海洋測地観測

海洋測地網

南西諸島、南方諸島などの離島の位置は明治以降、天測により求められていましたが、1973年(昭和48)頃から、海上保安庁水路部(現海洋情報部)では米海軍航行衛星NNSS(Navy Navigation Satellite System)による測地観測で求めました。NNSSは人工衛星から発信される電波のドプラー効果を利用して位置を測定するシステムです。その後「領海」や「排他的経済水域」の確定のため、本土と離島の位置を正確に決定することを目的として、1980年(昭和55)から海洋測地網の整備を行い、日本列島の精密位置を海図に反映しました。NNSSは位置決定に時間がかかるなど欠点がありましたが、GPSの普及とともに1998年(平成10)に廃止されました。

海洋測地基準点観測(一次基準点観測)では和歌山県那智勝浦町にある海上保安庁下里水路観測所と主要な離島で測地人工衛星をつかい基準点の位置を精密に求めました。下里水路観測所には「本土基準点」と固定式レーザー測距装置を設置し、主要な離島などには「一次基準点」と可搬式レーザー測距装置を設置して、測地人工衛星「ラジオス」(LAGEOS=Laser Geodetic Satellite 1976年(昭和51)米国打ち上げ)や「あじさい」(1986年(平成8)打ち上げ)などの同時観測を行いました。また離島の経緯度観測は主な離島と最寄りの一次基準点の双方にGPSを設置して相対位置を精度よく求めました。一次基準点におけるレーザー測距観測は海洋測地網の確立という所期の目的は達成されたので現在は観測を終了しています。しかし海洋測地網の維持確認のため日常、本土基準点の位置測定を測地衛星のレーザー測距観測により行い、一次以下の基準点についてはGPSを用いて不定期に測量を行うことがあります。

海上保安庁下里水路観測所

下里水路観測所(地形図:下里)は和歌山県南端の那智勝浦町、JR紀勢本線下里の東2キロメートルの高台にあり1954年(昭和29)に開設されました。かつては星食(月など天体が恒星や惑星を覆い隠す現象でこれによって月の運動や地球の自転の遅速がわかります)などの天文観測も行われていましたが、近年は測地衛星の観測が主になっています。

測地衛星を利用した観測は太陽光を反射する衛星を写真撮影して背景にある恒星との位置関係から角度(方向)を測定し、地上から衛星へ発射したレーザ光パルスの往復時間を求めることにより距離の測定を行います。これにより立体的な三角測量ができるわけです。地上2点間の測地は衛星の距離と方向を2点から同時に光学観測することによって行います。

観測所屋上の入出力装置は観測時には覆いをスライドし上空に向けます。4台の望遠鏡から構成され左から肉眼観測用のガイド望遠鏡、レーザー光を送出する口径17センチメートルの送信望遠鏡、大きな鏡胴は衛星で反射した光を受信して増幅する光電子増倍管を装填した口径60センチメートルの受信望遠鏡でその上にCCD受像カメラの望遠鏡が載っています。このレーザ光は皮膚にあたる程度では害はありませんが眼に直接入ると重症になり、とくに下里上空は航空路にあたることからレーザー照射中は航空機のパイロットや乗客に支障がないよう立哨により監視されています。照射範囲に航空機が入るおそれがあれば直ちに発信を停止します。また発射前には数キロメートル離れた地上の送電鉄塔上の反射板に照射して測距の校正を行います。レーザー光は波長が短いので夜間は緑色に見えます。緑色光線の写真は2009年(平成21)3月14日18時47分に撮影したものです。

屋内の制御室にあるレーザー光源はYAGの結晶で波長は532ナノメートルあり、パルス間隔は1秒間に5回、パルス幅は100ピコ秒(ピコ=10のマイナス12乗)です。1500キロメートルの上空ではレーザービームは数百メートルの範囲に広がります。

下里水路観測所にはかつて可搬式レーザー測距装置が設置されました。その基礎が残存されています。基礎上には数点マーカーがあり直径8センチメートルの「測点標識 海上保安庁 水路部」と刻字のある金属標や直径5センチメートルの「人工衛星観測点」と刻字のある金属標が見られました。

人工衛星とレーザーを利用した測距をSLR(Satellite Laser Ranging)といいます。SLR専用の測地衛星は1986年(平成8)に打ち上げられた日本の「あじさい」のほかフランスのStarlette(1975年)、Stella(1993年)、米国のLAGEOS(1976年、2号機は米、イタリア共同1992年)、ロシアのEtalon(2機、1989年)、LARETS(2003年)などがあります。衛星には反射プリズムを取り付けるだけですみ電源や制御機器は搭載していないので半永久的に回りつづけます。

