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船に積んだGPSで津波をキャッチする

2011年の東日本大震災を引きおこした巨大な津波では、その最初の段階で、気象庁の津波注意報、津波警報が大きく狂いました。気象庁が津波を予報するシステムは、まず地震の震源や発生のしくみを調べ、それをもとに間接的に津波の大きさを計算します。しかし、これほど大きな地震になると、そもそも震源などがすぐにはわからず、したがって津波の予報もうまくできなかったのです。

近い将来、東海から四国に沿った太平洋の底にある「南海トラフ」で巨大地震がおきると予想されています。大きな津波もやってきます。この津波の襲来を、より正確に予測できる新しい方法はないものか。その秘策のひとつが、津波による海面の盛りあがりを、はるか沖合でキャッチするというアイデアです。現在のように地震を通して間接的に津波の大きさを推定するのではなく、津波そのものを観測するわけです。

東京大学海洋アライアンスの稲津大祐・特任准教授(現東京海洋大学准教授)たちは、沖合を航行する船を使って津波の高さを測定できないものかと考えました。船は海面の動きとともに上下するので、津波による海面の盛りあがりを船の上下動からキャッチできるのではないかというアイデアです。

その検討結果をまとめたのが、2016年に発表した"Assessment of GNSS-based height data of multiple ships for measuring and forecasting great tsunamis"という論文です。想定されている南海トラフ地震による巨大津波を例に検討したところ、海底にすでに設置されている「水圧計」と同等か、あるいはそれ以上に役立つ可能性があるという結論が得られました。

巨大津波をともなう南海トラフ地震

南海トラフは、伊豆半島西側の駿河湾から四国沖まで、日本列島に沿うようにつながっている海底の溝です。この溝では、沖側の海底が列島側の海底の下にすこしずつ潜りこんでいます。そのとき、ふたつの海底は力をおよぼしあい、とくに列島側の海底にひずみがたまります。このひずみがたまって限界になると、海底はもとの形に戻ろうとして激しく動きます。これが、南海トラフで想定されている大地震です。

国の地震調査委員会が2013年に想定した南海トラフ地震の震源域(赤線の内側)。
国の地震調査委員会が2013年に想定した南海トラフ地震の震源域(赤線の内側)。
拡大図

海底がもとに戻ろうとすれば、それは、海底の形が急に変わるわけですから、その変形が水を押しあげて津波になります。

南海トラフの全体が同時にずれるかどうかはわかりません。その一部がずれるかもしれません。南海トラフのうち紀伊半島から四国沖にかけたあたりがずれておきる地震が「南海地震」、駿河湾に近い東のほうがずれるのが「東海地震」、そのふたつにはさまれたところでおきるのが「東南海地震」です。

もっとも恐ろしいのは、南海トラフの全体が動いて、三つの地震が同時におきるケースです。四国沖から東海までの広い範囲で大きな地震がおき、巨大な津波が広い範囲で沿岸を襲うのです。

南海トラフ地震の震源域は、東日本大震災のときより日本列島に近い部分もあるので、津波は、最短だと地震発生から数分くらいで岸におしよせると予想されています。一方で、やや奥まった名古屋港までだと1時間半あまり、大阪までなら1時間半から2時間くらいかかると考えられています。津波の来襲まで時間のあるこのような場合に、いまこちらに向かっている津波の状態をできるだけ正確に沿岸の住民に伝えて、的確な避難につなげたい。そのための新しい観測手法を考えたい。それが、稲津さんたちが書いた論文の思いです。

船はGPSを積んでいる

日本列島の太平洋沖は、いつもたくさんの貨物船などが行き来している海域です。いま航行中の船の位置は、Marine Trafficというサイトなどで公開されています。船が自分の位置を割りだすのに使っているのは、人工衛星からの電波を利用するGPSというシステムです。自動車のカーナビが使っているのも、このGPSです。

稲津さんたちがこの研究で想定した92隻の船の位置。緑が貨物船、赤がタンカー。
稲津さんたちがこの研究で想定した92隻の船の位置。緑が貨物船、赤がタンカー。
拡大図

稲津さんたちがこの研究で例として使った2015年1月1日には、南海トラフの巨大地震がおきる四国沖から東海までの海域に、92隻の貨物船とタンカーが確認できました。津波がおきたとき、そこに多数の船がいる可能性は高いのです。そして、GPSでは、船の位置だけでなく上下の動きもわかります。つまり、海面の高さがわかるのです。問題は、それがどれくらい精度よくわかるかという点です。

津波は、ずっと沖のほうから高い波としてやってくるわけではありません。かなり大きな津波でも、沖での高さはせいぜい数十センチから数メートルくらいです。この高さの津波を確実にキャッチできるのか。そこが問題です。

数十センチの高さの津波ならキャッチできそうだ

そこで稲津さんたちは、東北大学の海洋観測で過去に記録されていたGPSデータを使って調べてみました。ふつうの自動車につまれているカーナビより精度が高まるように、高度なデータ処理をおこないました。

海面の高さを変化させる原因には、さまざまなものがあります。そのひとつは、風に吹かれてできる波です。もし、津波が発生したとき台風が近くにあれば、数十センチの高さの津波に、数メートルもの高さの風の波が重なっているということもありえます。ほかに、潮の満ち干をおこす「潮汐」もあります。

