地磁気観測

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。そこで地球深部の核(外核)にある液状の鉄などの金属が、らせん状の複雑な対流を起こし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きますが、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。

日本では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。

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。

地球の磁場である地磁気は場所によって異なり、また時間とともに変化しています。このような地磁気の地理的分布と時間変化を明らかにするため、気象庁はじめ国の機関、大学で地磁気測量を行っています。多数の観測所が世界各地に設置され世界的な地磁気の連続測量の態勢が整ったのは1957年(昭和32)から1959年(昭和34)までの地球観測年(IGY International Geophysical Year)からです。地理調査所(のち国土地理院)では1949年(昭和24)から全国各地に定点観測点として磁気点標石を設置しています。一等磁気測量に用いられる一等磁気点は北は北海道礼文島、南は小笠原まで約100ヶ所にあり、この地点で定期的に繰り返し測定を行い地磁気の永年変化を求めています。1954年(昭和29)からはさらに細かい地理的分布を知るため二等磁気測量が行われ、二等磁気点も約850ヶ所に設置されましたが現在はつかわれていません。一等磁気点のうち20点を基準磁気点とし2年に1回測定し、そのほかは原則として5年に1回になっています。磁気測量の成果は全国の磁気図としてまとめられますが測定値には日変化や磁気嵐などの擾乱が含まれるため補正をする必要があります。[国土地理院測地部:一等磁気測量成果集録 1995 p1]

国土地理院が行う磁気点での地磁気測量は方位角観測、絶対観測と変化観測があります。方位観測は磁気点から天体を基準とした方位点(マーカー)の方位角を磁気儀または経緯儀で求めます。近年はGNSSやオートジャイロステーションを使うこともあります。絶対観測では全磁力と偏角、伏角を測定し、変化観測では偏角の変化量と全磁力の水平、鉛直成分の変化量を測定します。絶対観測と変化観測はプロトン磁力計で全磁力を、偏角伏角磁気儀で偏角と伏角を測定しています。また1986年(昭和61)からは、フラックスゲート三軸型磁力計を導入し3成分の測定と連続観測を実施しています。一等磁気測量では初期には6時から22時まで毎時にプロトン磁力計と一等磁気儀で絶対観測を行いました。フラックスゲートが導入されてからは9時から翌日の9時までの間、フラックスゲートによる連続観測と同時間帯にプロトン磁力計と一等磁気儀による絶対観測を4回行っています。二等磁気測量は現在は行われていませんがプロトン磁力計と二等磁気儀で1時間内に4回の絶対観測を行いました。

磁力計は磁気点以外でも使用しますが室内では検出器近くに金属があると磁界が乱れるため木製の置台などをつかいます。またデータ処理装置も離隔して設置されます。磁気点で測定された値には日変化や磁気嵐などの影響が含まれています。また全国にある磁気点を同時に測定することもできません。そこで茨城県八郷町柿岡にある気象庁地磁気観測所の観測値を基準にして補正計算をします。補正計算のことを「化成」といいます。

磁気点は三角点や水準点のように地形図上に表示されていませんが例外として、かつて二万五千分の一地形図「幾寅」昭和40年3月30日発行では幾寅集落の南にあり、また一万分の一地形図「多摩霊園」昭和30年3月30日発行では東京天文台構内に磁気点と記載されていますが現在、実物は亡失しています。しかし近年は他地点で地形図上の表示が復活しています。磁気点の設置は鉄道などの人工的磁場の影響がなく周辺位置での磁気が大きく変わらないところ(磁気勾配がすくないところ)が選ばれます。一等磁気点では直流電気鉄道から5キロメートル以上、交流電気鉄道、送電線鉄塔からは2キロメートル以上、配電線からは500メートル以上離れていなければなりません。

