地磁気変動 –現在、過去、そして未来予測

（１）現在の地球磁場変動に関する観測研究

地磁気は様々な時間スケールで変化している。地球内部に原因を持つ変化は、数十万年 に一度の割合で起こる地磁気逆転や、千年程度の時間変動スケールをもつ非双極子磁場変 動、数年程度で急激に変化をする地磁気ジャーク等が知られている。しかしながら、それ ぞれの現象の詳細や、変動の原因となる核や核－マントル系のダイナミクスについては未 解明の問題が多い。継続的な観測による地球磁場の時間変動・詳細な空間分布の把握は、

地磁気そのものの成因論や変動のメカニズムを議論する上で必要不可欠であると言える。

また、磁場や電場の連続記録を用いて、地球内部の電気伝導度などの電気的物性や熱の分 布が明らかにされる。このように地球電磁気学の核をなす諸課題について理解を深めるた めには、観測の重要性は非常に高い。地球磁場変動に関する観測研究は、人工衛星による 観測研究と地上・海底での連続観測研究に大別できる。前者は、全球的なデータを取得で きる反面、移動観測のため、ある点における連続した磁場データが取得できない空間的に 移動しながらの測定であること、運用の連続性が担保されないことなどの課題がある。一 方後者は、定点において長期間にわたって精度が保障された連続磁場記録が得られるが、

図2.4.2 非一様乱流

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空間的に疎なデータとなる。これら 2 つの観測手法を相補的に継続することは、現在進め られている研究のみならず、将来の地球科学研究者にとっても重要な課題と言える。

（ア）地球磁場観測衛星

地球磁場の詳細な空間分布や時間変動を観測するためには、世界各地の観測所における 地球磁場観測に加えて、衛星によるグローバルな地球磁場観測が有効である。1979年10月 に打ち上げられたMAGSAT以後、ヨーロッパを中心として計画されたØrsted（1999年2月 打ち上げ）や CHAMP（2000年7月打ち上げ） などの衛星により10年以上にわたる地球 磁場観測が実施され、地球磁場の詳細な空間分布の把握や永年変動が明らかになり、１年 以下の時間スケールを持つ外核起源の磁場が存在することが確認された。また、磁場観測 データはコア表面の流れの分布やマントルの一次元電気伝導度構造の推定にも用いられた。

このように、人工衛星による磁場観測データは地球内部ダイナミクスの理解には必要不可 欠なものである。

地球磁場変動を理解し、コアやマントルのダイナミクスについて議論をするためには、

数10年から100年以上にわたる長期間のデータ取得が必須であり、国際共同研究の枠組み で地球磁場観測衛星を継続的に打ち上げる必要がある。しかしながら、3機の磁場観測衛星 を同時に編隊飛行させ、より詳細に磁場の空間分布と時間変動をとらえることを目的とす

るSWARM 衛星（2013 年打ち上げ予定）以後の地球磁場観測衛星の計画は今のところない。

CHAMPや SWARM などに代表される大型衛星による観測戦略は、経済状況に多大な影響

を受けるため、将来にわたる持続可能な計画へとシフトする必要があると考えられる。

安定して継続的に全球観測を行うための戦略として、以下の 2 案が考えられる。一つは 地球観測衛星「だいち」のような大型衛星に磁力計を相乗りさせて磁場観測を行うことで ある。もう一つの戦略は小型衛星の活用である。小型衛星は比較的安価に作製、軌道投入 が可能であり、また、小型化することにより複数機での磁場同時観測の可能性が高まると 期待される。加えて後者については、国内において超低高度衛星の実用化へ向けての技術 開発が進められており、このような衛星への磁力計搭載も検討すべきである。超低高度衛 星での磁場計測が可能となれば、CHAMPやSWARM衛星よりも空間分解能が格段に向上す ることが期待される。上記2つの戦略に必須の技術開発として、直流（DC）磁場まで計測 できる磁場センサと周辺システムの小型化、磁気雑音のさらなる低減、および衛星姿勢モ ニターの高精度化が挙げられる。日本周辺などのリージョナルなスケールの磁場空間分布 の解明には、同時多点観測が必要であり、その実現のためには高層気象観測で使用されて いるラジオゾンデなどの利用も検討するべきである。

（イ）地上および海底での連続観測

衛星による地磁気観測が実現した現在でも、地上の長期磁場観測は、地磁気永年変化の

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研究において主要な情報源であることに変わりはない。国際的には、柿岡をはじめとする 数か所の地磁気観測所で約100年間、国際地球観測年（IGY）を契機に建設された女満別・

鹿屋をはじめとする多くの地磁気観測所で約50年間のデータが蓄積されたことにより、数 十年スケールとされる西方移動の周期帯まで議論できるようになった。過去10年間で、時 間軸に制約を与える地上長期観測と空間分解能が高い地球磁場観測衛星のデータ融合が進 み、地磁気のグローバルモデルが飛躍的に発展した。これらのモデルでは、主磁場（核起 源の地球磁場）の時空間分解能の大幅向上に加え、主磁場以外の磁場情報（地殻磁場、磁 気圏ソースなど）を組み入れることに成功した。今後は外核での流体運動を拘束条件とし て取り入れたモデリングへと進展することが期待される。

