重力点、重力の観測

重力の測定は第二次大戦以前から大学や測地学委員会などで行われていましたが国の測量機関としては戦後発足した地理調査所の時代からです。地理調査所では重力の国際比較測定を千葉・ワシントン間、東京・メルボルン間でも実施しています。第二次大戦後設置された重力点は重力の地理的な分布を明らかにするため重力測定を行なう地点を特定します。地図作成には関係が薄いようですが標高を正確に求めるために必要なジオイド面を決定するのに重要な役割をもっています。標識(金属標)の形状は測量法施行規則では「水準点に代わる標識」として定められています。しかし国土地理院では既設の水準点の位置で重力測定をすることが多いようで「重力点」としては大学や空港など特定の場所でしか見ることができません。水準点で測定する場合は上面の球分体の上に金属または合成樹脂の板(測定台)を載せます。

北海道大学重力点

地図:札幌

北海道大学総合博物館の建屋一階奥の階段脇に設置された国土地理院の重力点で点名は「札幌GS」になっています。フリーアクセスの内部にあり透明板を通して床に埋め込まれた直径8センチメートル程度の真ちゅう製金属標が見えます。「一等重力点 基本 + 国土地理院」の刻字が見られます。この重力点は現在も有効なもので博物館の展示品ではありませんが周囲の壁には重力やその測定方法、重力変化(異常)についての説明板が掲げられています。

国土地理院(本院)重力点

地図:上郷

つくば市にある国土地理院の重力測定棟の地下室にあるものです。一等重力点と基準重力点はそれぞれ別室にあります。一等重力点は大理石の机上に直径8センチメートルの真ちゅう製金属標がはめ込まれ「一等重力点 基本 +」などが刻印されています。基準重力点の方は大理石の床上に直径11センチメートルのステンレス製金属標がはめ込まれ「基準重力点 + GS1 FUNDAMENTAL GRAVITY STATION」などが刻印されています。

箱根富士屋ホテル重力点

地図:箱根

箱根宮ノ下の富士屋ホテルにある「花御殿」という建物1階、屋内プールの裏にある資料室南西端に見られます。長辺35、短辺25センチメートルの楕円形の真ちゅうプレートで大理石の床に固定されています。刻字は"INTERNATIONAL GRAVITY STATION HAKONE 1959 GEOGRAPHICAL SURVEY INSTITUTE"が読みとれます。

重力点の傍の説明板には設置理由の説明があります。1960年(昭和35)当時、国土地理院では国内約100点の一等重力点設置作業中で京都大学、東京大学、国土地理院間の測定がとくに重要でした。京都、東京間の重力差は重力計を運搬して一度に測定できる範囲より大きいため中間点が必要になり箱根に設置されたものです。地盤強固であることと将来、外国人も測定する場合の便宜上このホテルが選ばれました。「重力点の記」によると1960年(昭和35)に埋標、観測、鈴木弘道さん(「山の高さ」の著者)が担当されました。

富士屋ホテルは1891年(明治24)に建設された和洋折衷の建物です。花御殿は1936年(昭和11)に建てられ、外観は大きな千鳥破風の屋根を持ち校倉造りを模した壁が特徴です。富士屋ホテルの象徴的な建物で登録有形文化財になっています。

京都大学関ヶ原重力点

地図:関ケ原

国土地理院以外でも測地学の研究のため国際的な重力測定の一環として各所に重力測定点があります。岐阜県不破郡の関ヶ原中学校の校庭にある京都大学の重力測定点もその一つです。同測定点はJR関ヶ原駅近くで国道21号の100メートル南の中学校校庭で校舎の正面右手外壁から4メートルのサツキの植え込みの中にあります。国土地理院の水準点標石と同様、一辺21センチメートル角で上面に球分体がついています。刻字はありません。京都大学理学部地球物理学教室の話では重力測定点は関ヶ原以外にも紀伊半島に数ヶ所あります。1973年(昭和48)以降、年1回の周期で測定をしていましたが現在休止しています。標石の上面は球分体で不安定なので測定皿を載せ、そこに重力計を置いて測定をします。

京都大学理学部重力点

地図:京都東北部

京都大学理学部3号館(現数学教室)地下にも国土地理院の重力点があります。地下の一室に強固なコンクリート基礎があり、そのうえに金属標が2個、54センチメートル離れて設置されています。測定装置は固定されていません。下の写真、手前が基準重力点(点名は京都FGS)、奥が絶対重力測定点(点名は京都C)になっていますが接近しているため測定値は同じです。2003年(平成15)5月12日の重力値は979,707.68mGal(絶対測定)、位置は緯度35°01′45″、経度135°47′01″、標高59.78メートルになっています。

絶対重力測定点の標識には「IAGBN」の刻字がありますがInternational Absolute Gravity Networkの略でこの位置にある重力点が国際的な基準点網の一点になっていることを表しています。

国際重力委員会(International Gravity Commission)は1953年(昭和28)に世界各地に設置された重力基準点のうち34点を選び国際重力基準点(International Fundamental Gravity Station)としました。このうち1点が京都大学理学部設置のものでしたが教室の改築、移設などがあり1957年(昭和32)以降から現在の地点(点名:京都C)になっています。また1952年(昭和27)に測地学審議会がわが国の重力基準点を京都に置くことを決定してから京都大学構内での重力測定は国土地理院によって行なわれることが多くなりました。[中川一郎: 京都大学における重力基準点について 京都大学理学部 1988 p19]

