JPWO2020194560A1 - 津波検出システム及び津波検出方法 - Google Patents

Abstract

津波検出システム（１）は、沖合の津波をリアルタイムに検出することが可能に構成されるものである。津波検出システム（１）は、検出器（Ｄ）と、解析部（１１）と、を有するものとして構成されるものである。検出器（Ｄ）は、海面下に設けられており、海面から海中を通過したミューオンを検出することが可能である。解析部（１１）は、検出器（Ｄ）で検出されたミューオンのフラックスの変動に基づいて、検出器（Ｄ）の設置位置において津波が発生したことを検出する。

Description

本発明は、津波検出システム及び津波検出方法に関する。

海洋等で発生した地震によって津波が引き起こされることは広く知られている。なるべく津波が沖合にあるときに津波の発生とその高さを観測できれば、早期に警報を発信して津波による被害を軽減することができる。

特許文献１には、沖合の海中に設置された水圧取得手段に海水を導入して設置箇所の水圧を取得し、海岸の近傍に設置された、管路により水圧取得手段と接続される水位観測手段が、取得した水圧に基づいて水圧取得手段の設置箇所の海水面の位置を観測する津波観測システムが提案されている。

特開２００８−１０７２２５号公報

特許文献１では、管路を通じて海水を水圧取得手段から水位観測手段に導いている。そのため、水圧取得手段を多数設置しようとすると、その分だけ管路を敷設しなければならない。また、津波は数百ｋｍ以遠の沖合で生じた地震によって引き起こされることも有るので、津波の検知はなるべく沖合で行うことが望ましい。しかしながら、こうした沖合まで管路を敷設することは、実質的に困難である。さらに、遠方まで管路を敷設できたとしても、沖合の水圧取得手段での水圧の変動が水位観測手段まで伝搬するには時間を要するため、津波をリアルタイムで観測することは難しい。

本発明は上記の事情に鑑みて成されたものであり、本発明の目的は、沖合の津波をリアルタイムに検出することを目的とする。

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本発明の一態様にかかる津波検出システムは、海面下に設けられ、海面から海中を通過したミューオンを検出可能な検出器と、前記検出器で検出された前記ミューオンのフラックスの変動に基づいて津波を検出する解析部と、を有するものである。

本発明の一態様にかかる津波検出方法は、海面下に設けられ、海面から海中を通過したミューオンを海面下で検出し、検出した前記ミューオンのフラックスの変動に基づいて津波を検出するものである。

一実施の形態によれば、沖合の津波をリアルタイムに検出することができる。

実施の形態１にかかる津波検出システムの構成例を説明するためのブロック図である。 実施の形態１にかかる津波検出システムの検出器及び解析部の配置例を示す図である。 津波が発生していない場合のミューオンのフラックスの観測例を示す図である。 津波が接近した場合のミューオンのフラックスの観測例を示す図である。 津波が到達した場合のミューオンのフラックスの観測例を示す図である。 引き波が生じた場合のミューオンのフラックスの観測例を示す図である。 実施の形態２にかかる津波検出システムの構成を模式的に示す図である。 上方から見た場合の複数の検出器の配置を示す図である。 監視領域に津波が到達した場合の潮位の変動の二次元マッピングを示す図である。 第１のタイミングよりも後の第２のタイミングにおける潮位の変動の二次元マッピングを示す図である。 実施の形態３における潮位の変動の二次元マッピングを示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。各図面においては、同一要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略される。

実施の形態１
本実施の形態にかかる津波検出システムでは、ミュオグラフィー技術を用いている。ミュオグラフィーは、天空から降り注ぐ宇宙線ミューオンを線源としており、ミューオンの高い透過性を利用することで、観察対象物の内部を非破壊で観察・可視化することができる技術である。

ミュオグラフィーでは、観察対象物を通過したミューオンの数を、検出器を用いて測定する必要がある。検出器に入射するミューオンの経路は、検出器の天頂方向を基準軸とした場合の天頂角θと地平面における方位角φとを用いて表すことができる。観察対象物を通過したミューオンは、その飛行経路に存在する物質の密度に応じてエネルギー損失量が変化する。エネルギー損失が大きくなると、観察対象物の原子核による散乱によって飛行経路が大きく変化し、検出器から外れた飛行経路を辿ることになる。これはミューオン数の減少として観測される。

