【研究分野】自然災害科学・防災学

【研究領域課題番号】17KK0085 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

火山噴煙 / 流体実験 / サーマル / プルーム / 火山 / 渦輪 / 噴火 / 防災 / 数値シミュレーション

【研究成果の概要】

瞬間的爆発的噴火における噴煙ダイナミクスと火山灰輸送メカニズムの理解を目的に、基研究の科研費基盤C課題「瞬間的な火山噴火の災害予測モデル提案」の数値研究と合わせ、パリ地球物理研究所IPGPの研究者の協力のもと実験研究と理論研究を推進している。新型コロナウイルス感染症蔓延により、令和２年度に引き続き令和３年度もフランス渡航を中止した。予定していた追加実験とそれに基づく議論は令和４年度に延期し、これまで得た室内実験データと数値シミュレーション結果の検討を続けた。
数値シミュレーションから得られた噴出条件と噴煙高度の関係は、噴出率・噴出速度・火口半径・噴火継続時間を用いた複数のスケーリング則が候補になった。どのスケーリング則であっても計算結果をうまく説明できるが、より単純で理論的な説明のできるスケーリング則を選定することが今後の課題である。ブルカノ式と呼ばれる爆発的噴火は噴出時間が瞬間的なサーマルで近似されてきたが、噴煙高度が噴出時間にも大きく依存することが計算や実験の結果示された。この結果は、ブルカノ式噴火による災害予測をする上で噴火継続時間を正確に見積もる必要を示唆する。
噴煙高度が噴火継続時間に依存することに伴い、火山灰の上昇高度や地表への堆積分布も噴火継続時間に大きく影響される様子を数値シミュレーションで確認できた。総噴出量が同じであっても噴火継続時間が異なると火山からの堆積距離が変化することがわかった。

【研究種目】国際共同研究加速基金(国際共同研究強化)

【研究期間】2018 - 2022

【配分額】8,580千円 (直接経費: 6,600千円、間接経費: 1,980千円)

【研究分野】自然災害科学・防災学

【研究領域課題番号】17K01323 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

火山噴火 / 数値モデル / 降灰 / サーマル / 流体力学 / 火山 / 乱流混合 / 防災 / 噴煙 / 火山灰 / 災害予測 / 火山災害 / 数値計算

【研究成果の概要】

火山の爆発的噴火では、大気中に滞留する火山灰が航空機運航の障害となり、地表への降灰は大規模な災害を発生させる。そのため、火山灰の大気中での拡大速度と降灰のタイミングを高い精度で迅速に予測することが防災上求められている。火山噴煙の３次元モデルを構築し、数値シミュレーションを実施した。その結果、高頻度で起こる瞬間的爆発噴火の噴出条件と噴煙高度の関係を推定した。また、阿蘇中岳2021年噴火やトンガ2022年噴火の噴煙の上昇や拡大を再現した。

【研究の社会的意義】

活動的火山が多く存在する日本において、爆発的火山噴火の災害予測を高精度で行うことが求められる。そのためには、より現実的な数値モデルを構築し、数値シミュレーションによって過去の噴火事例の再現や将来起こりうる噴煙災害の予測をすることは重要である。本成果は、火山災害予測の高精度化に向けての準備に大きな貢献をした。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2017-04-01 - 2022-03-31

【配分額】4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)

【研究分野】岩石・鉱物・鉱床学

【研究領域課題番号】16H04071 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

火山 / 噴火 / マグマ / マントル / 防災

【研究成果の概要】

東北本州弧～千島弧の代表的な活火山を対象にマグマ生成率を推定するため、火山岩の物質科学的解析と同地域の地殻～マントルを対象とした地震学的解析の融合的研究を行った。その結果、物質科学的研究では活火山下のマグマ生成深度におけるマントルの温度や流体量についての情報が蓄積され、一方で地震学的研究では東北本州弧～千島弧における広域的な地下構造や活火山下の局所的な地下構造について、より高解像度の情報が得られた。両手法を融合することにより、沈みこむ太平洋プレートから放出されたスラブ流体の経路などの推定を行うことができたが、マグマ生成率の推定については研究期間内では終了せず、今後引き続き行うこととなった。