震災予防調査会の発足

日本での地磁気観測は1880年(明治13)内務省地質調査所のお雇い外国人シュット(Otto Schutt)により行われ、つづいて同所の関野修蔵(1852〜1929)と神足勝記(1854〜1937)が全国で186ヶ所の測定を行っています。1891年(明治24)年の濃尾地震は死者7千人以上の大きな被害をもたらしましたが、これを契機に地震と震災防止の研究を協力して進めるべきであるという意見が出され翌年、文部省に「震災予防調査会」が設立されました。初代会長は菊池大麓(きくち・だいろく 1855〜1917)です。田中館愛橘(たなかだて・あいきつ 1856〜1952)らの提唱により地震予知には地磁気の測量が必要不可欠ということになり震災予防調査会では地磁気の研究も積極的に進めることになりました。同調査会の事業では重力や緯度、水準の観測などとともに、全国に地磁気観測所を設け磁力とその変遷を観測することになっています。[震災豫防調査會:震災豫防調査會報告 第壹號 1893 p10]

1893(明治26)から4年間にわたり全国の地磁気測量が行われましたが最初の年は本州中部で火山と地磁気異常をともなう断層地域の測量をすることになり富士山、浅間山の近傍とフォッサマグナに沿った地域での地磁気観測が行われました。引きつづいて北海道、本州北部、1896年(明治29)には西日本、四国、九州で観測されました。

宮津市立宮津小学校の地磁気観測点

地図:宮津

この標石は京都府北部の北近畿タンゴ鉄道宮津から南西400メートルに位置する宮津小学校の運動場入口近く「天橋義塾の碑」の東隣に保存されています。標石の大きさは一辺42センチメートルの立方体で整形部の高さ12センチメートル、基礎上面から標石上面までの高さは33センチメートルの花崗岩で基礎は一辺89、地上高さ15.5センチメートルのコンクリートです。上面の刻字は北を上に右から「明治二十九年七月十一日」「磁力實測点」「震災豫防調査会」と縦書きになっています。この標石は1988年(昭和63)夏、同校の運動場が国体軟式野球会場になるため整備中、地下60センチメートルに埋まっているのが発見されました。当時の報道によれば震災予防調査会の委託により東京大学が地磁気観測をした全国327ヶ所のうちの一ヶ所で設置時の校名は与謝郡第一高等小学校です。[京都新聞 90余年前の磁気測量調査 1988年9月30日]

標石のコンクリート基礎が比較的新しいことから標石が移設されたことは明らかです。また刻字に日付があることから観測台として使用後に刻字がされたものと思われます。標石の見学は同小学校へ事前の連絡が必要です。[上西勝也:測地観測遺跡の残存状況「測地学会誌」55巻1号 2009年 日本測地学会 p96]

広島市中区加古町の地磁気測量点

地図:広島

広島市の中心を流れる太田川(本川)の左岸、新住吉橋と中島神崎橋の中間で広島市立中島小学校の北西端の堤防上にあります。このあたり旧広島県庁の跡地で「広島県職員原爆犠牲者慰霊碑」という高さ3メートル程度の碑があり標石はその裏になります。

標石は一辺18、地上高さ53センチメートルで上部が角錐になっています。西面には「地磁氣測量點」、北面には「明治二十年七月實○ 廣島測候○」(○は地中で文字不明)の刻字があります。

この刻字から察すると1887年(明治20)に広島測候所で地磁気観測を行ったことになります。震災予防調査会は1892年(明治25)に発足したので、それより前の内務省の主導による事績と思われます。当時,測候所は県の所管でした。

加西市磁気点

地図:北条

兵庫県西部にある北条鉄道の終点、北条町から北へ4キロメートル、加西市若井町にあります。若井町の西南に清水池という溜池があり、その北東角の薮のなかに磁気点が見られます。姫路に隣接しているので、この磁気点の点名は「姫路」になっています。

磁気点標石は背丈以上の笹やイバラに埋もれており写真を撮るのに苦労しました。大きさは一辺15センチメートル、地上高18センチメートルの角柱で材質は花崗岩です。上面の中心には直径1.3センチメートルの丸い窪みがありその周囲には外径8センチメートル、内径5センチメートルのドーナツ状の溝があります。観測機器の中心を合わせて載せるためです。

標石の側面の刻字は南面は「磁気点」、西面は「地理調」、北面は「No57」、東面は「基本」とありました。「地理調」とあるので国土地理院の前身、地理調査所の時代の標石ですが一等磁気点の気を調べると1974年(昭和49)に設置後、1993年(平成5)に700メートル南東の現位置へ再設されています。いずれにしても国土地理院になってからです。標石の周囲に黒い木杭が3本あるのは磁気儀の三脚を載せるためです。