測地衛星「あじさい」

測地衛星「あじさい」は1986年(平成8)に宇宙開発事業団(現宇宙航空研究開発機構JAXA)のH−Tロケットにより打ち上げられました。EGP(Experimental Geodetic Payload)ともEGS(Experimental Geodetic Satellite)とも呼ばれています。高度は約1500キロメートル、軌道は地球の重力の分布が単純でないので完全な円にはなりませんが円軌道に近くなるように設計されています。軌道周期は約2時間です。

衛星本体は直径2メートル程度の球状の多面体で重量は約700キログラムあります。本体はグラスファイバーのプラスチック(GFRP:Glass Fiber Reinforced Plastics)で表面は太陽光反射用のアルミニウム蒸着鏡面318個と石英ガラスでつくられたキューブ・コーナー・リフレクター(CCR:Cube Corner Reflector、Corner Cube Reflectorとも)といわれるレーザ反射体12個で覆われています。写真撮影のためには4等星以上明るさが要求されましたが、観測瞬間に寄与できる面が少ないので断続的に輝くミラーボール型に設計されました。CCRは3面の鏡をたがいに直交するように置かれ、どの方向から入射した光(レーザ光)でも3面で反射させて入射方向に光を跳ね返すことができます。1969年以降のアポロ計画で宇宙飛行士が月面においてきた鏡とおなじです。この衛星は通信アンテナや太陽電池のような電力系、推進系も搭載されていないので、衛星の状態は極めて安定しており、現在も海上保安庁海洋情報部や国土地理院などで活用されています。[橋本英一ほか:測地衛星「あじさい」の開発と観測による測地学への貢献 「測地学会誌」58巻1号 日本測地学会 2012 p9−25]

本土基準点

水路部が構築した海洋測地網の基準点は日本周辺に設置され海洋測地基準点といいます。海洋測地網の原点となる「本土基準点」は1953年(昭和28)に開設された和歌山県那智勝浦町の下里水路観測所(地形図:下里)にあり本館裏のGPS受信装置下に見られます。一辺30、地上高さ53センチメートルの巨大な花崗岩で上面には+が刻印され南面は「海上保安庁 水路部」、東面は「昭和五十五年十月」と刻字があります。世界測地系での位置は北緯33°34.6′、東経135°56.2′、標高63メートルと公表されています。

本土基準点は1982 年(昭和57)以来、米国の測地衛星「ラジオス」、また近年は日本の測地衛星「あじさい」、フランスの測地衛星「スターレット」、「ビーコン」などの定常観測を行うことによって正確な世界測地系にもとづく位置が求められています。下里における永年の観測から本土基準点の位置が北北西に毎年約3センチメートル移動していることが判明しています。

海洋測地網の根幹、「一次基準点」は本土と離島に設置され本土基準点と結合、「二次基準点」は主に離島に設置され一次基準点と結合することで位置が求められてきました。一次基準点はすべて標石ですが二次基準点は標石以外に金属標や国土地理院の三角点も利用されています。一次基準点は南鳥島、沖縄、対馬、隠岐諸島、十勝、硫黄島、稚内、八丈島、男鹿、銚子、美星、石垣島、南大東島、枕崎、父島の15ヶ所、二次基準点は離島など約70ヶ所に設置されています。[海上保安庁水路部:本土海洋測地基準点座標値の決定「水路部観測報告 衛星測地編」No.13 2002.1 海上保安庁HP]、[海上保安庁水路部:海洋測地成果2000に基づく海洋測地基準点座標値「水路部観測報告 衛星測地編」No.14 2002.3 海上保安庁HP]、[海上保安庁海洋情報部:世界測地系による海洋測地基準点座標値「海洋情報部観測報告 衛星測地編」No.15 2003.3 海上保安庁HP]

銚子 天王台の一次基準点

千葉県銚子の犬吠崎近傍に地球展望台(愛宕山、地形図:銚子)がありますが、そのすぐ西にある「ふれあい広場」の南西端の芝生の中、フェンス寄りに見られます。フェンスの外は緩やかな丘陵地でキャベツ畑になっています。

標石は一辺20、地上高さ26センチメートルで北面は「海上保安庁 水路部」、西面には「平成八年一月」、上面は一画7.5センチメートルの「+」が彫られています。1981年(平成8)に設置された「海洋測地一次基準点」です。下里の本土基準点から測地人工衛星を介して位置が求められています。