一方、地磁気連続観測の疎域であった海域でも、連続観測が可能となりつつある。海半 球プロジェクトによる西太平洋の海洋島での地磁気観測は長いものでは15年間のデータの 蓄積がある。また、陸上の定常地磁気観測に準ずる精度を海底観測においても実現するた めに、地磁気 3 成分、電場 2成分に加え、絶対全磁力、ジャイロにより真北が計測できる 観測ステーション（SFEMS: SeaFloor ElectroMagnetic Station）が運用されている。SFEMS観 測点は現在北西太平洋と西フィリピン海盆に 1点ずつ展開され、すでに 5年以上にわたる 連続データの収集に成功している。

海底ケーブルによる超長基線電位差観測も、長いものでは20年以上継続されており、マ ントル深部の電気伝導度構造研究やコア起源の数年から数十年周期の磁場変動を検出する 研究に用いられた。外核内部で閉じているため通常の磁場観測では困難とされてきたトロ イダル成分起源の変動（コアフィールド）の検出を目指して、電場観測が継続されている。

コアダイナミクス、マントルダイナミクスの課題を引き続き推進していくためには、より 長期間変動場を記録することが重要である。磁場観測によって推定できるポロイダル成分 に加えて、電場観測によりトロイダル成分についての情報が得られれば、外核の流れの解 明やコア・マントル境界部の磁場の状態をよりよく知ることができ、地磁気ダイナモにと って重要な制約を与える情報となり得る。

これらの研究を前進させるためには更なるデータの蓄積が不可欠であり、国際的な協力 関係を維持発展させ、連続データの収集に努めるとともに、下記に挙げる現状の観測体制 の問題点について解決を図るべきである。

長周期の磁場変動を扱う研究においては、定期的な絶対観測により基線値が得られた良 質な長期間のデータが必要不可欠である。日本の陸上地磁気定常観測においては、世界最 高水準の気象庁の柿岡・女満別・鹿屋観測所の他に、国土地理院の鹿野山・水沢・江刺観 測所、海上保安庁の八丈島観測所で比較的高頻度での絶対観測が行われてきた。しかしな がら、2006年の水沢・江刺の無人化、2009年の八丈島観測所の閉鎖、2011年の女満別・鹿 屋観測所の無人化、2012 年鹿野山観測所の無人化と、観測体制の縮小が相次ぎ、将来にわ たってこれまでと同様の良質なデータを提供していくことができるか予断を許さない状況

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にある。これまで以上に基盤的地磁気定常観測点の必要性を訴えることに加え、喫緊の課 題として、絶対観測の自動化に向けた機器開発を進め、無人観測所においても高品質のデ ータ収録を可能とする体制の整備を進める必要がある。自動絶対観測システムの構築が実 現されれば、これまで絶対観測がほとんど行われていなかった観測点にも導入することが でき、長周期成分の精度が担保された観測点網の拡大にも資することが期待される。

海底における定常連続観測においては、SFEMSのオンライン化が望ましい。現状のオフ

ラインのSFEMSでは、繰り返し観測による準定常的な運用に留まっており、将来は電力の

その場供給、海上ブイとの音響通信および衛星通信によるオンライン化に向けた技術開発 を進めるべきである。

（２）過去の地磁気変動の解明とその利用、未来予測

19 世紀後半に近代的地磁気観測が開始されて以降、地球磁場は様々なタイムスケールで 変動することが明らかになってきた。しかし、観測記録の得られていない過去に遡って地 磁気変動を知るためには、古文書・考古学的資料・地質試料などから当時の地磁気情報を 読み取る必要がある。変動のタイムスケールに応じて、適切な試料・手法を選択すること が重要である。

（ア）数十～数千年スケールの変動

地磁気永年変化のうち短時間（数十～数千年）のものを知るための道具として、（a）近代 測器による観測（現在から百数十年前まで）、（b）方位磁針と伏角計による観測（数百年前 まで）、および（c）古地磁気学的測定がある。（a）については、ヨーロッパではガウスによ る Göttingen Magnetic Union の結成（1834年）、日本では第一回国際極年（1883年）を契機 に開始された観測が、現在ではINTERMAGNETの枠組に拡大し観測データが流通している。

1900 年以降の国際標準地球磁場モデル IGRF がコンパイルされるなど、データの蓄積が進 んでいる。一方で、日本では2006〜2012年にかけて柿岡を除く全ての観測所が相次いで遠 隔観測化または廃止されるなど、観測体制の維持が懸案となっている。（b）については、

近年、中世における航海・隊商による観測データが発掘・コンパイルされ、それを用いた 全地球永年変化モデルが提案され標準モデルとして認知されている。加えて日本では伊能 忠敬による磁気測定が見直され、19 世紀初頭の偏角マップが完成しつつある。（c）につい ては、溶岩、湖底堆積物、そして考古学資料を対象とした研究がある。

考古学資料を対象とする古地磁気学を考古地磁気学と呼ぶが、この学問は英国で戦前に 創始され、日本でもその後すぐに開始された。当初は土器片を試料としたテリエ法分析に より歴史時代の地磁気強度を調べる研究が中心であったが、その後、土器を焼いた窯跡や 住居等の竈跡から定方位試料を採取し、古地磁気方位を測定するよう発展した。両者は1960

～70年代を通じて大量に測定され、80年代の中盤にデータベースとして世界に公開されて いる。その後は継続して研究が進められ、長年データの蓄積が行なわれて来ており、世界