姫路市磁気点

地図:安志

姫路市のはずれ、市街中心から北西へ12キロメートル、国道29号を林田町伊勢から東へ分岐し4キロメートルほど北へ行くと大堤という集落があり、東に溜池が見えます。この池の東岸と民家の間を抜け東の竹林を70メートルほど登り、ちょうど竹林がヒノキ林に替わる地点にありますがササの枯葉などが積もり見つけるのは相当難しいところです。 竹林の通行は民家に立ち寄り了解を得ました。点の記によればこの磁気点の点名は「林田」になっており、二等磁気点です。

大きさは一辺12センチメートル、地上高14センチメートルの角柱で材質は花崗岩です。上面の中心には直径1.5センチメートルの丸い窪みがありその周囲には外径6センチメートル、内径4.5センチメートルのドーナツ状の溝があります。標石の側面の刻字は南面は「磁気点」(「点」は地中、竹の根がからまり確認できず)、西面は「国地院」、北面は「No461」、東面は「基本」とありました。

今津町磁気点

地図:饗庭野

この磁気点の点名は「今津」になっています。滋賀県北西部今津町の西、箱館山の山麓南にある梅原の集落近くに設置されています。集落のはずれ弓削神社の北の溜池の堤下です。

標石の側面の刻字は南面は「磁気点」、西面は「地理調」、北面は「No5」、東面は「基本」とありました。そばに木製の標示杭もあり「建設省国土地理院」、「一等磁気点 No.5 今津」、「基準点 平成5年10月18日」と記されていました。

熊本市磁気点

地図:熊本

この磁気点の点名は「熊本」です。熊本市街の中心から北西へ7キロメートルの金峰山(きんぽうざん)の麓にあります。夏目漱石が立ち寄ったといわれる「峠の茶屋」という地点から舗装道を300メートル東へさらに北東へ200メートル入ったところに民家があります。その裏から北の竹林に向かって側溝に沿って道があり終点の竹林の手前に磁気点があります。木柱の標示杭があり「一等磁気点 No・65 熊本」、「建設省国土地理院」、「基本測量」と書かれていますが朽ちかけています。標示杭の手前に草に埋もれた磁気点標石が見られます。

標石南面に「磁」の刻字だけは確認できましたが、他は埋没して不明です。標石は花崗岩、一辺15センチメートルで上面が地表すれすれになっています。上面は外径7、内径5.5センチメートルの溝があり中央には直径1.5センチメートルの丸い窪みがあります。また標石の周囲には黒く塗られた木柱が3本ありました。

この磁気点は現行の二万五千分の一地形図「熊本」(平成11年7月1日発行)に縦書きで「磁気点」その下に指示点「・」の記号が載っています。地形図に磁気点が載っている珍しい事例です。

国土地理院に確かめたところ、二万五千分の一地形図図式(平成14年)では磁気点については必要に応じて指示点「・」を付し「磁気点」と記すことになっています。ただし現在は地形図に表示できる精度の座標値をもっている磁気点についてのみ表示することにしており二万五千分の一地形図では「熊本」と「北檜山」(北海道瀬棚郡今金町 点名:今金)の2ヶ所のみです。過去の地形図にはこれら以外もありました。

地磁気観測機器

地磁気は強さ(大きさ)と方向をもったベクトルであり強さ、偏角、伏角を三要素といいます。大きさはテスラ(T)という磁束密度の単位であらわしますが地磁気は微小なので1テスラの10の9乗分の1にしたナノテスラ(nT)であらわします。かつてはガンマ(γ)という単位であらわしていました。日本の地磁気はおよそ50,000nTです。大きさは水平分力、鉛直分力、南北成分、東西成分の各方向ごとに求めます。偏角や伏角は角度で求めます。

地磁気の強さを観測する磁力計には古くから近年まで用いられてきた吊り磁石式変化計があります。水晶糸などで小さい永久磁石棒を吊り、自然の地磁気変化によって微かに揺れる状態を、磁石に取り付けた鏡に光を当て反射光を光学的に記録する方式で、シュミット磁力計といわれる磁力計もこの方式に類似します。近年はプロトン磁力計とフラックスゲート型磁力計(グラジオメーター)が主につかわれます。プロトン磁力計は磁界の強さ(全磁力)を精度よく求められますが磁界の方向はわかりません。これに対してフラックスゲート型はプロトン磁力計に比べて感度は劣りますが磁界の強さだけでなく方向を求めることができます。

