日の変化になります。また太陽黒点の増減や太陽活動にともなう磁気嵐による影響は11年の周期で変動します。

地上で観測される地磁気日変化は、一日のうち(昼間)なだらかに規則的に変化し数日間つづく場合と不規則に変化する場合があります。地磁気のなだらかな変化がある日を地磁気静穏日といいますが、なだらかになる原因は地上100〜数100キロメートルの電離層にあります。電離層が昼間太陽放射によって暖められ、夜間は逆に冷えることで生ずる大気潮汐風によって電離気体が動き、その結果、地球外部から見ると北半球で反時計まわりの渦電流を生じます。南半球では逆になります。この渦電流は地球から見た太陽方向の電離層にほぼ常駐しています。地球の自転運動により観測地点がその電離層の下に移動すると、一日がかりの見かけの地磁気変化が観測できます。地磁気が数時間〜数日の間に不規則に大きく変化する磁気嵐の発生時には地磁気静穏日とは、まったく異なった電流が電離層内に発生します。

ところで地磁気の存在をを身近に知ることができるのは方位磁石です。登山などでつかう方位磁石が北の方向を示すのは地球の北極近くがS極になっており方位磁石のN極が引かれるからです。方位磁石は厳密には地図上の北(真北)を示しているのではなく磁北を指しています。地球の自転軸の北端(北緯90度地点)をさす方位を真北(しんぽく)といいます。真北を測る方法として、厳密ではありませんが、太陽が南中する時刻に影を観測する方法があります。また北極星のある方位が真北ともいえます。北極点に立つと、その真上に北極星があるはずです。

真北と磁北は2000キロメートル以上離れています。方位磁石の示す磁北と真北との差は偏角といいますが偏角は場所によって異なるので場所ごとに測定しておくと、その位置での真北を求めることができます。偏角は地形図には図面外(整飾部 Marginal Data)にきちんと記載されており、たとえば「磁針方位は西偏約6°40′」といった具合です。磁北が真北より東側にある場合を東偏、西側にある場合を西偏と呼びます。現在は稚内で西偏10°10′、本州中央で約7°、石垣島で3°30′と日本国内でも6°以上の地域差があり方位磁石に地図をを合わせるときには注意がいります。例外ですが南鳥島では偏角0°になっています。

400年間で偏角10度以上の変化がありました。いま日本の偏角はどこでも西偏(東京では西偏約7度)になっていますが19世紀はじめの伊能忠敬による測量の頃は磁北と真北は、ほぼ一致していました。しかし、それより以前は東偏になっていました。平安京(京都)は条坊といい真北を基準として東西南北の整然とした区画がありましたが江戸時代17世紀初期に完成した二条城は敷地が真北から約3度東にずれており当時の偏角に一致します。このことから方位決定に磁石が使われたのではないかとする説があります。このような事例は古代、中世の寺院にも見られるようです。[西和夫:建築技術史の謎を解く 彰国社 p24−34]、[広岡公夫:古代人と磁石の使用 「自然」 中央公論社 1977.1 p96]

国土地理院によれば近年の観測では全国平均で過去45年では約1.1度、西向きの偏角がそれぞれ大きくなっているようです。変化の割合が一定ではなく東日本では2000年から2010年の間は変化が停滞していますが西日本では1970年から2015年まで増加しつづけています。

古い地磁気の大きさや偏角は岩石の残留磁気によって知ることができます。岩石のなかに存在する磁鉄鉱などの磁性鉱物が冷えて固まるときや、水中で堆積するとき、周囲の地磁気の方向に磁化するため、その岩石が生成された当時の磁場を記録しているからです。松山基範(まつやま・もとのり 1884〜1958、測地学者)は兵庫県の玄武洞など各地の岩石の残留磁気を測定し1929年(昭和4)、地球磁場の反転説(地球のN極とS極が入れ替わること)を提唱しましたが当時は無視されていました。しかし1950年代に英国などで古地磁気学(Paleomagnetism)が発展したことで広く認められることとなりました。最後の逆磁極期(250万〜70万年前)は「松山逆磁極期」といわれます。

日本での地磁気の測定は長岡半太郎(1865〜1950)、田中館愛橘(たなかだて・あいきつ 1856〜1952)などの物理学や測地学の研究者により1880年(明治13)頃から大学や国のいろいろな機関により全国各地で観測が行われています。地磁気による地球をとりまく磁場は宇宙にある有害な放射線を遮蔽する役割があります。地磁気を観測することによって地球内部の構造や地震、火山活動、太陽系の活動などを知ることができ、地震予知や火山噴火予知に役立ちます。また電離層状態が変化するために起こる電波障害の予知にも寄与しています。近年は気候変動との関わり合いも研究されています。

