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Soil water measurements with cosmic-ray showers for better correction of gravity data at active volcanoes

Research Project

Project/Area Number 19K14810
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 17040:Solid earth sciences-related
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

Nishiyama Ryuichi  東京大学, 地震研究所, 助教 (10835101)

Project Period (FY) 2019-04-01 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2021: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2020: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2019: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Keywords宇宙線 / 電子・陽電子・ガンマ線 / 土壌水分 / 地下水 / 火山 / 重力 / 電磁カスケード / 宇宙線電磁成分
Outline of Research at the Start

火山噴火に伴うマグマの移動を検出したい.そのために,地表における重力加速度の大きさを常時モニターしている.マグマが地表に近づくと,その効果が万有引力の強弱として捉えられるはずであるからだ.しかし実際には,降雨にともなう地下水による万有引力の擾乱が,マグマによる微弱な重力変動をマスクしてしまうことが知られている.本研究はこのような地下水擾乱の問題を解決するために,宇宙から降り注ぐ宇宙線の観測(なかでも電子・光子などの電磁成分)を併用する.具体的には,宇宙線の時間変動から観測点周囲の土壌水分量を直接的に測定し,連続重力データから地下水の効果を取り除き,マグマの移動をクリアに描き出すことを目指す.

Outline of Final Research Achievements

This study aimed to estimate and effectively correct changes in soil moisture associated with rainfall, which act as noise in capturing gravity variations accompanying volcanic activity, through measurements of cosmic ray electromagnetic components. Specifically, we conducted empirical observations in the Arimura observation tunnel at Sakurajima and a horizontal tunnel in Kagoshima City, confirming a significant decrease in the intensity of cosmic ray electromagnetic components during rainfall. Additionally, we successfully constructed a model to calculate deformation fields and gravity changes resulting from the accumulation of new magma in magma reservoirs directly beneath volcanoes. Thus, this study contributed fundamental research results towards modeling gravity changes associated with volcanic activity and reducing rainfall-induced noise for capturing these gravity changes.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究の学術的意義は、火山活動に伴う重力変動の正確なモニタリングにおける課題を克服することである。本研究は、宇宙線電磁成分を利用することで、降雨によるノイズを補正し、火山活動に伴う重力変動をより正確に捉える手法を提案した。提案手法は、既往のセンサを埋め込む方法・宇宙線中性子を用いる方法に対して、非侵襲性や広範囲の観測が可能であり、これらの手法が抱える限界を克服する可能性がある。社会的には、災害管理や防災政策の向上に貢献し、火山活動による被害を最小限に抑えることが期待される。特に、降雨による土壌水分の増加は、土砂崩れ発生の重要な要因であるため、その方向に応用が拡がれば社会的意義が大きい。

Report

(6 results)
  • 2023 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Research-status Report
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report
  • 2019 Research-status Report
  • Research Products

    (9 results)

All 2024 2023 2022 2019 Other

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 3 results) Presentation (3 results) Book (1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Detectability of gravity changes on the sea surface due to magma accumulation beneath submarine volcanoes2024

    • Author(s)
      Nishiyama Ryuichi
    • Journal Title

      Geophysical Journal International

      Volume: - Issue: 1 Pages: 33-42

    • DOI

      10.1093/gji/ggae146

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 宇宙線を用いた土壌水分量把握による土砂災害の予測2023

    • Author(s)
      西山竜一
    • Journal Title

      京都大学防災研究所共同研究報告書

      Volume: -

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Open Access
  • [Journal Article] Deformation of an infinite elastic cone due to a point pressure source buried on the axis: implications to volcanic deformation2023

    • Author(s)
      R. Nishiyama
    • Journal Title

      Geophysical Journal International

      Volume: 232(2) Issue: 2 Pages: 1129-1139

    • DOI

      10.1093/gji/ggac379

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Radiography using cosmic-ray electromagnetic showers and its application in hydrology2022

    • Author(s)
      A. Taketa, R. Nishiyama, K. Yamamoto, and M. Iguchi
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 12 Issue: 1 Pages: 20395-20395

    • DOI

      10.1038/s41598-022-24765-7

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 点圧力源による円錐地形の変形と重力変化2023

    • Author(s)
      西山竜一
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合大会2023年
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 坑道での宇宙線空気シャワー観測による土壌水分量の測定2023

    • Author(s)
      西山竜一・武多昭道・山本圭吾・井口正人
    • Organizer
      令和4年度京都大学防災研究所研究発表講演会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 桜島での連続絶対重力測定2019

    • Author(s)
      西山竜一,今西祐一,武多昭道,大久保修平,山本圭吾,井口正人
    • Organizer
      災害の軽減に貢献するための地震火山観測研究計画第2次桜島大規模噴火総合研究グループ研究集会
    • Related Report
      2019 Research-status Report
  • [Book] Joint Inversion of Muography and Gravity Data for 3D Density Imaging of Volcanoes (in AGU Monograph "Muography")2022

    • Author(s)
      R. Nishiyama
    • Total Pages
      10
    • Publisher
      Wiley
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Remarks] 地形を考慮した宇宙線伝播シミュレーションコード(Geant4により開発)

    • URL

      https://github.com/r-nishi-eri/muography-simulator

    • Related Report
      2019 Research-status Report

URL: 

Published: 2019-04-18   Modified: 2025-01-30  

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