VLBIによる基線観測

三角測量の基線は2点間の距離を基線尺といわれる物差しで正確に測りました。しかし大陸間など地球規模の2点間の距離となると物差しでは測れません。近年はVLBI(Very Long Baseline Interferometory、超長基線電波干渉法)による基線観測が国際活動として行われています。VLBIはもともと電波天文学の分野での計測方法であって電波天文観測用干渉計として1950年代からありましたが当時は個々のアンテナ間の観測時刻の同期をとるための通信回線が不安定であったため高精度を必要とするVLBIの開発に問題がありました。しかし1960年代から個々に独立した正確な周波数標準(時計)と高性能の磁気記録方式の採用により改善されてきました。

VLBIは数十億光年はなれた準星(クエーサーQuasar)からの電波を地球上の複数地点で同時に受信して同じ信号の受信時刻の差である遅延時間から相互の位置関係を測ります。受信する信号は周期性をもたない雑音であり複数地点での遅延時間が判定できます。準星は電波星ともいいますが強烈なエネルギーを放出している天体であり測量を目的とするVLBIにつかえるのは50個ほどです。受信時刻の測定は水素原子の共鳴周波数にもとづいて1秒の長さをきめる水素メーザ原子時計をつかいます。これによって遅延時間を1000億分の1秒の精度で測定できます。メーザーは非常に安定した周波数のマイクロ波を発信する装置でレーザーと同様に原子の誘導放出の原理を用いています。

地球表面上のA地点とB地点に受信アンテナをおき準星Sからの電波をA、B同時刻に受信します。アンテナの方向を調整する作業はポインティングといい受信電波のスペクトルの変動をしらべ正確な方向を得ます。Sは地球から見て無限遠にあるのでSからAへの電波とSからBへの電波は平行に伝搬されると考えられます。そこでSからの電波の形状と観測時刻をA、Bでそれぞれ記憶媒体に記録しておき、ついでその記録を一ヶ所に集めて大型計算機で相関処理をします。計算機上でAとBの受信電波を干渉させて受信信号がもっとも強めあう条件を導き、Sからの電波に含まれる特定信号パターンのAでの受信時刻taとBでの受信時刻tbとの差、すなわち遅延時間t(0〜0.02秒程度)が求められます、これに光速度(秒速30万キロメートル)を乗じるとA,B間の電波の到来方向からみた光路差(行路差)Dが算出できます。しかし、この光路差Dは地球表面でのA,B2点間の距離ではありません。A、B間の距離をL、準星の高度角(受信アンテナの方向)をαとすると光路差 D=Lcosα の関係がなりたちLを求めることができます。異なる3個(3方向)以上の準星S、T,U、・・・・にたいしてA,Bから観測すれば地球上の2地点A、Bの3次元的な位置関係がわかります。

VLBIによる準星からの受信観測は24時間で200から3000回程度できます。地球表面上で数千キロメートル離れている2地点間の距離を数ミリメートル程度の誤差で測定可能であり全地球的な規模でのプレート運動や海水面の変動、地殻変動の検出にも応用されます。VLBIはGNSS(GPS)のように地球の重力とのバランスで周回している人工衛星からの信号を利用するものではないので地球の重力中心からの距離(高さ)は直接、測ることはできません。

つくば国土地理院のVLBI受信アンテナ

地図:上郷

つくばの国土地理院の構内にあるVLBIのパラボラアンテナです。直径32メートル、重量450トンあり、毎秒3度の角度で回転することができます。つくばでは1998年(平成10)から観測を開始していますが測地成果2000といわれる新しい国際基準づくりに貢献しました。このアンテナは微弱な電波の受信専用で中継アンテナのように送信はしないので人体や受信障害などの影響はありません。

つくばより小型ですがVLBI固定観測局が北海道新十津川町、茨城県鹿嶋市、東京都小笠原村、鹿児島県姶良町の4地点にあります。ハワイと茨城県鹿嶋市に置かれたVLBI受信アンテナ間の距離が年間約8センチメートルずつ縮んでいることもわかりました。

VLBIの解析で計算される座標値はアンテナの駆動軸の中心(Az=Azimuth, El=Elevationの中心)の値です。これを通常の測量で容易に利用するためにVLBIの中心とアンテナ近傍に埋設された標識や電子基準点などとの位置関係を正確に測る必要があります。これをコロケーション(Collocation)といいます。VLBI観測点はコロケーションによってVLBIと三角点などの国家基準点網とを測地的に関係づけられた金属製標識です。

