2015 Fiscal Year Annual Research Report
海底開発による環境影響評価に向けたラマンライダーによる海中モニタリング技術の開発
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15H05336
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| Research Institution | Institute for Laser Technology |
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Principal Investigator |
染川 智弘 公益財団法人レーザー技術総合研究所, その他部局等, 研究員 (00508442)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 応用光学・量子光科学 / 環境分析 / リモートセンシング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
日本の領海・排他的経済水域は国土面積に比べて12倍程度と広く、海底鉱物資源・メタンハイドレート掘削、CO2を海底地層に圧入して大規模削減を目指すCCS等の有効な海底利用が計画されている。海底開発では資源探査手法だけでなく海洋生態系・環境への影響評価が必要とされているが、現状の採取・採水測定では頻度とエリアに限度があり、海中での効率的なモニタリング手法の開発が必要である。そこで、海底を効率よくモニタリングするために、レーザーを用いたリモートセンシング技術であるライダーを利用した海中モニタリング技術を開発する。水に溶けているガスのラマン信号から3次元マッピング観測を行い、効率的な海中モニタリングを目指している。
現有の技術シーズである水溶存ガスラマンライダーの海中での適用可能性を検討するために、水深が20mと浅い箇所からメタンガスを主成分とする火山性ガスが湧出する竹富島海底温泉での海中モニタリングを実施する。H27年度では波長355 nmのナノ秒パルスレーザーを用いて、水溶存メタンガス、メタンガスのラマン分光測定を行い、海中モニタリングに最適なメタンのラマン波長を決定した。水溶存メタンガスのラマン信号は波長395.6 nmに観測され、水の波長403.7 nmにピークを持つブロードな信号の裾に観測される。メタンガスは水への溶解度が低いことから、水溶存メタンの観測は難しい可能性があるが、気泡として湧出する竹富島の海底温泉のように、ラマン信号強度が大きなメタンガス気泡と共存する観測系では観測が可能であると考えられる。また、模擬海水を用いた波長355 nmによる海水含有有機物の蛍光の影響も評価した。本実験で使用した標準海水は、天然の海水を濾過してゴミを取り除き精製しており、通常の海水に含まれる有機物等は含まれているが、355 nmのレーザー照射で有機物による蛍光は見られなかった。
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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
これまでの水溶存CO2ガスのラマン分光には水の透過率が比較的高い波長532nmのレーザーを用いていたが、メタンガスのラマン信号（2911cm-1）は629.5nmであるため、得られるラマン散乱光の水による減衰が大きい（水1m伝搬で透過率は約72.6%）。そこで、水溶存メタンガスラマンライダーでは波長355nmのレーザーを利用した。
実験に使用した高圧チャンバーは10 MPaまで耐圧があり、300 mlまでの水を入れることができる。チャンバーはサファイア窓を4面備えており、ガスボンベ圧を利用し、高圧のメタンガスを高圧チャンバーに導入する。ガスは接している水の表面から溶解するため、チャンバー中の水を羽根で5分間程度撹拌させることによって均一にガスを溶解させた。メタンガスの圧力は1 MPaまでとし、水に溶存させたメタンガスだけでなく、メタンガスのラマン分光測定を実施した。
水溶存メタンガスのラマン信号は波長395.6 nmに観測され、水の波長403.7 nmにピークを持つブロードな信号の裾に観測される。また、メタンガスのラマン信号は波長395.7 nmに観測され、メタンガスは水に溶存することで0.1 nmだけ波長が低波長側にシフトすることがわかった。メタンガスは水への溶解度が低いことから、水溶存メタンの観測は難しい可能性があるが、気泡として湧出する竹富島の海底温泉のように、ラマン信号強度が大きなメタンガス気泡と共存する観測系では観測が可能であると考えられる。
標準海水に波長355 nmのナノ秒パルスレーザーを照射し、標準海水に含まれる有機物による蛍光の影響を評価した。本実験で使用した標準海水は、天然の海水を濾過してゴミを取り除き精製しており、通常の海水に含まれる有機物等は含まれているが、355 nmのレーザー照射で有機物による蛍光は見られなかった。濾過で取り除いた成分により蛍光が生じる可能性があるために、実際の海水でも蛍光の影響評価は必要ではないかと考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では、現有の技術シーズである水中ガスラマンライダーの海中での適用可能性を検討するために、水深が20mと浅い箇所からメタンガスを主成分とする火山性ガスが湧出する竹富島海底温泉での海中モニタリングを実施する。H27年度では水溶存メタンガスのラマン分光測定を行い、使用するレーザー波長、海中モニタリングに最適なメタンのラマン波長を決定した。H28年度では、得られた結果を基にして、海上観測に向けた水中ガスラマンライダーシステムを開発する計画である。
竹富島海底温泉での観測実績のある現地の実験コーディネーターと打合せを行い、現場での観測に適した水中ガスラマンライダーを開発する。現状では、波によるレーザー照射位置のずれを軽減させるために、クレーン等で吊るした測定システムを検討しており、観測船で吊るすことが可能な重量と大きさからレーザー等を検討する予定である。また、必要な電気容量を見積もり、最適な携帯型の発電機も検討する。
開発した水中ガスラマンライダーシステムの調整は、吹き抜け建屋の2階に観測システム、1階にメタンガスセルや水を設置するなどして、実際の観測のようにシステムを配置して実験を行う。開発したシステムを実際に使用することで問題点を抽出し、得られるラマン信号によって測定限界等を評価する予定である。
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