プロトン磁力計の測定原理は核磁気共鳴を応用したものです。水素の原子核(プロトン)が地磁気の影響を受けてコマのように回転することを利用しています。このコマのことをスピン(磁気モーメント)といいます。外部の磁気がない状態ではスピンはランダムな方向を向いていますが外部から磁気が作用すると各スピンは磁気(外部磁場)と同じ方向に向きをそろえようとします。個々のスピンは直交する磁場の強さに比例した周波数で回転します。これをラーモア歳差運動と呼びます。傾いて回っているコマの心棒に見られる円錐運動「コマのみそすり運動」と同様です。この現象は核磁気共鳴(NMR)といい医学にも応用されています。そこで磁力計は、いったん強い電磁石でこのコマの回転をそろえておいてから、とつぜん電磁石の電流を切ります。まわっているコマは地磁気の影響だけで「コマのみそすり運動」をはじめます。みそすり運動の速さは地磁気の強さに比例するので電磁石のコイルを利用して電気的に検出すれば、その位置での地磁気の強さがわかります。測れる精度は地磁気の強さの10万分の1ほどです。

実際には非磁性の容器に水素原子を含んだ灯油(ケロシン)または純水を満たし容器の周囲にトイダル型コイル(ドーナツ状の鉄心に電線を巻いたコイル)を置いたセンサーをつかい直流電流による励磁をします。灯油中のプロトンは回転運動をしますが励磁を急にきっても、そのまま回転運動をつづけコイルに微弱な電圧を誘起するので、これを増幅して周波数カウンターで計測します。励磁、停止、増幅は交互に行います。核磁気共鳴を応用した磁力計にはプロトン磁力計のほか、オーバーハウザー磁力計といわれるものがあります。2個のプロトンが空間的に近い位置にあるとき一方が共鳴するとスピンは飽和し他方のプロトンの信号強度が増大する現象をオーバーハウザー効果といいますが、この効果を利用することで効率よく測定ができる磁力計です。プロトン磁力計は20世紀中期に実用化されましたが、これにより地磁気の強さの測定精度は飛躍的に向上しました。

一方、フラックスゲート型磁力計は飽和鉄心型磁力計ともいわれます。高透磁率の鉄心に巻いた励磁コイルに交流を流すと外部磁気の影響があれば磁気飽和の状態が変化します。これを感知コイルにより電圧として外部にとりだします。高透磁率の細長い箔の周囲を円筒形コイルで包んだセンサーを3本を相互に直交させて組み合わせることにより、地磁気の3要素を測定することができます。

地磁気の向きには真北からのずれ「偏角」と水平面からの傾き「伏角」があり測定機器にはGSI型磁気儀や偏角伏角磁気儀があります。GSI型磁気儀は坪川式ともいわれ地理調査所(国土地理院の前身)の坪川家恒(つぼかわ・いえつね 1918〜1994、陸地測量部、東京大学地震研究所、文部省緯度研究所を歴任)により開発された日本独自のものです。地球磁場中のコイルを手動で回転させ回転軸を地球磁場の方向に傾けていくとコイルの誘起電流がゼロになります。このときの回転軸と水平面のなす角が伏角です。伏角とともに偏角も同時に測定可能です。磁気儀には非磁性の経緯儀(トランシット)がついていますが基準となる方位に設置された方位標を視準するためです。偏角は真北方向からの角度で表すため、あらかじめ夜間に天頂儀などで真北方向(おおむね北極星の方向)を測定しておきます。偏角は方位標からの水平角と方位標の方位角を合わせた角になります。現在は地球の自転軸方向を測定できるオートジャイロステーションにより昼間でも真北からの角度を測量できます。[地理調査所:坪川技官による「GSB型磁気儀」の完成なる「地理調査所時報」9集 1950 p5][日本測量協会:鹿野山測地観測所の草創期 地球を観測し続けた技術者たち(上)「測量」 日本測量協会 2006.10 p15]