【研究の社会的意義】

本研究において、東北本州弧～千島弧におけるマントル温度構造のリファレンスモデルを提供する準備を整えることができた。このモデルはウェッジマントルの対流モデルの検証や物質循環モデルの構築に役立てることができる。さらに沈み込み帯の研究において残された最重要課題の一つである、ウェッジマントルにおけるスラブ流体の移動経路や移動速度について、重要な制約を得ることができた。また、残念ながら研究期間内では達成することができなかったものの、各活火山で推定されるであろうマグマ生成率は、過去の経験に基づく手法では予測できないケースについても対応できる、中長期的な噴火活動予測の新しい指標として役立てることができる。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】17,030千円 (直接経費: 13,100千円、間接経費: 3,930千円)

【研究分野】自然災害科学・防災学

【研究領域課題番号】16K12847 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

天変地異 / 地震 / 火山噴火 / 風水害 / 自然災害 / 泥雨 / 明治時代 / 防災 / 火山 / 黄砂

【研究成果の概要】

明治初期（おおむね明治20年まで）に発生した地震・火山噴火・その他自然災害（天変地異）について，カタログを作成した．この時期は，国の機関などによる体系的な観測および情報集約がおこなわれておらず，未知の事件が学問的には記録されないままになっている可能性がある．抽出した情報をデータベース化し，時系列や地域による並べかえ，検索などが容易にできるように工夫した．このデータベースはWeb上で公開した．

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2016-04-01 - 2018-03-31

【配分額】1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)

【研究分野】自然災害科学・防災学

【研究領域課題番号】16K01314 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

富士火山 / マグマ溜まり / 温度 / 含水量 / 噴火様式 / FTIR / 富士山 / FTIR 含水量 / 火山 / マグマ溜り / 水 / 防災 / 推移予測

【研究成果の概要】

富士火山のおよそ１万年前以降の２４回の噴火（爆発的噴火１８回，溶岩流噴火６回）の火砕物試料を分析して，活動したマグマの温度・組成と噴火規模・噴火様式との関係を調べた．噴火規模とマグマの状態・組成とには明瞭な関係が見られないものの，噴火様式とマグマの状態・組成とには関係性が認められた．これらの結果について，マグマ溜まりからのマグマの上昇開始の要因と上昇時のマグマ溜まりの相互作用という２つの観点から検討した．

【研究の社会的意義】

物理観測から得られる情報をマグマの性質に翻訳し，噴火前に噴火の様式や規模の推定を行うためには，まず，マグマの性質と火山噴火の様式や規模との関係性を明らかにする必要がある．本研究は，多数の火山噴出物の解析を通じて，火山噴火をもたらすマグマの挙動の理解し，噴火の推移予測を目指して行われた．

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)

【研究分野】自然災害科学

【研究領域課題番号】24404010 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

火山 / ラハール / 河床変動 / インドネシア / メラピ火山 / シミュレーション / 火砕流 / 水文観測 / 土砂災害 / 防災 / 自然災害 / 減災 / 火山泥流 / 警戒避難 / 洪水流・土石流 / 透水性

【研究成果の概要】

2010年の噴火後に土石流（ラハール）が頻発したインドネシア・メラピ火山において，現地調査を実施した．現地調査の結果と数値解析による予測結果を比較した結果，ラハールの氾濫箇所を予測するためには，精度の高い地形データの取得とラハールの流量の適切な予測が重要であることが分かった．噴火後は流域の地表の状態の変化にともなってラハールを発生させる降雨の条件や、発生するラハールの流量が経年的に変化する。ラハールの流量を適切に予測するためには、ラハールの流出率と流域の地表の状態の関係を定量的に評価することが必要である。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2012-04-01 - 2016-03-31

【配分額】17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円)