極地で見られるオーロラは太陽から放出された荷電粒子(プラズマ)が地球磁気圏(地磁気による磁場)から磁力線に沿って南極・北極の両極地域上空の超高層大気(高度100〜300キロメートルにある電離層)に入射することによって起こる発光現象です。緑、紫、赤などの色は電子のエネルギーや超高層大気の組成によって決まります。オーロラはまれに日本でも見られるようです。日本書紀や藤原定家の「明月記」には「赤気」という言葉で表現されています。

南極と北極でオーロラの形状が似通う性質があり、これを共役性といいますが日本の国立極地研究所では1984年(昭和59)から南極昭和基地とアイスランドで同時観測を行っています。共役性が発生する地磁気共役点の地理上の位置は年が経つにつれて移動しています。昭和基地の共役点は1970年代にはアイスランドの島の西側に位置にありましたが、次第に東にずれてきて2016年(平成28)では島の東端からはみ出る位置にあるようです。写真はアイスランド南西部のネーシャヴェトリル(Nesjavellir)で撮影したものです。

重力

重力の概念は古代ギリシャの時代からありました。英国の科学者ニュートン(Isaac Newton 1643〜1727)は、天体の運動も地上での物体の運動もひとつの原理で説明できるとする万有引力の説を「プリンキピア」で発表しました。地上の重力も万有引力のひとつの現象とされています。

重力は地球の引力(万有引力)と地球の自転による遠心力の合力ですが遠心力は最大で引力の300分の1しかありません。地球表面上では重力の加速度(単位質量当りの重力)は約9.8メートル/秒の自乗(980ガル)です。山頂など地球の中心から遠いと小さく海岸では大きくなります。また地球全体でみると赤道上が最小で両極が最大になります。

重力の強さは地球上の場所ごとに異なります。また時間的にも変化します。地震や火山活動によって一瞬のうちに変わることもあれば数千年から100万年くらいの長い時間をかけて変わる場合もあります。また月や太陽の引力(潮汐)によって半日や一日の周期でも変化しています。地上の重力を精密に測ると地心距離(地球の中心からの高さ)や地下の質量分布などについての情報を得ることができ地震や火山噴火の予知にも役立ちます。近年では降雨と地下水流動を原因とする降雨直後に数十マイクロガル程度の急激な重力増加とその後のゆるやかな重力減少が観測されています。地磁気の観測は地球内部の電磁気的な性質を知ることが目的ですが重力観測では地球内部の質量分布を知ることができます。

実際に測定した重力には地形の影響や地下の地質構造の影響が含まれており、その場所の緯度できまる理論的な正規重力(地球楕円体上の標準的な重力であり標準重力ともいいます)と差ができます。この差を重力異常といいます。重力異常は地下に重いものがあると大きく、軽いものがあると小さくなります。海域の重力異常は陸域にくらべて大きくなります。海の地殻が陸の地殻にくらべて重いためです。

重力はふつう地球表面で測定されますが、いろいろな場所での重力の値を比較するため実測値をジオイド上での値に計算し直します。この計算を重力補正といいます。重力補正には(1)観測点のジオイド面上を空気だけとする高さの補正(フリーエア補正)、(2)地形の凹凸を仮想的に平坦にならす補正(地形補正)、(3)ジオイド面と観測点の間にある物質の(岩石の密度による)影響を除く補正(ブーゲー補正)などがあります。

フリーエア補正と地形補正、さらにブーゲー補正を施した実測重力と正規重力の差をブーゲー異常(Bouguer anomaly)または単に重力異常といいます。ブーゲー(Pierre Bouguer 1698〜1758)は1735年、地球の楕円体説を実証するために南米に派遣された測量隊の隊長の名前に由来しています。なお重力異常に関する用語は測地学と地球物理学の分野間で混乱して使われることがあります。

地球の物理的な形であるジオイド面は重力がつくる等ポテンシャル面のひとつです。したがって地球表面全体での重力の分布が分かればジオイドの形を決めることができ、面的に決定されるモデルは,重力ジオイドモデルと呼ばれます。 ジオイド高は重力異常をストークス積分(Stokes' integral、 1849年G.G.Stokesにより発表、周回積分)することにより計算で求められますが現在でも測地学の研究課題のひとつです。

ジオイドはそれぞれの国の高さゼロの基準面にされています。水準測量によって測定される地表点の標高はこの基準面からの鉛直距離Aになります。一方GPSを使うと地表点の楕円体高(地球楕円体の表面からの高さ)Bを測定することができます。この2つの方法で測定を同じ場所で行いB−Aによって地球楕円体からのジオイド面の高さを知ることができます。国土地理院では全国的にこの方法によるジオイド測量でジオイドモデルを作成しています。

海上での重力測定は測定する位置が海面(ジオイド面)であることから陸上の測定で必要とされる重力補正は不要になります。しかし航行中の船舶で測定した場合、見かけ上、地球の回転速度が増減したのと同様の効果があります。東へ移動すれば遠心力は増加し重力は減り、西へ移動すればその逆になります。重力計が遠心力の影響を受け鉛直成分に影響がでます。これをエトベス効果といい補正(エトベス補正)をする必要があります。エトベス(Lorand Eotvos 1848〜1919)はハンガリーの物理学者です。航空機による重力測定の場合も同様ですが船舶にくらべ高速なため、さらに複雑な補正が必要です。

