超伝導重力計とレーザー干渉計の同時観測

超伝導重力計とレーザー干渉計の同時観測

京都大学大学院理学研究科　竹本修三京都大学大学院理学研究科　竹本修三

（神岡地下施設におけるレーザー伸縮計を用いた地球ダイナミクスの研究）

100m Laser Strainmeter System

NEThe Optical Table 2

The Optical Table 1

The Data Acquisition System

The Optical Fiber Cable

CMG-3TSeismometer

①LS1 （ EW）

②LS2 （ NS-EW ）

③AbsoluteStrainmeter（ NS ）

Laser Strainmeter System

Kamioka Observatory

（（ Superconducting Superconducting GravimeterGravimeter ））

・・

・ CMG-3T seismometer

Ext.

EW

NS

Original Record

Drift

Atmospheric Pressure Response

Tidal Components

EW 　 Component

hPa/105 -10

Ext.

Atmospheric Pressure Response

Drift

Original Record

Tidal ComponentshPa/103 -10

Ext.

NS 　 Component

Data: ・ EW and NS direction linear strain data

obtained from LS1 and LS2 records

・ Atmospheric pressure data

(from June 12, 2003 to October 2, 2003: 113days)

Programs: ・ BAYTAP-G (Tamura et al., 1991)

A tidal analysis program

・ GOTIC2 (Matsumoto et al., 2001 )

A program for computation of solid earth tide

and oceanic tidal loading effects on lands

Tidal analysis

0.E+00

1.E-09

2.E-09

3.E-09

4.E-09

5.E-09

6.E-09

7.E-09

8.E-09

9.E-09

1.E-08

Q1(83.5%) O1(82.0%) P1(69.2%) K1(80.2%) N2(79.8%) M2(82.2%) S2(82.9%) K2(83.5%)

Tidal Constituents

Stra

in A

mpl

itude

Theoretically Expected Observed

Comparison of Observed and Theoretically Expected Tidal Constituents (EW)

0.E+00

1.E-09

2.E-09

3.E-09

4.E-09

5.E-09

6.E-09

7.E-09

8.E-09

9.E-09

1.E-08

Q1(104.3%) O1(97.2%) P1(84.5%) K1(97.1%) N2(90.3%) M2(91.5%) S2(88.0%) K2(86.4%)

Tidal Constituents

Stra

in A

mpl

itude

Theoretically Expected Observed

Comparison of Observed and Theoretically Expected Tidal Constituents (NS)

・ To explain the discrepancies, we investigated the topographic effects on tidal strain observation by applying the 3D-FEM program ANSYS ED (Cybernet Systems Ins.) to the strain data from June 12 to October 2 (113days).

3

2

1

33

23

13

32

22

12

31

21

11

3

2

1

e

e

e

T

T

T

T

T

T

T

T

T

e

e

e

The relationship between the regional homogeneous strain, the local strain at the observation site, and the topographic effects

StrainShear ,

Strain(NS)Linear ,

Strain(EW)Linear ,

33

22

11

ee

ee

ee

4.5km

×

●1km

N

E

Observatory(h=358m)

Atotsu-River

Takahara-River1.8km

h= － 2000m

×

3D Finite Element Model (243 Elements)

Poisson’s ratioσ = 0.283Young’s modulusE = 67GPa

4.5km

Contour Plot of T11

0.0 0.1-0.08 0.0 0.2-0.2

1.0 1.70.8

●●

●

845.011 T

006.021 T 076.031 T

h=358m

E

N

Contour Plots of T11, T21 and T31

Contour Plot of T31Contour Plot of T21

E

N

displacement

0.0 0.1-0.05

0.0 0.2-0.21.0 1.50.8

●●

●

011.012 T

901.022 T 045.032 T

Contour Plots of T12, T22 and T32

Contour Plot of T12

Contour Plot of T32Contour Plot of T22

E

Ndisplacement

h=358m

E

N

0.0 0.05-0.05

0.0 0.05-0.05

1.0 1.50.7

●●

●

025.013 T

009.023 T 877.033 T

Contour Plots of T13, T23 and T33

Contour Plot of T13

Contour Plot of T23 Contour Plot of T33

E

N

displacement

h=358m

E

N

Matrix representing the topographic effects around the observation site obtained from 3D-FEM analysis

877.0

009.0

025.0

045.0

901.0

011.0

076.0

006.0

845.0

33

23

13

32

22

12

31

21

11

　 　　 　

T

T

T

T

T

T

T

T

T

3

2

1

33

23

13

32

22

12

31

21

11

3

2

1

e

e

e

T

T

T

T

T

T

T

T

T

e

e

ee

StrainShear ,

Strain(NS)Linear ,

Strain(EW)Linear ,

33

22

11

ee

ee

ee

0.0E+00

2.0E-09

4.0E-09

6.0E-09

8.0E-09

1.0E-08

1.2E-08

Q1 O1 P1 K1 N2 M2 S2 K2

Tidal Constituents

Stra

in A

mpl

itude

Theoretically Expected (Before the topographic effects compensation)Theoretically Expected (After the topographic effects compensation)Observed

Comparison between Observed and Theoretically Expected Tidal Constituents (before and after the topographic effects compensation)

EW

0.0E+00

2.0E-09

4.0E-09

6.0E-09

8.0E-09

1.0E-08

1.2E-08

Q1 O1 P1 K1 N2 M2 S2 K2

Tidal Constituents

Str

ain

Am

plit

ude

Theoretically Expected (Before the topographic effects compensation)

Theoretically Expected (After the topographic effects compensation)