【研究分野】自然災害科学

【研究領域課題番号】23241055 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

火山 / 衛星 / リモートセンシング / Web / 火山防災 / 噴火推移 / 東アジア / 赤外画像 / 噴火 / 防災 / ウェッブ / ウエッブ

【研究成果の概要】

地球上には多数の火山が分布するが，その大半は恒常的な観測体制が敷かれていない．我々衛星赤外画像による観測システムの開発と観測に取組んできた．本研究は，旧来のMODISとMTSATから，新しいGCOM-C/SGLIとひまわり8号/AHIベースのシステムへの移行を進め，観測能力の向上を図った（GCOM-Cの打上は2016年末に延期された）．また．これらのデータを用いた観測手法の高度化について，高頻度低分解能(AHI)・中頻度中分解能(SGLI)・高分解能低頻度の3種類のデータを組合せて解析を行う方法を考案し，インドネシア，ラウン火山噴火を用いて具体的な検討を行い，その有効性を確かめた．

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2011-04-01 - 2016-03-31

【配分額】21,320千円 (直接経費: 16,400千円、間接経費: 4,920千円)

【研究分野】自然災害科学

【研究領域課題番号】19710150 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

火山噴火 / 津波 / 密度流 / 自然災害 / 地質学 / 堆積学 / 地球物理学 / 防災 / 火山

【研究成果の概要】

火山性密度流の海への突流入に伴い発生する津波の規模や,密度流の動きを支配する物理パラメータを明らかにするために,二層流モデルにもとつく水理実験と数値実験を行った.その結果,津波の発生効率には密度流の流量が大きく寄与すること,密度流の動きには主に底面摩擦抵抗が大きく効くことがわかった.また,モデルを1883年クラカタウ火山噴火に適用し,火砕流の海への突流入がこの噴火の津波発生機構として有力であるという結論を得て,モデルと手法の有用性を示した.

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2007 - 2009

【配分額】3,460千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 360千円)

【研究分野】自然災害科学

【研究領域課題番号】19310114 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

火山 / 噴火 / ロボット / システム / 野外実験 / 火山探査 / 火山噴火 / 野外走行実験 / 観測実験 / 防災 / MOVE / 機動基地局 / 近傍観測

【研究成果の概要】

危険な火山噴火現象の科学的理解と災害軽減と目的として、遠隔地から無線で操作することのできる火山探査ロボットシステムの開発を目指している。そのため特定領域研究「火山爆発」において制作した火山探査移動観測ステーションMOVEを核として、主として野外実験に基づいて開発のための課題と解決を探ろうとした。従来からの最大の課題として電波障害による無線操作の困難性がある。これを解決するため、本研究では車両の中に無線機や伸縮アンテナなどを搭載した移動基地局車を制作し、2009年の3月と10月の2回、阿蘇山と三原山において野外走行・観測実験を行った。その結果、無線操縦により、約2km離れた地点から山頂火口への移動が成功裏に行われた。ただし、実際にシステムを作り学術や防災のために役立てるには、更なる資金、人員の増加や運用組織の構築など、数多くの課題が残されていることも明らかになった。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2007 - 2009

【配分額】19,760千円 (直接経費: 15,200千円、間接経費: 4,560千円)

【研究分野】自然災害科学

【研究領域課題番号】18201034 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

火山 / 防災 / ウェッブ / 噴火 / リモートセンシング / 東アジア / Web

【研究成果の概要】

東アジアにおける噴火監視と噴火研究の基礎となる活動データの大規模収集を行うために,MODISとMTSATデータを利用した「複数の衛星を利用した準リアルタイム東アジア火山観測システム」の構築を行い,主要147活火山の常時監視を行った.これらのデータの解析結果に関して,ウェッブサイトを通じて広く公開すると共に,より詳しい噴火状況を知るため,高分解能衛星データや地上観測データを組合せて,統合的解析を試みた.