したがってミュオグラフィーでは、観察対象物を通過したミューオンの数を観測することで、観察対象物の内部を非破壊で調べることができる。具体的には、単位時間及び単位立体角あたりのミューオンのカウント数、すなわちフラックスを観測することで、観察対象物の内部を調べることができる。以下、本実施の形態にかかる津波検出システムについて詳細に説明する。

図１は、実施の形態１にかかる津波検出システムの構成例を説明するためのブロック図である。図１に示すように、本実施の形態にかかる津波検出システム１は、検出器Ｄ及び解析部１１を有する。

検出器Ｄは、例えば海底面３２の上に設置され、設置位置よりも上方の大気及び海水を通過したミューオンを検出可能に構成されている。検出器Ｄで検出されたミューオンのフラックスに関する情報が解析部１１に供給される。なお、本実施の形態にかかる津波検出システム１では、検出器Ｄ及び解析部１１を各々離間して配置（つまり別々の場所に配置）してもよい。

図２は、津波検出システム１の検出器Ｄ及び解析部１１の配置例を示す図である。検出器Ｄは海底に設置され、解析部１１は望ましくは陸上の観測施設１０に設けられる。検出器Ｄと解析部１１とは、陸上３０及び海底３２に敷設された通信ケーブル１２によって通信可能に接続される。これにより、検出器Ｄは、解析部１１にミューオンのフラックスに関する情報を供給することができる。

検出器Ｄには、例えば、原子核乾板、シンチレータ、ガスタイプの検出器などを用いることができる。原子核乾板は、フィルム形状の検出器である。一例を挙げると、原子核乾板は、プラスチックのベースの上にＡｇＢｒの結晶とゼラチンで構成されるジェルを塗布した構造を持つ。このＡｇの結晶部分にミューオン（荷電粒子）の軌跡が残るように構成されている。また、原子核乾板を焦点深度を変えつつスキャニングし、各焦点深さで点として観測されるミューオンの痕跡を線として復元することで、ミューオンの入射方向を特定することができる。

シンチレータは、ミューオン（荷電粒子）がプラスチックなどの半透明な物質中を通過する際に発するシンチレーション光を利用する検出器である。シンチレーション光は、光電子増倍管を用いて増幅されて信号として取り出される。

ガスタイプの検出器は、気体中をミューオンが飛行するときに、気体を構成する分子が持つ電子がミューオンとのクーロン力相互作用によって分子から叩き出され、分子がイオン化する現象を利用して、ミューオンを検出する検出器である。叩き出された電子を強い外部電場で加速することで、増幅した電気信号を作り出すことができる。ガスタイプの検出器として、例えば、多線比例式検出器（ＭＷＰＣ：Multi-Wire Proportional Chamber）を用いることができる。また、ガスタイプの検出器は、検出器内部を通過したミューオンの空間的な位置情報を取得することができる。ミューオンの空間的な位置情報をリアルタイムで取得できる点を考慮すると、ガスタイプの検出器を用いることが好ましい。なお、本実施の形態において使用する検出器Ｄは上述の検出器に限定されることはなく、これら以外の検出器を用いてもよい。

図１に示す解析部１１は、検出器Ｄで検出されたミューオンのフラックスに基づき、ミューオンフラックスの変動を観測する。天空から飛来するミューオンは、検出器Ｄの上方の大気と海水とを通過して検出器Ｄに到達する。海水は大気に比べて密度が大きいので、潮位が変動すると、ミューオンフラックスの実測値も変化する。すなわち、海水面が高くなると検出器に到達するミューオンの数が減少し、海面３１が低くなると検出器に到達するミューオンの数が増加する。

解析部１１は、ミューオンのフラックスを継続的に監視して、フラックスに閾値よりも大きな変動が起きたことを検出する。

なお、検出器Ｄは、海底面上に限らず、海面と海底の間の海中に設けてもよい。また、検出器Ｄは、海底面下の地中に埋設してもよい。この場合には、解析部１１が土壌の密度に基づいて土壌によって減少するフラックスを補正することで、潮位の変動を正確に検出できることは言うまでもない。

以下、図３〜５を参照して、ミューオンのフラックスと津波の検出との関係について説明する。図３〜５では、上空から海面３１を経て海底面３２に設置された検出器Ｄに入射するミューオンを矢印で示している。また、測定値を黒点で表し、測定点に対応するミューオンの数の測定にかかる統計誤差を縦線で表示した。