地磁気の観測は紀元前後に中国で考案されたコンパス(磁石)による偏角の測定にはじまります。偏角、伏角の測定には磁気儀やフラックスゲート三軸型磁力計がつかわれます。偏角伏角磁気儀はDIメーターともいいDIのDはDeclinationで偏角をIはInclinationで伏角を表します。非磁性の望遠鏡に一軸のフラックスゲート型磁力計のセンサーをとりつけた磁気儀で水平または垂直方向に回転させ外部磁気の値がゼロを示したときの水平角または鉛直角から偏角、伏角を測定します。フラックスゲート三軸型磁力計ではセンサーを南北、東西、鉛直の3方向に直交させて取り付けると地磁気の正確な方向が3成分(南北、東西、鉛直成分)で計測することができます。製品としてはデンマーク気象研究所(DMI)や島津製作所の三軸磁力計があります。[柳田博明:最新検知システム総覧 技術資料センター 1982 p351]

プロトン磁力計やフラックスゲート型磁力計は考古学の分野でも利用されます。地磁気の局地的な異状を検知して地下の遺構を探索することができます。窯跡のように過去に熱を受けた遺跡は熱残留磁気をもち周囲の磁界に影響を与えます。地下2〜3メートルの深さであれば探知できる可能性があります。[西村康・岩本圭輔:遺跡探査法の開発 奈良国立文化財研究年報1977(発行1977)p62][西村康:遺跡の磁気探査(2) 奈良国立文化財研究年報1989(発行1990)p54]

近年、光ポンピング作用を利用した磁力計、たとえばポタシウム磁力計が使用されはじめました。アルカリ金属原子(たとえばポタシウム、カリウムのこと)のスピン偏極(スピンが特定の方向に偏る)を用いて磁場を測定します。光ポンピングは光を用いて低いエネルギー状態(量子力学的なエネルギーでエネルギー準位といいます)から励起状態といわれる高いエネルギー状態に移すことですが光ポンピングされたアルカリ金属原子はスピン偏極し、そこに印加される磁場が直線偏光(ひとつの面内で振動している光)の偏光面を回転させるため、この回転角により磁場が検出できます。従来よりも高感度な計測が可能になりました。

京都大学に残る地磁気測定装置

地図:京都東北部

写真上段の伏角計(Dip NeedleまたはDip Circle)は地磁気の垂直方向の振れ角である伏角を測定する装置で旧第三高等学校の理科実験用のものです。磁針の長さは22、ガラス箱の大きさは一辺30〜40、奥行き20センチメートル程度です。ガラス箱の下にある円盤を回転し磁気子午面(地球磁場の方向を含む鉛直平面)を求め、そのときの磁針の角度が伏角になります。伏角を測定する装置は16世紀後期に英国の航海機器製造業、ノーマン(Robert Norman)によって、はじめて製作されましたが、この装置は明治初期の科学機器製造業者、藤島常興(1828〜1898、金工師)の製作によるものです。「明治十五年十二月古光堂藤島製造」の刻印があり当時90円で購入した記録があります。[永平幸雄、川合葉子:近代日本と物理実験機器 京都大学学術出版会 2001 p208]

また下段は京都大学理学部の展示コーナーにある地磁気変化計で1957年(昭和32)と翌年の国際地球観測年に参加するため京都大学で開発されたものです。細い燐青銅線に吊り下げた小さな磁石の微小な動きを光学的に拡大して印画紙上に記録することにより地球磁場の変動を精密に測定することができます。銅線のねじれの力を利用して磁石を吊り下げる向きを変えることにより東西、南北、上下3方向の磁場変動が測定できます。

航空磁気測量

火山地域の磁気は周囲の磁気と大きく異なり火山活動によって変化します。上空から観測することで噴火予知などの基礎データを得ます。写真は国土地理院の測量用航空機「くにかぜ」ビーチクラフトB65の尾端ですが朱色の球体がプロトン磁気センサーです。航空磁気測量は空中磁気測量ともいい1962年(昭和37)から実施しています。

航空磁気測量は海上保安庁海洋情報部でも行っています。デハビランド(ボンバルディア)製双発機DHC−8の尾端にテールスティンガーといわれる棒状の突起があり、なかにポタシウム磁力計が入っています。