大陸移動

ドイツのウェゲナー(Alfred Lothar Wegener 1880〜1930 気象学者、地球物理学者、グリーンランド探険中に行方不明)は1912年(大正1)に大陸移動説を発表しました。全世界の陸地は3億年前にはパンゲア(Pangea ギリシャ語で全陸地の意)というひとつの巨大な大陸であって、その後分裂と移動を続けた結果、現在の大陸分布がつくられたと考えられました。この説は地質学と古生物学の観点から提唱されたもので大陸移動の原動力はマントル対流の可能性を示唆したものでした。ウェゲナーの学説には山崎直方(やまざき・なおまさ 1870〜1929、地理学者、帝国大学理科大学教授、日本アルプスの氷河作用など地形学に多くの業績あり)などが評価していましたが大陸が分裂し移動する原動力を当時うまく説明できないこともあり研究者の支持を失っていきました。ところが第二次大戦後に地磁気を昔に遡って研究する古地磁気学(Paleomagnetism)から求められた大陸移動の研究成果はウェゲナーの説と大筋で一致し1950年代には大陸移動説は復活しました。ついで1970年代には大陸の移動をプレートの動きとして説明できるプレート・テクトニクス(Plate Tectonics、 プレートは板、テクトニクスは構造、運動のこと)の考え方が発展してきました。[A・ウェゲナー、竹内均訳:大陸と海洋の起源 講談社 p11−17、295−297][能田成:日本海はどう出来たか ナカニシヤ出版 2008 p46]

地球の表面はプレートと呼ばれる硬い岩石の板でおおわれています。プレートの厚さは70〜150キロメートルあり地球は十数枚プレートでおおわれています。陸を載せている大陸プレートと上が海になっている海洋プレートがあります。海洋プレートの方が大陸プレートよりも密度が高く海洋プレートは海溝において大陸プレートの下に向って斜めに沈み込みますが、大陸プレートはお互いに衝突してヒマラヤやヨーロッパアルプスなどの大山脈をつくっています。日本列島の周辺には大陸プレートであるユーラシアプレート、北アメリカプレートの2枚と海洋プレートである太平洋プレート、フィリピン海プレートの2枚、合計4枚が接しており年間、数センチメートルほど動いています。

ここで地球の内部構造にふれます。地球をゆで卵にたとえると地殻は卵の殻(から)で地表からの深さは30〜50キロメートル、その下のマントルは押せば凹む、ゆで卵の白身に相当し深さ2900メートルの岩石部分になります。地殻とマントルの境界はモホロビッチ不連続面といわれ物質が不連続に変化する面になっています。地殻とプレートは異なる概念ですがプレートは地殻とマントル最上部を合わせたものでリソスフェアともいわれます。リソスフェアの下には流動しやすいアセノスフェアが横たわります。ついでながらマントルより内部にある核はゆで卵の黄身に相当し鉄とニッケルば主成分になっています。核には液状の外核と中心部には固体の内核があり400万気圧、5、6千度の超高圧、超高温になっていると考えられています。このような地球の内部を知るためには地震波を観測します。地震波の速度が地球内部の硬軟によって変ることを利用します。

プレートの説明に戻ります。プレートが沈み込んだり衝突しあうと周辺の岩石には「ひずみ」がたまります。ひずみに耐えられなくなるとプレートの境界面に沿ってずれが生じて地震が起こります。海洋プレートが深く沈み込むと、すぐ上のマントルと地殻が溶けはじめてマグマが発生し地殻内部でマグマ溜まりを形成したり、ホットスポットといわれる場所からプレートを突き破り地表に噴き出し火山活動に発展します。このプレートの動きについての学説がプレート・テクトニクスですが、プレート移動の原動力など、まだ十分に説明できない現象もあり最近ではプリューム・テクトニクス(Plume Tectonics)という学説が提唱されています。プリュームは上昇流(hot plume)または下降流(cold plume)の意味がありますが、この説ではマントル内の大規模な対流運動を考察しプレートが移動する方向や超大陸(大陸を複数含んだ広大な陸地)の形成、分裂を説明しています。

アイスランドには大西洋中央海嶺にある火山の山頂が海面から露出している場所があり「ギャオ」または「ギャウ」といわる大地の裂け目が見られます。溶岩が噴出してつぎつぎ固まっていく出口にあたる、深い割れ目が地面の上を水平線まで伸びています。北アメリカプレートとユーラシアプレートが両側に広がっている境界にあたり、なお広がりつづけています。アイスランド南西部のシンクヴェトリル(Thingvellir)国立公園内で見ました。積雪の中、大勢の観光客がおり見学ルートも整備されていました。


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