図３に、津波が発生していない場合のミューオンのフラックスの観測例を示す。ここでは、フラックスの実測値をＣＦ、フラックスの変動検出の閾値であるフラックスの下限閾値をＴＨ１１とする（第１の閾値とも称する）。このとき、潮位に変動はないので、フラックスは概ね一定の値で推移し、フラックスの下限閾値ＴＨ１１を下回ることはない。

次いで、図４に、津波ＴＷが接近した場合のミューオンのフラックスの観測例を示す。このとき、検出器Ｄの上方のフラックス検出範囲内で潮位の変動が現れ始めるので、フラックスの値は下降を始める。ここでは、フラックスが低下したミューオンの入射経路を破線で示している。

次いで、図５に、津波ＴＷが到達した場合のミューオンのフラックスの観測例を示す。このとき、検出器Ｄの上方のフラックス検出範囲の広い範囲で津波ＴＷによる潮位の変動が生じるので、フラックスの値は大きく下降して、下限閾値ＴＨ１１よりも小さくなる（ＣＦ＜ＴＨ１１）。この場合には、検出器Ｄが設置された位置で津波ＴＷに相当する潮位の上昇が生じたものとして、検出器Ｄの設置位置で津波ＴＷが発生、又は、他の場所で発生した津波ＴＷが検出器Ｄの設置位置に到達したことを検出できる。

ミューオンの実測値の観測方法は種々考え得るが、例えば、所定の期間Ｓのミューオンのフラックスの実測値を平均した平均値ＡＶＥから所定の偏差ΔＴＨ１１だけ小さな値をフラックスの下限閾値ＴＨ１１として設定してもよい。これによれば、過去のトレンドから外れたフラックスの減少を検出することができる。また、平均値ＡＶＥからの変動量ΔＣＦと海水の密度とから、潮位の変動量を見積もることも当然に可能である。

図３〜図５の例では、津波とミューオンのフラックスとの関係を単純化して説明したが、ミューオンのフラックスの測定は実際には一定の期間（例えば、数十秒）におけるミューオンのカウント数に基づいて行われる。また、津波の検出タイミングは、検出器Ｄが設置された水深にも影響される。そのため、潮位の変動がミューオンのフラックスの変動として現れるには、ある程度の時間を要する。例えば、検出器Ｄを水深１００ｍの位置に設置した場合、波高５ｍの津波を検出するには、検出器Ｄの設置位置を津波が通過してから３０秒程度のタイムラグが生じる。よって、津波の検出においては、こうしたタイムラグを考慮して行うことが望ましい。

以上、本構成によれば、海面に設置した検出器で検出したミューオンのフラックスの上昇を検出することで、検出器の設置位置で津波が発生又は設置位置の津波が到達したことを検出することができる。

さらに、津波が発生すると、潮位の上昇だけではなく、引き波と呼ばれる潮位の下降が観測されることも知られている。例えば、観測点よりも遠方で津波が発生した場合、その津波による遠方での潮位上昇に影響されて、観測点では潮位の下降が観測されることがある。よって、観測点における一定以上の潮位の下降を検出することで、別の場所での津波の発生を検出することも可能である。

図６に、引き波が生じた場合のミューオンのフラックスの観測例を示す。ここでは、フラックスの上限閾値をＴＨ１２とする（第２の閾値とも称する）。ここでは、引き波によって潮位が低くなり、その結果フラックスが上昇したミューオンの入射経路を一点鎖線で示している。このとき、フラックスの実測値ＣＦがフラックスの上限閾値ＴＨ１２よりも大きくなった場合（ＣＦ＞ＴＨ１２）、検出器Ｄの設置位置で、津波の影響による引き波ＢＷが生じたことを検出できる。

なお、フラックスの実測値の平均値ＡＶＥから所定の偏差ΔＴＨ１２だけ大きな値をフラックスの上限閾値ＴＨ１２として設定してもよい。さらに、フラックスの下限閾値ＴＨ１１にかかる偏差ΔＴＨ１１とフラックスの上限閾値ＴＨ１２にかかる偏差ΔＴＨ１２とは、絶対値が同じであってもよいし、異なっていてもよい。

