第 回
第 回 地球観測と応用研究
地球観測と応用研究
地球物理学概論Ⅰ
第６回
第６回 地球観測と応用研究
地球観測と応用研究
-- 氷床変動と海水準変動
氷床変動と海水準変動 -
-地球物理学教室
福田洋一
地球観測
地球観測
•現場観測（直接観測）
場所（どこで）：空中、陸上、海上、地中、 …
手段（何で） 加速度計 温度計
手段（何で）：加速度計、温度計、 …
対象（何を）：重力、磁場、電場、温度、 …
•リモートセンシング
場所（どこから）：地上から、宇宙から、上空から、…
手段（何で）：電磁波、光、 …
対象（何を） 重力 磁場 地形 温度
対象（何を）：重力、磁場、地形、温度、 …
•測定と観測
測定：ある物理量を測る （例、重力測定）
観測：ある物理量を継続的に調べる （例、重力観測）
現場観測の例：地震観測
現場観測の例：地震観測
場所（どこで）：
陸上、地中、海底
手段（何で）：
地震計
対象（何を）
地震動（加速度 速度 変位）
対象（何を）：
地震動（加速度、速度、変位）
地震観測網ポータルより
(http://www.seis.bosai.go.jp/seis-portal/)
リモートセンシングの例：高度計
リモートセンシングの例：高度計
場所（どこから）：
宇宙から（衛星高度計）、上空から
手段（何で）：
電磁波、光（レーザー）
対象（何を）：
地形、海面形状 （->重力、海流）
衛星高度計
http://www.selene.jaxa.jp/ja/equipment/lalt_j.htm
SELENE LALT
地上測量
地上測量
トータルステーション
水準点
バーコード水準儀
三角点
光波測距儀
地殻変動観測
地殻変動観測
水管傾斜計
水管傾斜計
水晶管伸縮計
水晶管伸縮計
レーザー伸縮計（神岡）
レーザー伸縮計（神岡）
The Data Acquisition System
Th O ti
l
CMG-3T
The Optical Table 1
The Optical
Fiber Cable
Seismometer
N
E
The Optical Table 2
スプリング式
スプリング式
重力計
重力計
ウォルドロン
ウォルドロン
シントレックス
シントレックス
ラコスト
ラコスト
ｇ
ｇPhone
Phone
アスカニア
アスカニア
船上重力計
船上重力計
TSSG
NIPRORI-II
TSSG
LaCoste &Romberg
中国製
超伝導
超伝導
重力計
重力計
絶対重力計
絶対重力計
FG-5
A-10
衛星高度計（
衛星高度計（Satellite Altimetry
Satellite Altimetry）
）
http://www.jason.oceanobs.com/html/alti/principe_uk.html
•• g
g
T/P Sea Surface Heiht (h)
T/P Sea Surface Heiht (h)
•• g
g
EGM
ジオイドと重力異常
ジオイドと重力異常
+300
-300mgal
100
110
120
・
・
EIGEN3S
GGM01S
ジオイド
ジオイドの精度
の精度
40
50
60
70
80
90
・・
・・
GEM 10B
GRIM3-L1
GRIM4-S2
GEM-T3
JGM-3
EGM96S
egree of Gravity
model
0
10
20
30
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2010
・
・
・
・
・
・
・
・
・
J2Kozai
Itzsak
KaulaRapp
Gaposchkin
GEM-9
GEM-10B
(Montenbruck et al., 2000)
D
e
GOCE
GOCE
(2009.03.17, ESA)
(2009.03.17, ESA)
yx
yy
yz
xz
xy
xx
ij
W
W
W
W
W
W
W
W
grad g
grad
grad
W
zx
W
zy
W
zz
GOCE Level 2 EGM (Time Wise Solution, 2009.11.01-2010.07.05, n=250)
海面形状
海面形状
海面形状と海流
海面形状と海流
海水準変動
地質年代での海水準変動
Snowball Earth Hypothesis:
http://zebu.uoregon.edu/2002/ph123/lec13.html
0.4mm/yr
10mm/yr
近代～現代の変動
2mm/yr
海水準変動の検出
海水準変動の検出
1) 験潮儀による測定
海面変動と地殻変動の分離
験潮儀とGPSの組み合わせ
験潮儀とGPSの組み合わせ
（ITRFに準拠）->宇宙測地技術
2) 衛星高度計
ITRFに準拠した軌道決定
3) 海水の質量変化
GPS Tide Gauge Benchmark
GPS Tide Gauge Benchmark
) 海水 質量変化
グローバルな水循環
氷床変動
GIA
宇宙測地技術
宇宙測地技術
VLBI
GPS
SLR
DORIS
Global Mean Sea Level Time Series
Local Trend of SL
http://sealevel.colorado.edu/
Formal Error
Tapley et al.,
Science, Vol. 305, July, 2004
GRACE Measurements
GRACE Measurements
of Mass Variability in the
of Mass Variability in the
Earth System
Earth System
CHAMP
EIGEN-2 model
L
l
l
m
lm
lm
lm
l
m
S
m
C
P
r
R
R
GM
V
0
0
1
))
sin(
)
cos(
)(
(sin
l m
C
lm
S
lm
0 0 0.100000000000D+01 0.000000000000D+00
1 0 0.000000000000D+00 0.000000000000D+00
1 1 0 000000000000D+00 0 000000000000D+00
Up to Degree 120 / Order 120
EIGEN 2 model
1 1 0.000000000000D+00 0.000000000000D+00
2 0 -.484165815935D-03 0.000000000000D+00
2 1 -.139274044771D-09 0.141275625216D-08
2 2 .243930491835D-05 -.140027520233D-05
3 0 0.957730216460D-06 0.000000000000D+00
3 1 0.203054457836D-05 0.248146553306D-06
・・・
p
g
精密な地球重力場の決定
＝
高次まで
のC
lm
、S
lm
を
高精度で
決定すること
衛星による荷重変化の観測
密度分布とスト クス係数
0 0 1))
sin(
)
cos(
)(
(sin
l l m lm lm lm lm
S
m
C
P
r
R
R
GM
V
密度分布とストークス係数
.
sin
cos
)
(cos
)
,
(
)!