これらの重力点は国土地理院の所管になりますが実態として京都大学地球物理学教室で管理されています。同教室には別途独自の超伝導重力計による観測施設が理学部4号館地下にあり常時連続観測が行われています。南極昭和基地もIAGBNの観測点になっています。
 

伊丹空港重力点

地図:伊丹

伊丹空港の建屋最北端にある到着ロビーで乗客出口が2ヶ所あるうち北側(外から向かって右)の床上に設置されています。写真ではJASの掲示板の右下にあたります。国土地理院重力観測棟にあるものと、おなじく直径8センチメートルの金属標です。こんなに人通りの多い場所がなぜ選ばれたのかわかりません。この重力点の位置は乗降客以外でも自由に入れる区域にありますので、いつでも見ることができます。同様に羽田空港のロビーにも重力点があります。精巧な相対重力計は機内に持ち込むことが多いため着陸後、既知の重力点で較正するためにあると思われます。

重力の測定

重力を測る単位はcm/secの自乗でこれをガル(gal)といいます。ガルはガリレオの名前からとったもので赤道上では約978ガルあります。重力計はガルの100万分の1(マイクロガル)まで測れなければなりません。1マイクロガルは地球の重力の約10億分の1に相当します。

長さLの振子の周期Tは重力(重力の加速度)をgとするとT=2π√(L/g)で表されるので重力は振り子の周期や、あるいは物体の真空中での落下距離とその所要時間から求められ、これを絶対重力測定といいますが大掛かりな装置で室内の固定点でしか利用できません。そこで任意の地点で重力を測定するには絶対重力測定によって重力既知の点を基準としてその差を測定します。これは相対重力測定といいます。バネ秤のように重力とバネの復元力とのバランスを利用したスプリング式重力計が利用されます。京都大学理学部の展示コーナーにはアスカニア社製重力計があり1960年(昭和35)のチリ地震(マグニチュード8.5)際に地震前後の重力変化が記録されました。

スプリング式重力計のなかでもラコスト・ロンバーグ重力計(LaCoste & Romberg Gravimeter)は1960年代から現在まで長年にわたり広くつかわれています。横材に載った錘(質量)を斜めに張ったスプリングで吊りスプリングの伸び縮みは、てこに伝えられ変位をマイクロメーターで読みます。ここで使用されるスプリングはゼロ長スプリング(Zero-length spring)といい引き伸ばしたバネの両端に働く力が長さに比例するようになっているバネです。力がゼロであればバネの長さは特性上ゼロとみなします。原理的にはバネ秤と同じでバネ秤が質量の大小をバネの伸縮として測るのに対して重力計は錘の質量は一定で重力の変化にともなう錘の位置変化(バネの伸縮の変化)を測定します。バネは温度によって性質が変わらないように特殊な合金がつかわれ、さらに重力計内部は50℃の恒温槽になっており内部の温度が100分の1℃しか変わらないようになっています。また運搬には細心の注意をはかり飛行機の場合は客室に持ち込むほどです。最近は衝撃に強くかつデジタル自動測定記録機能のあるシントレックス重力計(Scintrex Gravimeter)も使われます。[島村英紀:地球がわかる50話 岩波書店 1994 p28]

スプリング式重力計の原理は近年開発された超伝導重力計でも同じことでバネのかわりに超伝導現象の一つであるマイスナー効果(超伝導体のなかを磁力線が通らず完全反磁性をしめす)による磁気反発力を利用し重力の変化を磁気浮上力(超伝導コイルに電流を流し磁場をつくります)とつり合った超伝導体の錘(ニオビウム製中空の小球)の位置変化を検出します。写真にある超伝導重力計は米国GWR社製で青い筒は超伝導体の冷却用液体ヘリウムの容器で内部に重力センサーが入っています。
 
重力の絶対測定のほうは国土地理院ではFG5絶対重力計(Micro-g Solutions社製)をつかっています。真空の筒内で物体を落下させレーザ干渉計とルビジウム原子時計で重力の加速度を測定します。可搬型になっていますが装置が大きくなるため、測定が容易でないという欠点があります。

国立科学博物館地球館にも重力計が展示されています。「重力振子装置」は1951年(昭和26)に地理調査所で開発され振子が溶融水晶製で1本約1キログラムのものを3本吊りにしてあります。振子からの信号を光電管で電流に変換して秒信号とともにクロノグラフに書かせることができます。「落下式重力測定装置」は1971年(昭和46)に東京大学地震研究所で開発され可搬型の落下式になっており日本電子JEOL社で製作されました。

近年、航空機による重力測定も行われます。これまで陸地以外に海上でも重力測定はされていますが、これに空中の測定が加わることになり測定値の処理など一貫した方法が必要になります。[瀬川爾朗:実用化された航空重力測定 「測量」 日本測量協会 2004.8 p42−45]

重力偏差計は測定点の周りにある物体による微小な重力変化(重力勾配または重力偏差)を検出する装置です。鉱物資源の探査や潜水艦の航法装置につかわれます。

1890年にハンガリーの物理学者エトベス(Lorand Eotvos 1848〜1919)により考案された装置は金属性の水平ビーム(棹)の両端に重りがセットされビームを針金で吊るします。重力が位置によって異なればビームの両端の重りに働く力は異なったものになりビームに回転力(ねじれ)を生じ、その回転力はビームを吊るす細い針金に伝達され両端の重りにかかる力とつり合った状態で止まります。エトベスは、ねじれの大きさを測定することによって重力の変化を測定できると考えました。エトベスの装置はトーション・バランス(ねじればかり)といいます。船舶などの移動体での重力測定では地球の自転に関係したエトベス効果といわれる、見かけの重力変化があります。


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