実施の形態２
実施の形態２にかかる津波検出システムについて説明する。実施の形態１では、検出器が１つの構成について説明したが、本実施の形態では、複数の検出器を所定の監視領域に分散配置する構成について説明する。図７に、実施の形態２にかかる津波検出システム２の構成を模式的に示す。津波検出システム２では、複数の検出器Ｄ１〜Ｄ２５が海底に設定された監視領域ＭＡに分散配置されている。

この例では、矩形の監視領域ＭＡに検出器Ｄ１〜Ｄ２５が格子状に配列されている。図８に、上方から見た場合の検出器Ｄ１〜Ｄ２５の配置を示す。図８に示すように、Ｄ１〜Ｄ２５は、５×５の格子点上に配置されている。

本構成では、解析部１１が検出器Ｄ１〜Ｄ２５でのミューオンフラックスの実測値ＣＦ１〜ＣＦ２５を、実施の形態１において説明したように継続的に監視している。そして、実測値ＣＦ１〜ＣＦ２５に基づいて、検出器Ｄ１〜Ｄ２５の設置位置における潮位の変動を二次元平面にマッピングすることが可能である。

図９に、監視領域ＭＡに津波が到達した場合の潮位の変動の二次元マッピングを示す。この例では、津波を検出した検出器を黒丸で示し、津波を検出していない検出器を白丸で示している。図９では、監視領域ＭＡの左下、つまり南東の角の近傍の検出器Ｄ１５、Ｄ１９、Ｄ２０、Ｄ２３、Ｄ２４及びＤ２５に津波が到達していることが理解できる。したがって、津波の先頭波面ＴＷ１が破線近傍に存在することが推定できる。また、津波の先頭波面ＴＷ１を推定することで、津波の進行方向が概ね先頭波面ＴＷ１に直交する方向であることも推定できる。

このように、複数の検出器を海底にアレイ状に配置することで、津波の伝搬の様子を観測することが可能となる。

さらに、本構成では、異なるタイミングで潮位の変動をマッピングすることで、津波の速度を推定することも可能である。ここでは、図９のマッピングが行われたタイミングを第１のタイミングとし、図１０に第１のタイミングよりも後の第２のタイミングにおける潮位の変動の二次元マッピングを示す。

図１０では、監視領域ＭＡの右上、つまり北西の角の近傍の検出器Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ６、Ｄ７及びＤ１１を除く検出器に津波が到達していることが理解できる。したがって、津波の先頭波面ＴＷ２が図９で示した先頭波面ＴＷ１の位置よりも北西に移動したことが理解できる。よって、津波の先頭波面の移動方向及び移動距離を観測することが可能となる。そして、津波の移動距離を第１のタイミングと第２のタイミングとの間の時間差で除算することで、津波の伝搬速度を推定することも可能となる。

したがって、津波の発生を面的に捉えることで、津波の到達する海岸の位置と到達までの時間を見積もることができるので、津波がまだ沖合を伝搬している時点で津波警報を発令し、避難を促すことができ、かつ、津波の到達が予想される地域の住民等に津波到達までの猶予時間を通知することが可能となる。

実施の形態３
実施の形態３にかかる津波検出システムについて説明する。上述の実施の形態では、閾値よりも大きな潮位変動を津波として検出した。しかしながら、閾値よりも小さな潮位変動であっても、実際には小規模な津波が発生していることも考え得る。よって、本実施の形態では、潮位変動が小さい場合における津波の検出について説明する。

本実施の形態にかかる津波検出システムは、実施の形態２にかかる津波検出システム２と同様の構成を有するので、その説明については省略する。本実施の形態では、解析部１１は、下限閾値ＴＨ１１よりも小さな絶対値を有する第２の下限閾値ＴＨ２１（第３の閾値とも称する）が設定されている。解析部１１は、第１の下限閾値ＴＨ１１よりも大きいが、第２の下限閾値ＴＨ２１よりも小さな値となるミューオンフラックスの減少を検出する。

しかしながら、例えば１つの検出器でこのような潮位変動が生じたとしても、その検出器が設置された位置での気象などの影響による局所的な潮位変動であって、津波による潮位変動ではない可能性が高いと考えられる。

そこで、本実施の形態では、解析部１１は、第１の下限閾値ＴＨ１１よりも大きいが、第２の下限閾値ＴＨ２１よりも小さな値となるミューオンフラックスの減少が、２つ以上の検出器において観測されるかを検出する。

