地震の救世主：地震計の歴史

スノー著

地震計は地震波を検知し記録する機器です。地震計（または地震計）、コレクター、電源システムで構成されています。地面の動きを電気信号に変換するセンサーを搭載しており、紙や画面に出力することができます。地震計はもともと自然発生する地震の位置を特定するために設計されましたが、技術が進歩するにつれて、石油探査、地殻調査、火山活動の監視など、他の多くの分野でも使用されるようになりました。

私たちが最もよく知っている地震計は、教科書にも載っている「後峰地震計」でしょう。これは、後漢時代の132年に張衡によって設計され、製造され、もともと『後漢書・張衡伝』に記録されています。実際、この文書には、Houfeng 地震計について記述した単語が 196 語しかありません。私たちが目にする模型（写真）は、後世の人々が歴史的記録に基づいて復元したもので、復元計画についてはいまだ議論が続いています。しかし、この古代の発明は人類が地震を監視するための最も古い装置であると考えられています。

近代地震計の初期の歴史

人々は早くから、振り子を使って地震を検知できることを発見しました (後豊地震計の復元でも吊り下げ振り子が使用されていました)。同じ位置に吊り下げられた物体は地面の動きをはっきりと示すことができるからです。現代の地震計は19世紀に発明されました。 1855 年、イタリアの物理学者ルイージ・パルミエリは、導電装置、時計、記録装置に接続された水銀で満たされた U 字型のチューブで構成される複雑な機械装置を設計しました。地震の際の水銀の動きを利用して、地震の時間、相対的な強度、継続時間を記録することができます。しかし、パルミエリの発明は現代の地震計の原型ではなかったが、地震を検知するだけでなく、現代の地震計に求められる機能を果たした。

【図1】ルイジ・パルミエリの地震計の概略図

現在、学界で認められている最初の近代的な地震計は、1875 年に誕生しました。これは、イタリアの物理学者フィリッポ・チェッキによって発明された 2 次元地震計 (南北および東西成分) でした。彼はまた、地震をシミュレートするために、時間経過とともにその動きを記録できる振り子も使用しました。この装置はあまり感度が高くなかったものの、アナログ地震計の時代の先駆けとなりました。

当時日本で研究していた数人の学者から重要な進展がもたらされました。 1880 年の横浜地震の後、イギリスの技術者ジョン・ミルン (張衡の地震計も綿密に研究した)、スコットランドの物理学者ジェームズ・アルフレッド・ユーイング、スコットランドの技術者トーマス・グレイが日本地震学会を設立し、一連の地震計装置を開発しました。ミルンは有名な水平振り子式地震計を発明し、日本におけるいくつかの地震を記録することに成功しました。特徴は、光を細いスリットに通して感光紙に当て、地震の動きを光で「記録」すること。ユーイングは減衰地震計を設計しました。減衰地震計は地震の動きを自由に揺れることなく記録する機器であるため、地震計の主要コンポーネントの 1 つです。グレイは垂直方向の動きを記録する方法を発明し、それが三軸振り子地震計の発明につながりました。この時点で、現代の地震計は基本的に完成しました。イギリスに戻った後、彼らはこれらの機器を使用して小規模な世界規模の地震観測網を構築しました。

【図2】ミルン地震計の模式図

【図3】東京国立科学博物館に展示されているミルン水平振り子地震計

その他の重要な初期の研究としては、1893年にドイツの物理学者エミール・ヴィーヘルトが発明した倒立振子式減衰地震計や、1906年にロシアの物理学者ボリス・ボリソビッチ・ゴリツィンが発明した電磁地震計などがあり、これらは検流計を初めて導入し、感度を大幅に向上させ、完全な三次元観測システムを実現しました。その後の数十年で、アナログ地震計の技術は急速に進歩し、現代の地震学の発展につながりました。地震学の基本原理はミルンらの研究に由来しており、ミルンを現代地震学の父と呼ぶ人もいます。

【図4】ヴァイヒェルト地震計（左）とガリツィン地震計（右）

【図5】鉛直地震計の模式図

現代の地震計

1950年代、核実験の悪影響と、当時の地震学研究が小規模な地下核実験を監視するには不十分であったことから、1960年に世界標準地震観測網（WWSSN）が誕生し、地震計が大規模に使用されるようになりました。同時期に半導体やコンピュータ技術が急速に発展し、信号を増幅し（電子フィードバック技術）、コンピュータでデータを処理できるデジタル地震計が開発されました。

【図6】STS-1地震計

1976年、スイスの科学者は初めて力平衡フィードバック地震計（STS-1地震計）を開発しました。これにより、周波数帯域が大幅に広がり、ダイナミックレンジが向上し、コンピューターの保存と表示機能が実現しました。特に、力バランスフィードバックシステムは、今日のほとんどの地震計の中核部分です。実際、現代の地震計は主に地震計（広帯域、大規模な動的フィードバック）と高解像度のデジタルレコーダーで構成されています。

力平衡フィードバック地震計の原理：フィードバック力は慣性力とバランスしており、フィードバック電流は地面の振動の加速度に比例します。機器の全体的な応答と出力は、機械システムやトランスデューサの要因ではなく、主にフィードバック ネットワークのパラメータによって決まります。

【図7】STS-2地震計は他の地震計を校正するための標準装置である

【図8】我が国のBBVS三成分統合力平衡地震計

地震計には他の形式もあり、特に近年利用可能になった光ファイバー地震計が有名です。光ファイバー地震検知は、監視されるノイズ信号が地震波に似ていることからもともと開発されました。地震波は光ケーブルにミクロンレベルの変化を引き起こす可能性があり、受信データから地震波によって乱されたポイントを測定することができます。光ケーブルの一端に信号送信機を設置してレーザーパルスを発射し、光ファイバー内の不純物による後方散乱信号を利用して地表面の振動情報を抽出します。分散型光ファイバーセンシング技術は、数キロメートルの通常の光ファイバーを瞬時に数千の地震計に変換し、地下の高密度監視を容易に実現します。現在、我が国はこの技術を西東ガス輸送システムプロジェクトに適用しています。

【図9】海底光ファイバーネットワークは地震監視に利用可能

地球に加えて、月や火星の探査機にも専用の地震計が搭載されており、人類に地球外の世界に関する豊富な情報を提供しています。

今日では、地震計は非常に静かな場所でも1000万分の1センチメートルほどの小さな振動を検知することができ、地震の監視において大きな進歩を遂げています。より優れた監視機器とより包括的な地震科学があれば、地球の変化をよりよく理解し、災害により適切に対応できるようになります。もちろん、備えとして緊急時の知識を学ぶことも忘れないでください。

参考文献

https://en.wikipedia.org/wiki/地震計#その他の形式

https://www.britannica.com/science/seismmograph/Basic-principles-of-the-modern- seismograph

https://mp.weixin.qq.com/s/LDEiTRROPKYHEIXTDPb8w

https://mp.weixin.qq.com/s/O3qfQXDMaSH6GJ-VkWNkzq

王希珍、滕雲天。地震センサーの新技術と開発。地球物理学の進歩。 2010.25(2):478~485 馮睿、興味深い地震学(25):張衡が歴史を書き換えた。地震科学の進歩、2021、51(1):

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