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2006 - 2009

【配分額】35,620千円 (直接経費: 27,400千円、間接経費: 8,220千円)

【研究分野】自然災害科学

【研究領域課題番号】15310125 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

火山 / ウェッブ / リモートセンシング / リアルタイムモニタリング / インターネット / 東アジア / 防災 / 赤外観測

【研究成果の概要】

2004年3月に故障したAVHRRの受信システムの復旧が計画通りに進まなかったため,一部計画を変更し,MODISデータを観測システムの中心とした.MODISはAVHRRとほぼ同じ分解能,波長域のバンドをもつことから,これまでに開発した解析手法をほぼそのまま利用することができた.
MODISデータは生産研究所に加えNASAゴダート宇宙飛行センターのデータも利用することとし,必要地域のデータを自動ダウンロードするプログラムを作成した.MODISでは,衛星にGPSシステムが搭載されており,軌道情報が正確に決まるため幾何補正の精度が上がり,AVHRRでは補正精度が低く適用はできなかった熱異常の自動検出ルーチンを組込むことも可能となった.解析結果は,現在http://vrsserv.eri.u-tokyo.ac.jp/REALVOLC/MODIS/で公開しており(各火山の最新の熱画像と過去1年間の熱異常の時間変動を示すチャート),これにより東アジアの主要100活火山の準リアルタイム観測システムが一応完成し,今後のより高度な観測・解析を行う基礎を築くことができた.
このような準リアルタイム観測システムの開発と共に,過去データを利用して,噴火活動に伴う熱異常の発生と地殻変動,地震活動,SO2放出率などの相互関係の検討を行い,衛星データの噴火予知研究への応用の可能性を探った.例として浅間火山の2004年〜2005年の活動を取り上げ,GPSデータから捉えた深部でのマグマ貫入イベントの発生に1〜2ヶ月遅れて,熱異常の発生(場合によっては噴火を伴う)が起きることなどを明らかにした.また,噴火に数週間先行して熱異常が発生することもわかり,衛星による火山観測の実用性を再確認した(結果は2006年1月「火山」に投稿).

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2003 - 2005

【配分額】7,400千円 (直接経費: 7,400千円)

【研究分野】自然災害科学

【研究領域課題番号】12780343 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

溶岩流 / 数値シミュレーション / 火山 / インフレーション / 冷却殻 / 溶岩チューブ / 防災 / 富士山

【研究成果の概要】

冷却殻が溶岩流の流動に与える影響について、実験を通じて新たな理論的解析手法を開発した。この際溶岩チューブの形成が問題となる為、野外調査を実施して溶岩チューブの重要性を確認した。
実験は冷却殻が成長しない非ニュートン流体(カオリン混濁液)と、冷却殻が形成されるニュートン流体(パラフィンワックス)の2種について行なった。そして、1.現実の溶岩に良く見られる幾つもの流れが重なり合う現象は、冷却殻の無い条件では再現できないこと、2.パラフィンの流れはレイノルズ数やペクレ数の意味で溶岩流と類似しているとともに、冷却殻が現実的に成長するので、溶岩流の様々な形態的特徴をうまく再現できること、3.冷却によるレオロジー的成層構造が流動形態に大きく影響を与えること、を明らかにした。
この実験結果から、冷却殻を持つ流れについて流れの分岐及びそれに伴う被覆域の成長に関する新しい理論を提案した。これは先頭が停止した後も背後からの流体の流入によって溶岩チューブを形成し、その時に増加した流体内部の過剰圧が流れの厚さの増加に寄与するというもので、その圧力と引張強度との兼ね合いで分岐の条件を見積もることができる。これは同時に、横方向へ被覆域が増加する場合の到達距離を、理論的に示す事になり、流れつづける溶岩流の横方向への成長限界を表すという意味で、防災面からも重要であると考えられる。この新しい理論によって初めて、いわゆる「バルク物性」を用いない方法で、溶岩流の巨視的な挙動を数値的に取り扱う事が可能になった。
ここで、溶岩チューブが被覆域拡大に重要な役割を果たす事が示唆された。しかし溶岩チューブは発見が難しく、詳しい研究が無い。そこで本研究は、地中レーダーで未発見の溶岩チューブを発見できる事を野外調査で明らかにし、今後具体的な事例に基づいた理論の検証が可能である事を示した。

【研究種目】奨励研究(A)

【研究期間】2000 - 2001

【配分額】2,200千円 (直接経費: 2,200千円)