地震計は、自分も揺れるのにどう測る？｜地面とおもりの動きを比べる

地震計は地面に設置されています。地面が揺れれば、地震計の台も一緒に動きます。それなのに、どうして揺れを記録できるのでしょう。装置の中のすべてが全く同じように動いたら、内部の位置関係は変わりません。測定の仕組みを読むには、地面と一緒に動く部分と、同じには動かない部分を分ける必要があります。

ここでは、振り子のおもりと記録紙を使う昔ながらの模型を考えます。実際の地震観測には、電気的な検出や制御を使うさまざまな装置があります。模型の絵は原理を理解するためのもので、現在のすべての地震計にペンと紙が入っているという意味ではありません。

基準にするものを、一つ決める

台が横へ急に動くとき、おもりはもとの運動の状態を保とうとするため、台と同じだけは動かない場合があります。この違いを使うと、台に対するおもりの位置の変化を記録できます。地面から見た動きと、外から見た動きは同じではありません。

例えば、台が右へ動き、おもりがほぼその場に残る模型なら、台から見ておもりは左へずれます。「おもりが左へ動いた」と答える前に、何を基準にした左なのかを確かめましょう。図に二本の矢印があっても、片方は地面の動き、片方は装置に対する相対的なずれを示しているかもしれません。

例題の位置関係を単純化した図。台が右へ3mm動き、おもりがほぼ元の位置に残ると、台から見たずれは左へ3mmになる。

教科書の模型では「おもりは動かない」と簡単に説明することがあります。しかし、実際にはつるす部分やばねなどを通じて力を受けます。揺れの速さと装置自身の揺れやすさの関係によって、動き方も変わります。ゆっくり台を移動させた場合まで、おもりが永久に同じ場所に残るわけではありません。

したがって、例題に「この短い時間、おもりはほぼ動かないとする」と条件があれば、その近似を使います。条件を使って解くことと、現実のどんな場合にも成り立つ法則に広げることは違います。装置を単純化した図ほど、どの動きを省いているかに注意します。

地震の波形には、横軸が時刻、縦軸が変位、速度、加速度などを表すものがあります。見た目が似た波線でも、同じ量を描いているとは限りません。縦軸の単位や倍率が違えば、紙の上で線が大きく振れているものが、そのまま強い揺れとは言えない場合があります。

震度は観測地点での揺れの強さ、マグニチュードは地震そのものの規模を表します。地震計の線を一つ見ただけで、条件を無視してどちらかの値を決められるわけではありません。図を見たら、軸の名前、単位、目盛りを先に読みます。線の形から考えるのは、そのあとです。

単純化した模型で、地面と台が右へ3mm動きました。この短い時間、おもりは外から見てほぼ同じ位置に残ったとします。台を基準にすると、おもりはどちらへ何mmずれたことになりますか。

答え・解説： 左へ3mmずれます。台だけが右へ進んだので、台の上の目盛りから見ると、おもりが左側へ取り残される関係になります。外から見たおもりの移動がほぼゼロであることと、台に対するずれがゼロでないことは矛盾しません。基準を明記するのがポイントです。

二つの記録は、どちらも同じ方向の地面の変位を示します。Aは記録上1cmが実際の1mm、Bは記録上1cmが実際の0.2mmに対応します。ゼロの位置からの最大のずれは、Aが2cm、Bが5cmでした。実際の変位が大きいのはどちらですか。

答え・解説： Aは2×1＝2mm、Bは5×0.2＝1mmなので、Aです。紙の上の線はBのほうが大きくても、尺度が違います。「振幅」と「端から端までの幅」を混ぜないよう、今回はゼロからのずれと指定しています。この比較だけで震度やマグニチュードを求めたことにはなりません。

装置の図で迷ったら、まず地面と固定されている部品に印をつけます。次に、おもりの動きについて問題がどんな条件を置いているかを探します。最後に、何と何の差を、どんな単位で記録するかを確認します。この三段階なら、見慣れない形の測定器でも読み方を組み立てられます。

現代の測定器では、動きを抑えるための制御に必要な力から加速度を測る方式などもあります。単純な振り子模型だけを唯一の仕組みとして覚えず、「比較できる基準を用意して、地面の動きを信号にする」という役割を押さえます。地震の図は地学の知識だけでなく、物体の動きと測定の考え方をつなぐ題材です。