宮古島 平安名埼灯台の二次基準点

平安名埼(へんなざき)灯台(地形図:東平安名岬)は宮古島の東端、東平安名岬の突端にある灯台です。すばらしいエメラルドグリーンの海が広がっています。この灯台は1967年(昭和42)に設置、初点灯されました。当初は東平安名埼灯台と呼ばれ琉球政府が管理していましたが、1972年(昭和47)の本土復帰にともない海上保安庁に引き継がれ名称も平安名埼灯台に改名されました。現在は24メートルの灯台の上まで登ることができます。灯台からは北に東シナ海、南に太平洋と絶景を眺望できます。

標石は 灯台建屋の東北角から5メートルのところにあります。一辺20、地上高さ40センチメートルで南面は「海上保安庁水路部」、東面には「昭和五十六年六月」、上面は「+」が彫られています。この標石は基本水準標(HBM)でも境界標石でもないように思われ海上保安庁海洋情報部にお尋ねしたところ1981年(昭和56)に設置した「海洋測地二次基準点」とのことでした。石垣島の一次基準点から位置が求められています。設置当初は米国海軍航行衛星システムNNSSにより位置が測定されていたようです。

建屋の東南約20メートルには別の標石があり一辺12、地上高さ20センチメートル、北面に「国土交通省」と彫られており灯台の境界標石と思われます。

情報通信研究機構 宇宙光通信施設

小金井市にある独立行政法人情報通信研究機構(NICT)でも宇宙光通信の実験を行っています。1994年(平成6)に口径1.5メートルの望遠鏡をもちいて地上から4万キロメートル離れた静止衛星「きく6号」とレーザー光で結ぶ実験に世界ではじめて成功、その後2006年(平成18)、高度600キロメートルを周回する衛星「きらり」との間で光通信に成功しました。地上からのレーザー光は20センチメートルの望遠鏡から送出し、衛星からの光は1.5メートルの望遠鏡で受信しています。いずれの望遠鏡も一体になっており高速に移動する衛星を追尾することができます。

アルチメーター衛星

アルチメーター衛星は海面の起伏を測定し、ジオイドや海洋環境の研究に用いられています。人工衛星に搭載されたマイクロ波レーダーにより衛星と海面の距離を測り、一方、衛星に搭載されたGPS受信機によって地球楕円体からの衛星の距離を求め、差引して楕円体から海面までの高さを求めます。このようにして高さを測るセンサーをアルチメーター(Altimeter 高度計、衛星海面高度計とも)といいますが、陸地の高さを求めるには適していません。衛星直下にに向けて照射されたマイクロ波は地表の細かい斜面にあたると斜めに反射してしまい、正確に信号が受信できなくなるからです。マイクロ波のかわりにレーザー光をつかうレーザー高度計も開発されています。

海底地殻変動観測

海上保安庁では巨大地震が予測される海域、たとえば日本海溝や南海トラフ沿いに海底基準点を設置し、音響測距観測とGNSS観測により、海底の動きをセンチメートルレベルで測定しています。

この観測システムは海底基準点、測量船、GNSS衛星と陸上基準点からなり、海底基準点は測量船の船底にある音響トランスデューサから発信される音響信号を受信し、約1秒後にそのまま送り返します。測量船では海底から返ってきた音響信号を音響トランスデューサで捉えて海底基準点と測量船の距離を求めます。測量船の位置はGNSSによって測定されるので、測量船を介して海底基準点と陸上基準点との位置関係が明らかになります。各海底基準点は3、4個の海底地殻変動観測機から成り立ち、各観測機には音波の送受信機と電池などが耐圧ガラス球内に納められています。

音波探査装置

水中で人工的に強力な音(弾性波)を発振させ、海底面や地層の境界からの反射波を受信して海底下の状態を調べる装置です。音波探査装置は音の発振装置(エアガン)、海底で跳ね返ってきた音波の受信装置(ハイドロホン)、データ収録装置で構成されています。データを解析することで、海底下十数キロメートルまでの地層の状態や断層の入り方など地下の構造がわかり海底資源の開発にも利用されます。

海底地震計

海底で地震観測を行うためには地震計を収納して水圧に耐える容器と得られたデータを地上まで送る手段が必要となります。海底地震計は海底の動きを捉えるセンサー、信号増幅器、記録装置、時計、電池などが直径40、厚さ1.5センチメートルのガラス球に納められています。自己浮上式海底地震計(OBS=Ocean Bottom Seismometer)は自力で海底まで沈み、回収は音波で信号を送り錘をとりはずすとガラス球の浮力で海面に現れます。

高槻市にある京都大学防災研究所阿武山(あぶやま)観測所は1930年(昭和5)、阿武山地震観測所として創設されました。1990年(平成2)、防災研究所に統合され現観測所になっています。創設以来、使用された数々の地震計が展示されており、海底地震計もあります。


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