2001年(平成13)の新測量法(同施行令)では東京にある日本経緯度原点に対する原点方位角の目標点に定められています。この金属標は直径15センチメートルのステンレス製で大理石の基台にはめ込まれています。

2016年(平成28)年から、つくばVLBIに替わり高性能の石岡測地観測局が本格運用になり、つくばVLBIは同年末で運用を終了、2017年(平成29)にはアンテナが撤去されます。

VLBI補助点標識

地図:上郷

つくばのVLBIのパラボラアンテナ近くの構内で見かけた「VLBI補助点」という標識です。三角点なみに保護石もありました。後日しらべたところ他にも数点あります。VLBIのパラボラアンテナの中心が変動することがないよう点検のために設置されているものです。

可搬型受信アンテナ

地図:上郷

つくばの国土地理院構内にはVLBI可搬型アンテナもあり全国に移動することができます。近畿地方では和歌山県の海南市に設置場所があります。可搬型は1986年(昭和61)に完成し固定観測局が整備される1990年代なかばまで活躍していました。アンテナの直径は5、高さ7メートル、重量は10トンあります。

国土地理院石岡測地観測局のVLBI受信アンテナ

地図:柿岡

国土地理院石岡測地観測局は2014年(平成26)10月に茨城県石岡市根小屋の茨城県畜産センター敷地内に開設されました。つくば本院の北東17キロメートル、気象庁地磁気観測所の南2キロメートルに位置し標高113.8メートルの高台にあります。強固な岩盤があり、電波環境も良好なことから、この地が選ばれました。今回は日本測地学会の集会で内部を見ることができましたが観測建屋は仮設の状態でした。VLBIのほかGNSS(GPS)連続観測点2基があり、将来は重力観測室も設置される予定です。

石岡の装置は次世代型VLBIアンテナといわれ国際協力ののもとで地球規模の測量を行い地球上の位置を1ミリメートルの精度で求め、一日24時間、年間連続して観測し国際的な座標系を構築、維持します。GNSS衛星測位の精度向上にも役立っています。

アンテナの直径は13.2メートル、受信周波数帯域は2〜14ギガヘルツ、毎秒水平方向(Az)12度、垂直方向(El)6度の角度で回転することができ、24時間で3000回の天体をとらえることができます。つくばの場合は500回です。解析結果の提供も24時間以内を目標にしています。一般的にVLBIアンテナはカセグレン型で放物面の主反射器とその中央に突き出た双曲面の副反射器がありますが石岡の副反射器は先端(内部から見て最奥)に受信部が組み込まれており従来のように反射板(鏡)で内部に導く複雑な機構はありません。

VLBI観測点はVLBIのアンテナの中心位置と国家基準点網とを測地的に関係づけるために設置された金属製標識で、つくばの観測点標識と同様です。

情報通信研究機構のVLBI受信アンテナ

地図:立川

小金井市にある情報通信研究機構NICT(National Insutitute of Information and Communications Technology)は独立行政法人で2004年に設立されましたが前身は通信総合研究所、さらに遡れば1952年郵政省の電波研究所として発足しています。電波研究所では1975年(昭和50)から同所鹿島支所と電電公社(現NTT)横須賀電気通信研究所の間でVLBI基礎実験が一応成功し、これが日本で最初のVLBIといわれています。現存のVLBIアンテナは小金井の森に囲まれた北部構内にあり直径11メートルです。周囲の整備状態から察すると、あまりつかわれている様子はありません。


南極観測隊の測量

南極とは一般に南極点を中心とする南極大陸とその周辺の地域をさします。赤道傾斜角の余角である南緯66度33分を南極線といい、この線以南では夏に白夜になることがあります。南極点を中心にして南極線までの地域を南極圏と呼びます。南極大陸は日本の37倍、1390万平方キロメートルあり氷で覆われた大陸で氷の厚さは最大4776メートルあります。

