2017 Fiscal Year Annual Research Report
多項目観測による噴火機構の特定に向けた室内実験：噴火に伴う空振を用いた噴出率推定
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16J06324
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
菅野 洋 東京大学, 大学院理学系研究科, 特別研究員(DC1)
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2016-04-22 – 2019-03-31
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| Keywords | 自励振動 / 室内実験 / 空振 / ノコギリ波状波形 / アレイ解析 / 多項目観測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究実績を空振記録解析, 数理構造整理, 実験装置改良にわけて以下に報告する。
[桜島空振アレイ解析と火口近傍空振記録・火口カメラ映像比較] 実験データと観測記録の比較に向けて, 桜島昭和火口から南東に11km離れた空振アレイのデータを解析した. 長期間のアレイ解析により, 空振活動の時間変化を捉えることができた. 火口近傍観測点の空振記録周波数構造とカメラ映像によれば, 噴火活動に対応する空振周波数構造には基本的に0.4-1Hzにノッチが存在するが, 連続灰噴火に伴う微動型空振のみ例外的にノッチをまたいだピークシフトを示した. 空振記録の周波数構造の違いは発生機構・伝播経路の変化を示している可能性があり, 実験と観測記録とを繋ぐ上で, 大きな手がかりになると考えている.
[実験モデルの数理構造の整理と噴火モデルとの対応関係] 論文の再投稿に向けて, 実験の数理構造を整理した結果, 実験の数理構造は非爆発的な溶岩ドーム噴火と類似していることがわかった. 一方, 溶岩ドーム振動モデルでは, 定常解の不安定性による振動の発生が考えられているのに対し, 実験における周期的振る舞いは流動様式の遷移が重要な役割を果たす. 従ってこの実験の振る舞いは, 爆発的噴火サイクルにより近い. また, 流動様式遷移過程に関して, 簡単なモデルを立てて数値計算を行うことで, 不規則な流動構造変化によって大きく周期が乱されることがわかった.
[実験装置改良着手] 非周期的振る舞いの解明のため, 詳細なパイプ内の流動状態変化, 計測波形との対応を調べる必要があると考え, 実験装置を改良して新たに実験に着手した. パイプ-チャンバー継ぎ目を極力減らし, 流れ全体を可視化した. バックライトをより輝度の高いものに変更し, 高フレームレートの撮影ができるように改良した. H29年度末から実験を開始している.
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
現在本研究は気液二相流の実験において, 活動的な火山に見られるものと類似した振動現象を見出し, 普遍的なメカニズムの解明に取り組んでいる. このテーマは, 当初申請されている研究課題に厳密に従うものではないが，火山の振動現象の多項目観測データを噴出機構の特定に結びつけるための重要な知見が得られると考えている. 平成２９年度は, これまでの成果を論文にまとめることに大半を費やした. 見掛け上異なる現象を, 数理的共通性を介して結びつけるというアプローチは, 火山学での常套的研究手法ではなく, 論文での説明には苦闘した. 幸い, 優れた編集者と査読者を得て, 批判的ながら的確なコメントを受け, 研究自体を大きく進めることができた. 特に, 数理構造を整理し直したことによって, 一見現象としては異なる低粘性流体を用いた二相流実験と, 高粘性マグマの溶岩ドーム噴火の周期的噴火サイクルモデルに同じ数理構造が潜んでいることを見出すことができたのは大きな進捗であった. また, 数理モデルの数値計算によって, パイプ内の "下降流" によって内部の流動構造が乱されることによって, 周期的振る舞いが発生することも突き止めることができた. この論文はH29年度末にはAssociate Editorからのアクセプトを得ており, 主編集者から好意的な評価とともに微修正の指示を受けて対応中である. また, その間に, 次へのステップとして, 実際の火山の多項目観測データの解析にも着手し,実験から得られた知見を, 実際の火山現象の理解につなげるための準備を進めている. H29年度末に改良した装置も順調に動作しており, 着実に研究は進んでいる.
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| Strategy for Future Research Activity |
改良した実験装置を用いて新たに実験を行い, 非周期的な振る舞いが発生しているときのパイプ内の流動の様子と圧力, 空気振動, そしてイベント発生間隔を精査する. この実験の解析によって, それぞれの計測量とイベント発生間隔や規模の関係を明らかにできる可能性を秘めていると考えられる.
実験結果の解析と数理モデルの考察から, 実験においては, パイプ内を流れ下る “下降流”によって流動構造が大きく変わるようなイベントが周期性に大きく影響を及ぼしており, このイベント発生時には特徴的な空気振動が発生していることがわかっている. 今後は2015年と比較してより活動が活発であった2011年頃からの桜島観測記録や, 噴火中に噴出物の火口へのフォールバックが発生していると思われる新燃岳噴火の記録を中心に, 観測波形, 映像記録とイベント発生間隔を精査することによって, 実験から示唆された結果と観測記録との対応を探る.
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Research Products
(4 results)