(
)!
(
2
)
(
)
(
, 2 0 , ,
Earth m n S m m n m nd
m
m
P
M
R
m
n
m
n
t
S
t
C
質量変動とストークス係数の変動
.
sin
cos
)
(cos
)
,
,
(
1
1
2
1
4
3
)
(
)
(
, ' , ,
Earth m n ave l m n m nd
m
m
P
t
R
n
k
t
S
t
C
面密度変化の推定
))
sin(
)
(
)
cos(
)
(
(
)
(cos
)
,
,
(
12 1 , , 0 , 1 3
m
t
S
m
t
C
P
t
nk nm nm n m m n n l a l ave
∆σ：面密度の変化
⇒大気、海洋、陸水などの量変化を
∆ρであらわす。
重力の時間変化
重力の経年変化勾配
•Elastic moduli E and
E
ポストグレーシャル・リバウンド
ポストグレーシャル・リバウンド
density from seismic models
•
2
,
3
effective averag
viscosities
•Linear response
•Elastic lithosphere of
0
65
670
E
1
E
2
2
3
E
3
Lithosphere
Upper mantle
Lower mantle
Elastic lithosphere of
effective thickness H
l
H
l
= 50-80 km
2
= (2-4)10
20
Pa s
3
= (5-20) 10
21
Pa s
2900
Lower mantle
Core
depth
A
Mantle
Lithosphere
B
C
0 50 100 150 200 0 2 4 6 8 10 Ångermanland northern Sweden -10 0 10 20 30 40 0 5 10 15 20 Andøya -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 0 2 4 6 8 10 Bristol Channel & Exmouth Southwest England re la ti v e se a l ev el ( m ) -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 10 12 14 16 18 20 22 Sunda Shelf Southeast Asia 0 0 50 100 150 200 250 300 0 2 4 6 8 10 Richymond Gulf Hudson Bay, Canada
-70 B t G lf re la ti v e se a l ev el ( m ) 1.5 Orpheus Island -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 5 10 15 20 25 Barbados re la ti v e se a l ev el ( m )
time (x1000 calendar years)
-130 -120 -110 -100 -90 -80 10 20 30 40 50 Bonaparte Gulf Northwest Australia
time (x1000 calendar years)
0 0.5 1 0 1 2 3 4 5 6 7 Orpheus Island North Queensland
Study Technique Survey
Period
AIS (Gt a-1)
Wingham et al., 1998 RA 1992 - 1996 -60 ± 76 Zwally et al., 2005 RA 1992 – 2001 -30.3 ± 12.1 * Zwally et al., 2005 RA 1992 – 2001 47.8 ± 14.8 † Ramilien et al., 2006 Gravimetry 2002 – 2005 - 40 ± 32 Velicogna&Wahr,2006 Gravimetry 2002 – 2005 -137 ± 72 Wingham et al., 2006 RA 1992 – 2003 27 ± 29 Rignot et al.,2008 IOM 1996 -112 ± 91 Rignot et al.,2008 IOM 2000 -138 ± 92
氷床変動研究
・Input output method
・Radar, Laser Altimetry, In-SAR
・Gravimetry (GRACE)
・GIA
gRignot et al.,2008 IOM 2006 -196 ± 92 Barletta et al., 2008 Gravimetry 2003 – 2007 -171± 39 Cazenave et al., 2009 Gravimetry 2003 – 2007 -198 ± 22 Chen et al., 2009 Gravimetry 2002 – 2009 -190 ± 77 Chen et al., 2009 Gravimetry 2002 – 2005 - 144 ± 58 Chen et al., 2009 Gravimetry 2006 – 2009 - 220 ± 89 Gunter et al., 2009 LA 2003 – 2007 - 25 ± 1 Gunter et al., 2009 LA 2003 – 2007 -57.5 ± 1.5 Gunter et al., 2009 LA 2003 – 2007 -86.5 ± 2.5 Gunter et al., 2009 LA 2003 – 2007 - 101 ± 2.5
GIA
(Shepherd et al., 2012, Science Vol. 338)
Gunter et al., 2009 Gravimetry 2003 – 2007 - 77.5 ± 13.5 Gunter et al., 2009 Gravimetry 2003 – 2007 -88.5 ± 13.5 Gunter et al., 2009 Gravimetry 2003 – 2007 - 83 ± 9 Horwath&Dietrich, 2009 Gravimetry 2002 - 2008 -109 ± 48 Velicogna, 2009 Gravimetry 2002 – 2006 -104 Velicogna, 2009 Gravimetry 2006 - 2009 -246 Velicogna, 2009 Gravimetry 2002- 2009 -143 ± 73 Shi et al., 2011 LA 2003 – 2008 -77.5 ± 4.5