南極大陸は1820年に発見されたといわれています。しかし発見者についてはロシアのベリングスハウゼン(Fabian Gottlieb von Bellingshausen 1778〜1852)や英国のブランスフィールド(Edward Bransfield 1785〜1852)などともいわれ、諸説があるようです。その後、英国、ベルギー、ドイツ、スウェーデン、ノルウェーをはじめ多数の探検隊が遠征し現在は観測基地を設けている国が多くあります。1909年に英国のシャックルトン( Ernest Henry Shackleton 1874〜1922)は南磁極に到達、1911年(明治44)にノルウェーのアムンゼン(Roald Engelbregt Gravning Amundsen 1872〜1928)は南極点にはじめて到達しています。翌年、アムンゼンより約1ヶ月遅れになりましたが英国のスコット(Robert Falcon Scott 1868〜1912、南極点到達後に全員遭難死)が二番目の南極点到達を果たしています。

日本の南極観測は1910年(明治43)に行われた白瀬矗(しらせ・のぶ 1861〜1946、陸軍中尉)による南極探検隊がはじめてで、その時は南緯80度5分、西経165度37分まで探検した後、一帯を大和雪原と命名、成功をおさめ帰国しました。白瀬隊は南極点には未到着でしたが全員無事帰還できたことで国際的にも高く評価されています。白瀬は南極探検以前の明治26年(1893年)、郡司成忠(ぐんじ・しげただ 1860〜1924、幸田露伴の実兄、海軍大尉)が率いる千島報效義会(ちしまほうこうぎかい、千島探検隊)に加わり千島列島の最北の占守(シュムシュ)島に到着、同年から翌年にかけ越冬しました。さらに郡司の要望により白瀬は同島で小人数による二度目の越冬をしましたが、食糧不足など苛酷な越冬であり郡司と白瀬の間には確執が残りました。晩年の白瀬は南極渡航に要した借金の弁済に追われ不遇な生涯を送ったようです。

第二次世界大戦後の1956年(昭和31)になって、1957年から1958年までの国際地球観測年(IGY=International Geophysical Year)の一環として第1次南極地域観測隊が観測船「宗谷」で南極へ向かい、1957年1月にオングル島に上陸し昭和基地を開設しました。以降、みずほ基地、あすか基地(閉鎖中)、ドームふじ基地(氷床の最高標高3810メートル)などの南極観測基地を設立して、この間、気象、電離層の観測、海底地形、海洋物理・化学に関する観測、測地観測などを行なっています。1959年(昭和34)には日本は12ヶ国による南極条約に調印しましたが、観測隊は1968年、南極点到達、1971年(昭和46)には「みずほ観測拠点」(現みずほ基地)でロケットによるオーロラ観測も行っています。1962年から1964年までを除き日本は毎年、観測隊を派遣しています。観測隊員は毎年通常60人程度、うち約40名が越冬します。

1956年(昭和31)の第1次南極地域観測隊以来、測量、測地は不可欠になっています。第1次越冬隊長、西堀栄三郎(にしぼり・えいざぶろう 1903〜1989)の著作「南極越冬記」のなかには測量についての記述が随所に見られます。越冬中に基地から離れた偵察行に際し西堀はつぎのように述べています。

南極を旅行するのに、たいせつな測量機械を持っていかないようなやつは、探検家の資格はないぞ、といった。 [西堀栄三郎:南極越冬記 岩波新書 1958 p197]

第一次観測隊の装備や観測機材は当時の国情とはいえ、旧式や性能の不十分なものが多かったようですが、西堀はウイルド社の経緯儀を絶賛しています。測量機のスケッチには、つぎの注記が添えられています。

ウイルド測量機はどんな寒いところでもなめらかにうごく。どこの観測隊でも使っている。 [同上 p210]

ボツンヌーテンは昭和基地の南西170キロメートル、南極大陸のリュツォホルム湾沿岸の標高1486メートルの山です。第一次観測隊は昭和基地から25日間をかけ調査と初登頂に成功しました。

ボツンヌーテンは登った。しかし南の山は見えなかった。わたしは一番に「天測やったか」と聞いた。「やりました。」「よし!!」わたしには頂上に登ったかということよりも、むしろ天測をやったかどうかの方が、重要に思えた。(中略)食糧がなくなって、いよいよこれが最後というときまでがんばった。その最後の日に、太陽が出て、天測に成功したのである。[同上 p214]