Observed

Comparison between Observed and Theoretically Expected Tidal Constituents (before and after the topographic effects compensation)

NS

0.0E+000

1.0E-007

2.0E-007

3.0E-007

4.0E-007

5.0E-007

6.0E-007

7.0E-007

8.0E-007

10/39/2008/3108/117/227/26/12 940 950 960 970 980 990

ST

RA

IN

AT

MO

SP

HE

RIC

PR

ES

SU

RE

[h

Pa]

ひずみデータ・気圧データ （ 2003 年 6 月 12 日～ 10 月 2 日： 113 日間）

ext. EW

NS

気圧 台風

0.0e+000

1.0e-008

2.0e-008

3.0e-008

4.0e-008

5.0e-008

08/1208/118/108/98/88/78/68/58/48/3 940 950 960 970 980

ST

RA

IN

AT

MO

SP

HE

RIC

PR

ES

SU

RE

[h

Pa]

EW

NS

気圧

台風時におけるひずみ変化と気圧変化

ext.

8 月 9 日 12時

年日月時 ( )北緯 度 ( )東経 度 (hPa)中心気圧2003 08 07 15年 月 日 時 27.5 128.5 9452003 08 07 18年 月 日 時 28.0 129.0 9452003 08 07 21年 月 日 時 28.4 129.5 9502003 08 08 00年 月 日 時 28.8 130.1 9502003 08 08 03年 月 日 時 29.4 130.8 9502003 08 08 06年 月 日 時 30.0 131.5 9502003 08 08 09年 月 日 時 30.7 132.0 9502003 08 08 12年 月 日 時 31.5 132.7 9502003 08 08 15年 月 日 時 32.1 133.1 9502003 08 08 18年 月 日 時 32.7 133.6 9502003 08 08 21年 月 日 時 33.2 134.0 9502003 08 09 00年 月 日 時 33.7 134.4 9552003 08 09 03年 月 日 時 34.2 134.8 9652003 08 09 06年 月 日 時 34.7 135.4 9702003 08 09 09年 月 日 時 35.5 136.1 9752003 08 09 12年 月 日 時 36.5 137.4 9802003 08 09 15年 月 日 時 37.4 138.8 9852003 08 09 18年 月 日 時 38.4 140.0 9852003 08 09 21年 月 日 時 40.0 141.2 9852003 08 10 00年 月 日 時 41.4 142.4 9852003 08 10 03年 月 日 時 42.8 143.7 9842003 08 10 09年 月 日 時 44.7 146.9 984

2003 年台風 10 号の実際の進路と中心気圧

8 月 9 日 0時

8 月 8 日 0時

8 月 10 日 0時

（気象庁のホームページよりhttp://www.data.kishou.go.jp/bosai/report/2003/20030807/20030807_d.html ）

台風位置表

Kamioka Obs.

-50

-40

-30

-20

-10

0

0 500 1000 1500 2000

仮定する台風の気圧勾配

p=p0 （ 1+r/r0 ） -3/2 [TRUBITSYN and MAKALKIN, 1976]

（ p0 は中心の気圧 =-50hPa, r0 は p が約 1/3 になる距離=500km ）

p[hPa]

r[km]

p0 =-50hPa

r0 =500km

ext.

1000

996

992

1004

1008

（気象庁のホームページより，

http://www.jma.go.jp/JMA_HP/jma/press/0308/13b/t0310.pdf ）

実際の台風と使用したモデルの気圧分布の比較

モデル（ P0 =-38hPa ， r0 =400km ）実際

-5.0e-009

0.0e+000

5.0e-009

1.0e-008

1.5e-008

2.0e-008

2.5e-008

0 500 1000 1500 2000

r[km]

ext.

rと ε ｒ ， εθ の関係（計算結果）

ε ｒ

εθ

（ P0 =-50hPa ， r0 =500km ， μ=25.1GPa ， ν=0.283 ）

-50

-40

-30

-20

-10

0

-2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000-2000-1500

-1000-500

0 500

1000 1500

2000-50

-40

-30

-20

-10

0

p[hPa]

[km]

[km]

仮定する台風の気圧勾配（ p0 =-50hPa ， r0 =500km ）

rε ｒ

εθ

-5.0e-009

0.0e+000

5.0e-009

1.0e-008

1.5e-008

2.0e-008

2.5e-008

3.0e-008

3.5e-008

08/1208/118/108/98/88/78/68/58/48/3

-5.0e-009

0.0e+000

5.0e-009

1.0e-008

1.5e-008

2.0e-008

2.5e-008

3.0e-008

3.5e-008

08/1208/118/108/98/88/78/68/58/48/3

EW

NS

ext.

観測値

計算値

観測値

計算値

ext.

1.4×10-8

1.4×10-8

台風の荷重影響の観測値と計算値の比較

100m Laser Strainmeter in Kamioka（ Resolving Power ：１０－１３）

◎Free Core Nutation （１ｘ１０－１１ ）

◎Incessant Excitation of the Earth’s Free Oscillations （１ｘ１０－１２ ）

○ Seismic Core Modes （１ｘ１０－１２ ）

△Core Undertone （１ｘ１０－１３ ）

△Slichter modes （１ｘ１０－１３ ）

　　　　

100m Laser Strainmeter System+ Superconducting Gravimeter

• Continuous Excitation of Earth’s Free Oscillation • Separation of “Spheroidal 　 Modes” and 　“ To

rsional Modes”• Slichter triplet: （１ｘ１０－１３ ） (PREM) r

etrograde (4.77h), central(5.31h), prograde(5.98h)

• Core Undertones （１ｘ１０－１３ ）