津波について計算するなら、これらがまじった観測データから余計なものを取り除くことが必要です。潮汐は、月や太陽と地球のあいだに働く引力でおきる規則ただしい現象なので、あらかじめ計算して取り除くことができます。また、津波は、水面の盛りあがった「山」の部分からつぎの「山」までの距離が数十キロから数百キロにもなるので、山から山までがせいぜい数百メートルしかない風の波は、この点に着目することで区別できます。

こうして計算した結果、津波の高さが数十センチくらいあれば、GPSのデータからそれをキャッチできることがわかりました。多くの人命にかかわる巨大津波なら、この方法で発生直後の姿をとらえられそうです。

92隻の船で検討

ここまでの検討で、巨大津波がおきたとき、船に積んだGPSを使えば、海面の盛りあがりを沖合でキャッチできることがわかりました。ですが、もうひとつ問題があります。これくらいの船の数でじゅうぶんなのか、という点です。

津波の来襲を予測するには、沖合を伝わっている津波の姿が正確にわかっていなければなりません。稲津さんたちがこの研究で使った船の数は92隻です。92隻の船がそれぞれ海面の高さをきちんとキャッチできたとき、そのデータをもとに、実際に発生した津波による海面の盛りあがりをきちんと復元できるのか。来襲する津波の高さを正確に計算できるのか。その点をたしかめる必要があります。もし、その程度の船の数では少なすぎて正確な計算ができないとなれば、この方法による津波の予測は、理屈のうえではOKでも、現実には無理ということになります。

そのためには、実際に観測された巨大津波のデータが必要ですが、まだおきていない南海トラフ地震については、そのようなデータはありません。そこで稲津さんたちは、国の中央防災会議が2003年に公表した津波のシミュレーション結果を使いました。このシミュレーション結果を、南海トラフでおきた「本物」の津波と考えて、92隻による予測がそれにどれくらい合致するかを検討するわけです。

すでに設置されている観測機器と同等以上の正確さ

まず、中央防災会議のシミュレーションをもとに、92隻の船の位置で津波の高さがどれくらいになっているかを計算します。つぎに、この92隻のデータだけを使って、津波の来襲を予測計算します。その予測計算の結果が、中央防災会議のシミュレーション結果、つまり仮想的な「本物」の津波とどれくらい一致するかを調べるのです。

その結果、この方法は、現実におきる津波を、かなり正確に予測できることがわかりました。津波がおきた直後の海面の形は、中央防災会議による「本物」の津波と相関係数が0.82、沿岸の各地で観測される津波の最大の高さでは0.95でした。

相関係数というのは、ふたつの量にどれくらい深い関係があるかを示す数値です。たとえば、Aという量が2倍になったとき、Bは4倍になることが多いという規則性がみつかったとします。このとき、AとBは関係が深いと考えられ、その相関係数は大きな数値をとります。

相関係数はマイナス1からプラス1までの値をとり、ゼロから離れるほどふたつの量の関係が深いことを示すので、さきほどの0.82、0.95は、かなり高い値です。つまり、91隻の船を使った津波の予測結果は、「本物」の津波と非常によく似ているということです。船を使って沖合で津波をとらえ、沿岸に到達する津波の高さを計算するというこの方法は、津波の予測手法として有望だということです。

すでに海底に設置されている「水圧計」や海面に浮いている観測ブイを使う場合にくらべると、ひかえめにみてもほぼ同等、あるいは、より正確といってよいことがわかりました。巨大津波をともなうような大地震では、観測機器が故障して動かなくなる可能性もあります。そのため、さまざまな観測手段の実現可能性を探っておくのは、とても大切なことです。

このような巨大津波に襲われるのは、日本だけではありません。インドネシアなども、つねにその危険にさらされています。船を使うこの方法は、海底に信号ケーブルをはわせて水圧計を設置する方法にくらべれば、費用がはるかに少なくてすみます。その点でも有利な方法といえます。

巨大地震がおきてもデータはきちんと集まるのか

もっとも、この方法を実用化しようとすれば、解決しなければならない問題があります。

たとえば、船のGPSデータをどうやって集めるかという点です。それぞれの船がGPSで自分の位置と上下の動きをつねに記録していても、南海トラフ海域を航行中のたくさんの船の高精度データをリアルタイムで集めておくシステムは、いまのところありません。この論文は、「このようなデータが瞬時に集まったとしたら......」という仮定のもとで研究した結果です。

また、船が送信してくるGPSデータを集める受信設備を海岸に作っても、いざというとき正常に機能するかも心配です。1995年の阪神・淡路大震災では、壊れるはずがないとされていた高架の高速道路が倒れ、2011年の東日本大震災では、何重にも安全対策を施していたはずの原子力発電所が大事故をおこしました。どのような対策をとれば、船から来るGPSデータの受信装置が巨大地震、巨大津波に耐えられるのかを、よく考える必要があります。

そして、実際に津波がおきたとき、そのときにかぎって、たまたま船が少なかったということもありえます。船の数が少ないと、津波予測の精度は落ちてしまいます。

自然災害は、わたしたちの想像を超えた威力でやってきます。だからこそ、人命を守るための対策は、いくつも並行して考えておく必要があります。この論文では、巨大津波の沖合での姿を、その気になれば船のGPSでキャッチできることを示しました。このアイデアを実用化するかどうかは、費用などを考えながら社会が決めていくことです。その議論の土台を示したことが、この論文の社会的な価値だといえます。

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