図１１に、実施の形態３における潮位の変動の二次元マッピングを示す。この例では、フラックスの実測値が第１の下限閾値ＴＨ１１よりも大きく、かつ、第２の下限閾値ＴＨ２１よりも小さな検出器を黒四角形で示し、フラックスの実測値が第２の下限閾値ＴＨ２１よりも大きな検出器を白丸で示している。

図１１の例では、監視領域ＭＡの南側の検出器Ｄ１７〜Ｄ１９及びＤ２１〜Ｄ２５が含まれる範囲で、小規模な津波ＴＷ３が発生していることを検出することができる。

なお、潮位変動が検出される２以上の検出器は互いに隣接して、又は、連なって配置されていることが望ましい。これは、潮位変動が検出された検出器が離隔している場合、個々の検出器での単なる局所的な潮位変動を検出してしまうおそれが有るためである。これに対し、互いに隣接又は連なって配置されている検出器で小さな潮位変動が検出できれば、これらの検出器が設置されている広い範囲で潮位変動が発生していると推定できる。

よって、本構成によれば、一定の範囲に設置された各検出器の設置位置で津波検出の閾値に到達しない潮位変動が生じた場合でも、小規模な津波の発生又はその到達を検出することが可能となる。

その他の実施の形態
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上述の実施の形態にかかる津波検出方法については、上述した津波検出システムの動作と同様であるので重複した説明は省略する。本実施の形態にかかる津波検出方法により、沖合の津波を容易に検出できることは、言うまでもない。

また、図９〜図１１に示した二次元マッピングは、簡略化されたものであり、検出器が配置された各観測点でのミューオンのフラックスの値や、ミューオンのフラックスから推定した潮位の値などを併せて表示してもよい。

以上、本発明を上記実施の形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。

１、２ 津波検出システム
１０ 観測施設
１１ 解析部
１２ 通信ケーブル
Ｄ、Ｄ１〜Ｄ２５ 検出器
ＭＡ 監視領域
ＴＷ１ 先頭波面
ＴＷ２ 先頭波面
ＴＷ 津波

Claims (10)

1. 海面下に設けられ、海面から海中を通過したミューオンを検出可能な検出器と、
   前記検出器で検出された前記ミューオンのフラックスの変動に基づいて津波を検出する解析部と、を備える、
   津波検出システム。
2. 前記解析部は、前記検出器が検出した前記ミューオンのフラックスが第１の閾値よりも小さな値となった場合に、前記検出器が設置された位置で津波が生じていることを検出する、
   請求項１に記載の津波検出システム。
3. 前記解析部は、前記検出器が検出した前記ミューオンのフラックスが第２の閾値よりも大きな値となった場合に、前記検出器が設置された位置で津波の影響による引き波が生じていることを検出する、
   請求項２に記載の津波検出システム。
4. 複数の前記検出器が分散して配置され、
   前記解析部は、前記複数の検出器のうちで前記ミューオンのフラックスが前記第１の閾値よりも小さくなったものが含まれる範囲で津波が検出されていることを検出する、
   請求項２又は３に記載の津波検出システム。
5. 前記解析部は、前記複数の検出器のうちで２以上の検出器が検出した前記ミューオンのフラックスが前記第１の閾値よりも大きな第３の閾値よりも小さな値となった場合に、前記２以上の検出器が含まれる範囲で津波が生じていることを検出する、
   請求項４に記載の津波検出システム。
6. 前記２以上の検出器は、互いに隣接して、又は、連なって配置されたものである、
   請求項５に記載の津波検出システム。
7. 第１のタイミングと、前記第１のタイミングよりも後の第２のタイミングと、で前記複数の検出器は前記ミューオンのフラックスを検出し、
   前記解析部は、前記第１のタイミングと前記第２のタイミングとの間での津波が生じている範囲の移動に基づいて、津波の伝搬方向と伝搬速度を取得する、
   請求項４又は５に記載の津波検出システム。
8. 前記解析部は、所定の期間に前記検出器が検出した前記ミューオンのフラックスの平均値に基づいて津波を検出する、
   請求項１乃至７のいずれか一項に記載の津波検出システム。
9. 前記検出器は、海面下の海中、海底面上、又は、海底下の地中に設けられる、
   請求項１乃至８のいずれか一項に記載の津波検出システム。
10. 海面下に設けられ、海面から海中を通過したミューオンを海面下で検出し、
    検出した前記ミューオンのフラックスの変動に基づいて津波を検出する、
    津波検出方法。

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