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ミュオグラフィの陸から海への展開

公開日:2021.03.19

 

研究成果 Technology

1.発表のポイント:
◆  海底ミュオグラフィセンサーアレイ(注1)を世界で初めて設置し、東京湾における天文潮位のリアルタイム測定にはじめて成功した。
◆  ミュオグラフィ(注2)はこれまで火山、原発、ピラミッドなど陸域における透視に成果を上げてきたが、海への展開は初である。
◆  今後はセンサーアレイの拡張により、地震による津波や低気圧などによる異常波浪が東京に到達する前にイメージングできるだけではなく、東京湾に眠る天然ガス資源の探査への活用も期待される。 
2.発表概要:
 東京大学国際ミュオグラフィ連携研究機構は、同大学生産技術研究所、大学院新領域創成科学研究科、および九州大学、関西大学、シェフィールド大学、英国科学技術施設会議ボルビー地下実験施設、ウィグナー物理学研究センター、日本電気株式会社と共同で、世界初となる海底ミュオグラフィセンサーアレイの一部を東京湾アクアライン海底トンネル内部の100 mにわたって設置し、東京湾における天文潮位のリアルタイム測定に成功した。
 ミュオグラフィは、宇宙に由来する高エネルギー素粒子ミュオン(注3)を用いて巨大物体を透視する技術である。これまで火山、原発、ピラミッドなどの透視に成果を上げているが、すべて陸域での測定に限られてきた。今回これをはじめて海へ展開し、天文潮位のリアルタイム測定に成功した。
 この測定の成功は、地震による津波や高潮をそれらが東京に到達する前にイメージングできることを示す。将来的にはセンサーアレイをさらに拡張することにより、より広域で津波や高潮を検知できるようになると考えられる。さらに東京湾海底に眠る天然ガス資源の探査への活用も期待される。
3.発表内容:
<海底ミュオグラフィセンサーアレイについて>
 東京湾海底ミュオグラフィセンサーアレイ(Tokyo-bay Seafloor Hyper KiloMetric Submarine Deep Detector;以下、TS-HKMSDD)は、幅10cm、長さ2mのミュオグラフィセンサーモジュール(図1)を一定の間隔に配列したミュオグラフィセンサーモジュールの一次元集合体(図2)である。
 東京湾の海水を貫通し、海底下の東京湾アクアライン海底トンネルにまで到達した素粒子ミュオンは、センサーモジュールにて検知され、TS-HKMSDDの中央に位置するデータ収集センターにて記録される(図3)。この記録されるミュオン数の時間変化を測定することにより、TS-HKMSDD上部に位置する海水の動きや海底岩盤内部の変化をイメージングすることが可能となる。

素粒子ミュオンを検知する度にダイオードが点灯する。

ミュオグラフィセンサーモジュールが一定の間隔に配列されている。2021年末までに、100を超えるセンサーモジュールが海面下45mのトンネルに整備される予定である。

<センサーアレイによる測定について>
 ミュオンは貫通力が強いため、東京湾の海水を通り抜けた後、さらに海底の岩盤を貫通し、アクアライン内部に設置してあるセンサーに到達する。このミュオンの到達数を時間毎に計数することにより、海水の厚みすなわち海水準の変動を測定することが可能となる(図4~6)。海水準の決定精度、時間分解能、空間分解能、測定範囲は、トンネル内にインストールするセンサーモジュールの敷設範囲、敷設密度を上げることによって向上する。天文潮位のリアルタイム測定に成功したことは、今後のセンサーアレイの拡張により、地震による津波や低気圧などによる異常波浪をそれらが東京に到達する前にイメージングできることを示している。
 また、この拡張により、より広域で津波や高潮をイメージングできるようになるだけでなく、東京湾海底に眠る天然ガス資源の探査にも活用できるようになると考えられる。これは、南関東ガス田(注4)は我が国の天然ガス可採埋蔵量の90%以上を占める大規模ガス田であるが、東京湾領域が全くの調査空白域となっていることに関係する。 
 なお、TK-HKMSDDは幅10cmの細長いセンサーモジュールを約10m間隔で配列したものであり、その構造論的性質から引き続きモジュールを足し続けていくことができる。現計画では2021年度中にTK-HKMSDD を長さ1kmに拡張する予定であり、東京湾のより広い領域をカバーできるようになる。

Muと示された部分がTS-HKMSDDの一部が設置された場所を示す。

青線(上)はTS-HKMSDDにより測定された潮位、赤線は海上保安庁による検潮結果。

カラースケールは潮位を示しており、緑が低く、黄から赤に行くに従い高くなる。

<今後の展望>
 今後はTS-HKMSDDの運用により得られる大量の東京湾透視画像に、既に火山噴火予測で成果が上がっている火山透視画像の機械学習プログラム(注5)を応用することで、将来の高潮の詳細な波高分布の予測につなげることを計画している。
 なお同様の海底トンネルは世界各地にあり、ミュオグラフィのユビキタス性(注6)からTS-HKMSDDはそのモデルケースとなって成果を即世界の海へと展開することが可能である。英国、北海海底トンネルにおいては既にHKMSDDを整備する計画が立案されている。

研究に関するお問い合わせ先

総合理工学研究院 金 政浩 准教授