磁気点、地磁気の観測

地磁気(地球磁場)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。

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。

地磁気の観測

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。わが国の地磁気はおよそ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。

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。


■Top of this Home Page
■Next Page