鹿野山測地観測所

地図:鹿野山

国土地理院の前身である地理調査所では1956年(昭和31)から千葉県鹿野山で地磁気観測を開始しました。その後、地磁気、天文、重力測量などを行う施設が拡充され1962年(昭和37)からは国土地理院の一組織として測地観測所が発足しましたが1965年(昭和40)頃から国鉄房総西線の電化計画が起こり地磁気観測の一部を岩手県水沢に移転することになり1969年(昭和44)には水沢測地観測所が発足、従来からの測地観測所は鹿野山測地観測所と改名されました。同観測所は2012年(平成24)に無人になりました。[日本測量協会:鹿野山測地観測所の草創期 地球を観測し続けた技術者たち「測量」 日本測量協会 2006.10 p14−17,2006.11 p14−17、2006.12 p12−15]

1995年(平成7)からは水沢測地観測所、鹿野山測地観測所など11ヶ所で24時間連続した観測もやっています。各地のデータは、つくばのセンターに伝送され解析されます。また地磁気の観測は国土地理院だけでなく海上保安庁、気象庁地磁気観測所、通信総合研究所電波観測所、大学などでも行われています。

海上保安庁海洋情報部の地磁気観測

地図:東京南部

海上保安庁海洋情報部では旧水路部時代から船舶の安全航行のため海底火山や火山島の重力とともに地磁気観測も行っています。調査結果は地震予知連絡会や火山噴火予知連絡会にも報告されます。

水路部の全国的な地磁気観測は1912年(大正1)頃からはじまり当初は田中館愛橘(たなかだて・あいきつ 1856〜1952)が開発した磁気儀が使用されました。そのご1922年(大正11)頃からは水路部渡辺技師考案の「大正11年型電磁式磁気儀」が採用されました。写真の水路部型磁気儀は1927年(昭和2)に水路部の村元技師が従来の電磁式磁気儀を改良したものです。地磁気の三要素(偏角、伏角、水平分力)の同時測定が可能となり1932年(昭和7)から1960年(昭和35)まで使用されました。写真中はプロトン磁力計、写真下はフラックスゲート型磁力計(英バーティントン社製)でいずれも現在使用されています。

海洋情報部の地磁気観測は陸上各地の水路観測所だけでなく測量船による海上や航空機によっても行われます。海上地磁気の測定では鉄でできた船体の影響をさけるため船体から300メートル程度離した曳航式プロトン磁力計を用います。また航空機からは 航空機尾部にテールスティンガーといわれる棒状の突起があり、なかに装着されたポタシウム磁力計(光ポンピング磁力計)で計測します。

気象庁地磁気観測所

地図:柿岡

日本における地磁気定常観測は1882年(明治15)から翌年にかけての第一回国際極年観測を契機に1883年(明治16)内務省地理局と工部省電信局により東京赤坂の臨時観測所ではじめられました。1897年(明治30)には旧本丸北桔橋門の中央気象台構内で地磁気、空中電気の本格的観測を開始しました。当時の絶対観測室では北側の小窓から駿河台のニコライ堂の金の十字架が見通せられて方位標となっていたそうです。

その後、茨城県石岡市柿岡に移転し地磁気観測所として1913年(大正2)から現在まで約100年の間継続して地磁気観測を行っています。1925年(大正14)には現在の本庁舎が竣工し、ほかに記録室、絶対室、空中電気室、宿舎などが新築されています。 1972年(昭和47)には新標準磁気儀カスマー(KASMMER)が整備され、その後部分更新されながら現在にいたっています。

現在は気象庁に所属する機関として柿岡に本部、北海道女満別と鹿屋市に出張所を置き世界各国の観測所と連携しながら地磁気、地電流、空中電気の定常的な観測を行っています。また父島にも無人観測点を設置し地磁気を観測しています。地磁気観測所では観測データをもとに観測に使用するの測器の改良や観測技術の開発、超高層物理現象の解析、火山噴火、地震予知などを目的とする調査、研究を行っています。 

JR常磐線の旧型車両の普通列車では取手駅とつぎの藤代駅の間で夜間なら電灯が、夏なら空調が30秒ほど止まります。地磁気観測所の観測に影響を与えない交流電源に切り替えるためです。

