地球重力場観測 新谷昌人 ( 東大地震研究所 ) Decigo-ws (2008/4/16)
人工衛星による地球重力場観測 人工衛星の軌道から地球重力場を検知 GPS ・地球重力場の研究 ・水の監視 （地下水、氷床） ・地殻変動の監視 （地震、火山噴火） -> 地球環境監視
海外の重力ミッション CHAMP ( 独 ), GRACE ( 米・独 ) ・・・ 地球重力場の精度向上、質量変動 ( アマゾン陸水の 季節変動 ) 検出 GRACE
GRACE 衛星で検知された重力 場の季節変動 アマゾン地域の重力変化は 「水」によるものと考えられる。
2004 年 スマトラ島沖地震
GRACE で観測された重力場の変化 （ 2004 年スマトラ島沖地震の前後）
重力ミッション用衛星 ・ drag-free 衛星 ＋ GPS 受信機（位置情 報） あるいは ・通常衛星 ＋ GPS 受信機（位置情報） ＋ 加速度計（ drag の検 知）
加速度計による非重力擾乱の補正 非重力擾乱 ・・・ 大気抵抗、太陽・地球輻射圧 (10 -6 ～ m/s 2 ) 衛星 軌道の drag -> 衛星搭載加速度計で 非重力擾乱を検知、 drag を補正 精度～ m/s 2 （ 0.1mm/ 周回に相当）
GPS 掩蔽観測 対流圏・成層圏 ( 温度・湿度など ) 電離層 ( 電子密度分布 ) GPS/TEC 観測 プラズマ圏 ( 電子密度 ) 電離層トモグラフィ 軌道擾乱観測 大気ドラッグより大気 密度を測定 ( km) X X X X X 科学目的 雪氷圏 ( 氷床・氷河 ) 海洋 ( 深層流、大気荷重応答 ) 陸水 ( 水循環、土壌水分 ) マントル ( ポストグレーシャル リバウンド ) 軌道変動から 地球重力場測定 軌道変動から 地球重力場測定 GPS 衛星 GPS 海面反射 海面高度分布 波浪・海上風測定
「日本版衛星重力ミッション」の提案 海外のミッション ・・・ 少数精鋭、高コスト 日本版（ GPS ＋加速度計） ・・・ 小型低軌道 (LEO) 衛星、低 コスト・多数 -> 時間・空間分解能の向上、開発・打ち上げ期間 短縮 イメージとしては・・・「衛星重力アレイ」 ・ GPS 受信機と加速度計のユニット ( 小型軽量、高性能、低価格 ) ・ (50kg 程度 )LEO 衛星を複数台 今後の地球周回衛星にも標準搭載 ・小型 LEO 衛星網を用いた高時空間分 解能での地球観測 水資源探査、天気予報・気候変動予測、 海面変動、宇宙天気予報などに貢献
CHAMP の加速度計 ・・・ 静電容量センサ・アクチュエータ
加速度計の構成 ・参照 ( 浮上 ) マスの位置・姿勢を複数の レーザー干渉計で計測 ・参照マスの重心における並進および回転 ( 計 6 自由度 ) の加速度を同時検出 ・レーザーの波長を基準に加速度計を 自己校正 ・最大検知加速度 m/s 2 ・分解能 m/s 2 ・サイズ 10cm×10cm×20cm 程度 ( 加速度 計本体＋光源・制御部 ) ・重量 5kg 程度 ・消費電力 20W 以内
開 発 状 況 浮上マスの制御実験 高温超伝導磁気浮上装置 (1) レーザー干渉計測を利用した加速度計 ・・・ 地上型加速度計の 埋設性能試験 基本動作の検証、雑音レベルの評価 (2) 磁気浮上マスの姿勢制御テスト ・・・ 2 自由度での浮上マスの制御 高温超伝導磁場中で浮上した永久磁石を静電アクチュエーターで 姿勢制 御 レーザー干渉計式加速度計
浮上体の位置を optical に検出して、姿勢制御する 超伝導磁場で浮上した永久磁石 ・・・・着磁や荷重等の条件で X,Y 方向 の 柔らかさが変わる 無重力環境の浮遊 ( 非束縛 ) マス 制御を simulate 磁気浮上試験 ・・・
DPF 開発における共通技術 ・レーザー干渉計をセンサーとしたマスの位置検出・制御 （ハウジング Local Sensor の高精度化）
マイケルソン干渉計の ユニット化 ・・・ 小型化、安 定化 レーザー干渉計式地震計
まとめ 地球重力場観測 ・ GPS 受信機と加速度計 or drag-free 衛星があれば 地球重力場の観測が可能 ・重力と GPS 掩蔽などにより質量分布変動をグローバルに監 視 気象予報、気候変動、水資源の監視、超高層大気物理 地球重力場、地震・地殻変動 ・ＤＰＦ開発では，ハウジングにおける マスの位置検出・制御が共通技術（協力体制） ・ＤＰＦの地球重力場の影響の見積もりやＤＰＦを用いた 地球科学の可能性 -> 地物重力グループとの連携