測地観測としては基準点測量、水準測量、重力・地磁気測定、GNSS(GPS)連続観測、写真測量による地形図作成などを行い、南極大陸での位置の基準を整備するとともに科学情報の蓄積に貢献しています。基準点測量では基準点の位置を正確に決定し、測量のための基準として地図の作成等に利用されています。南極での位置の決定は、初期の観測隊では天文測量によっていましたが近年はGNSSによる測量が主体となっています。世界共通の基準座標系である国際地球基準座標系(ITRF=International Terrestrial Reference Frame)にもとづく基準点の設置と既設基準点の測量成果を見直しています。

水準測量は、基準点に正確な標高を与えるための測量ですが、繰り返して測量を行うことで氷河の後退による地殻の隆起現象であるポストグレーシャルリバウンドにともなう地殻変動の検出も期待されています。水準路線は東オングル島と西オングル島水準測量を繰り返し行っています。

昭和基地におけるGNSS連続観測点は1995年(平成7)に設置され、以降連続観測をつづけています。観測データは、通信衛星を用いて自動的に日本へ毎日、伝送され解析されます。また、この観測点は昭和基地周辺の測量の原点として位置づけられており昭和基地に設置されているVLBI観測点とも連係されています。GNSSの連続観測によって、南極大陸の地殻変動の様相が明らかになってきたようです。

測地観測としては重力測定を第二次隊から行っています。 1991年(平成3)には昭和基地に重力計室が完成し、国際絶対重力基準点網の重力点が設置されてからは、絶対重力計による絶対重力を測定し、また露岩域では相対重力計を用いて重力異常を把握するため、基準点において精密重力測定を行っています。地磁気測定は露岩域の基準点で行い、1978年(昭和53)には南極磁気図を作成しています。航空磁気測定も行い地磁気異常を検出し、地下構造の解明に寄与しています。

南極での時間は散在する各国の観測基地では、その地点の経度を基準として各国で定めています。日本の昭和基地は東経約40度のため、協定世界時UTC(グリニッジ標準時)+3時間になっています。

1961年(昭和36)に発効した「南極条約」により、南極はどこの国の領土でもありません。南緯60度以南の領有権主張は凍結されており軍事利用、核実験なども禁止されています。南極ではありませんが北極圏内にあるスバールバル諸島は1920年(大正9)、第一次大戦直後に多国間で取り交わされた「スバールバル条約」では、主権はノルウェーが保有するものの領土ではありません。条約加盟国はノルウェー国民と同等の権利が与えられていますが軍事基地を置くことはできません。日本、米国、英国、ロシアなども加盟しています。

南極観測船での重力測定

南極大陸近傍の海域では観測船で船上重力測定が昭和基地との往復で実施されました。最初に船上での重力計の観測が行われたのは、観測船「ふじ」で第8次観測隊(1966〜1967)が行いました。ほぼ毎年定常的に船上重力測定が可能になったのは、旧観測船「しらせ」において第27次観測隊(1985〜1986)からで、当初は国産のNIPRORI−T型船上重力計が使用され、1987年(昭和62)からは同U型が使用されました。その後、2009年(平成21)から新観測船「しらせ」でMicro-g Solutions社の船上重力計を用いて、現在まで毎年、観測が行われています。

立川市の国立極地研究所に展示されている船上重力計は東京大学海洋研究所と国立極地研究所で共同開発したNIPRORI−U型といわれる重力計で、センサーとしては電磁式サーボ型加速度計を使用し、鉛直ジャイロスコープによってセンサーの姿勢を安定させます。写真右のケースの方が重力計本体で、写真左のケースはジャイロです。船舶は揺れるでジャイロによる船舶の姿勢データを重力計本体の制御部に送り、重力センサーが常に鉛直下向きになるようにして重力データを得ることができます。

南極でつかわれた測量機器の変遷

英領南極地域で1998年発行された切手には南極地方の測量使用された測量機器の変遷が表れています。1902/3年には経緯儀セオドライト、1949年には平板、1964年には測距儀テルロメーター(1950年代に南アフリカで製品化された初期の電波測距儀)、1981年には地球観測衛星ランドサット、1993年にはGPSが利用されたようです。年の表示は切手の内画面枠内の左下に小さく載っていますが、この年にどのような測量をしたのか不明です。英領南極地域は原住民はいませんが切手は観測隊員やこの地を訪れる旅行者にわずかに使用されるほか大部分は収集家のために販売されています。それぞれの切手の下の画像は測量の様子がよくわかるように部分拡大しました。



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