地磁気観測所の設備は大正時代後期に竣工したドイツ風の本館、通称「石室」と呼ばれる第一変化計室、「新室」と呼ばれ暗室造りの第二変化計室、空中電気室、実験室などあり地磁気の変化を精密に測定するため建物の材料は鉄にかわり非磁性の銅や真ちゅうがつかわれています。第一変化計室(石室)は1912年(大正1)に建てられた、かまぼこ型の石造ですが室温を一定に保つため全体を土盛りして、かつては萱(かや)葺きの屋根で覆われていましたが萱の入手が困難になり1961年(昭和36)からスレート屋根に改修されました。

現在の主設備である地磁気観測システム(カスマー KASMMER=Kakioka Automatic Standard Magnetometer)は広大な芝生の広場に5棟の観測施設と比較校正設備室があり別に離れたところに計測室と比較校正に使用するため真北を示す子午線標があります。地磁気の変動は3台のオーバーハウザー磁力計で偏角D、水平分力H、鉛直分力Zの各成分を、またプロトン磁力計で全磁力を常時観測しています。わたしの訪問した当日は46,413.4ナノテスラ(nT)でした。第一変化計室や第二変化計室には古い形の磁力計の残置されています。

構内には桜並木のほか樹齢90年の、ゆりの木、野生の日本タンポポが見られます。なお当地はJR常磐線石岡からバスで20分、内宿(うちじゅく)下車、徒歩15分程度で到達できます。見学は事前許可が必要です。

小笠原父島 気象庁地磁気観測施設

地図:父島

父島の二見港に面した西町にある父島気象観測所から徒歩20分、舗道を登りきると通称「ウエザーステーション」の展望台がありますが、そこから北へ100メートルの遊歩道西側に地磁気観測施設が見られます。1970年(昭和45)に設置されました。外観が見られるのは絶対観測点として用いられるコンクリートの観測台だけです。

父島の観測施設は 柿岡、女満別、鹿屋の地磁気観測点とともに地域的に役割を分担しています。観測点は無人で運営されており、地磁気の連続観測や脈動観測はデータ伝送により柿岡に送られて処理されます。父島の観測データは、日本の領海の南方海域を代表する基準値として 広く活用されています。


地磁気の逆転

地図:城崎(玄武洞)、大多喜(千葉逆転地層)

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)、地磁気の逆転説(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年代になると英国などで古地磁気学(Paleomagnetism)が発展し広く認められることとなりました。現代からみて最後の逆磁極期は250万〜70万年前と予想され「松山逆磁極期」といわれていました。

千葉県市原市田淵地区の養老川沿いには地磁気が逆転した痕跡を残す地層があり「チバニアン」(千葉時代)と呼ばれて国立極地研究所、茨城大学、千葉大学をはじめ多数のグループにより調査研究が行われています。現場は千葉県五井を起点とする小湊鉄道の月崎駅から南東方向へ直線距離で1キロメートルのところ、徒歩では県道172号、81号経由、約30分を要します。田淵会館から南西へ急坂を下った養老川右岸の岩壁に地層が露出しています。すでに研究グループによって地層にマーカーが埋め込まれ下から赤色杭の逆磁極帯、黄色杭の磁極遷移帯、緑色の正磁極帯に区分されています。これらの地層は海底で堆積された地層が隆起したものです。逆磁極帯と磁極遷移帯の間には火山灰の層がありますが77万年前に長野・岐阜県境の御嶽山の噴火により堆積したもので、ちょうど地磁気逆転時期の目印となっています。このように磁極の変化が連続して観測できる堆積層は、この地のほかイタリア南部にあります。近年の調査によると地磁気の逆転は過去360万年の間に少なくとも11回あったようです。逆転の周期性はなく、つぎにいつ起こるかは不明です。

オーロラ

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(きょうやくせい)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。両地点が同じ一本の磁力線で結ばれており、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。

オーロラの観測には魚眼レンズのついた全天撮影カメラをつかいます。国立極地研究所(立川市)には南極昭和基地で1970年(昭和45)以来、約10年間つかわれた観測装置が展示されています。当時は120メートルの35ミリ白黒フィルムに1分ごとに記録しましたが、近年は毎秒160フレーム以上の撮影が可能な高性能カメラを活用して、フリッカリングオーロラといわれる数十分の一秒で明滅を繰り返す特殊なオーロラの観測も可能です。


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