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まぁーよしとしよう
はじめしゃちょーさん (先輩)
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東北沖地震の二面性
発表概要
東北地方太平洋沖地震の破壊プロセスを地震波の分析により解明した。 地震はプレート境界浅部では、海溝まで達する大きなすべりを引き起こし、さらにすべり過ぎることにより巨大な津波を発生させた。 一方で人が感じるような高周波の地震波(ガタガタ震動)はむしろプレート境界深部から放射された。 この奇妙な二面性は、地震発生プロセスの理解にとって重要である。
発表内容
3月11日の東北地方太平洋沖地震(以下東北沖地震と略す)は、日本史上最大のマグニチュード9という規模で東日本一帯を襲い、広範囲での揺れと巨大な津波によって日本社会に大混乱を巻き起こしている。地震発生時に、海底下の岩盤で破壊すべりはどのように進行したのか?これを解明することは、今回の地震による災害から未来への教訓を得るために、まず解決しなければならない問題である。当研究室は米国スタンフォード大学と共同で世界各地の地震波データを解析し、東北沖地震の全体的な破壊プロセスを解明した。その結果からは、マグニチュード9という近代地震学史上も希な巨大地震であるがゆえの、研究者も驚くような一種異様な二面的振る舞いが浮かび上がってきた。以下省略。
図1:3つの観測点における本震と前震の観測波形の比較。右は左の図の時刻0周辺の拡大図。本震のほうがむしろゆるやかな立ち上がりである。
図2:破壊プロセスの分析結果。左は最終的なすべり量、右は6つの時刻でのすべり速度の分布を表す。左図の下に全体的な時間変化を示す。左図白い線が海溝の位置。
図3:4つの段階の概念図
図4:高周波波動とすべりの分布。右図のすべり分布中に各色で示した時刻(単位は秒で地震発生時がゼロ)に放出されたS波が各観測点に到達する時刻を左図に線で示す。
(1)前震の地震波より本震の地震波の方がゆるやかに始まっている。
(2)上方(東向き)から下方(西向き)へと破壊すべりの進行方向転換が起きる。
(3)沈み込み帯の地震ではプレート境界をはさんで陸側が海側に乗り上げる(逆断層地震)。その反対、陸側が海側に対してずり落ちるような地震(正断層地震)はまず起きない。ところが地震直後マグニチュード6程度の正断層地震が2つ発生した(図2)。
(4)体に感じるようなガタガタという高周波の地震波はこのうち②と④の深部の破壊すべりからしか放射されていない。
(1)まず図3の①のように浅いところで最初の核爆発を起す。おそらく起爆剤である。
(2)次に②のように深いところで核爆発を起す。それが外側へ圧力を生み出す。高周波振動と音波を放出する。
(3)それが③のように滑り過ぎを引き起こす。ここに巨大津波が形成される。
(4)そして④のようにもっと深部にとどめの核爆発を起す。これもまた高周波振動と音波を放出する。これが今度は日本側への引き込みを誘導するために、いったん作られた津波が全部日本の方向にだけ誘導される。
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◆放射性物質の探知で最終確認可能
気象庁の関係者は「今回の地震が核実験によるものと推定される人工地震だという事実は、二つの面ですでに確認された状態だ」と話す。まず、人工地震と自然地震の違いは、地震波の波長で見分けることができる。自然地震は規模が大きいほど、断層が長い時間にわたって長く割れることで、地震波は低周波になる。一方、核実験による人工地震は、核爆弾が一瞬で破裂して発生するため、地震波が高周波になる。「同規模の地震でも高周波なら人工地震と判断できるし、核実験かどうかは地震波の分析だけでも確認可能だ」と専門家らは話す。気象庁は「済州島を除いた全国100カ所に設置された地震波観測所すべてで、人工地震であることを知らせる(高周波)波動が観測された」と話した。
人工地震と自然地震を見分けるもう一つの要素は、空中を行き来する音、つまり音波の観測だ。気象庁のユ・ヨンギュ事務官は「自然地震とは違い、核実験では音波が観測されるが、(今回の核実験当時)全国5カ所にある音波観測所のうち2カ所で音波が観測された」と述べた。最終確認は放射性物質の検出によって行われる。核爆弾を爆発させる実験を行ったなら、ウラニウムやプルトニウムが壊れ放射性物質が発生する。核実験は放射性物質の流出を防ぐため、普通地下1キロの地点で実施されるが、北朝鮮は山に横方向から斜めに坑道を掘る方式を選んだものと分析されている。山の高さのおかげで地下に掘り進めたのと同等の効果を得られるためだ。
人工地震の見分け方
(あ)地震波の波長で見分ける。
自然地震の地震波 → 低周波。
核実験による人工地震の地震波 → 高周波。
(い)地震による音波で見分ける。
自然地震 → 音波は出ない。
核実験による人工地震 → 音波が出る。
津波に伴う微弱音波検知 核実験の監視施設で
東日本大震災の震源域付近で、津波の海面上昇による大気の圧縮で生じたとみられる微弱な長周期の音波を、包括的核実験禁止条約(CTBT)に基づき核実験を監視している千葉県とロシアの施設計3カ所で検知していたことが、日本気象協会の解析で23日までに分かった。
千葉で検知されたのは地震発生約17分後。気象協会は「音波測定で津波の規模を推定できる可能性がある。今後の研究次第では、強い揺れを伴わず大津波を起こす明治三陸地震(1896年)のような津波地震の防災情報に有効かもしれない」としている。
協会によると、音波を観測したのは津波発生海域から約300キロの千葉県いすみ市と、1000~1900キロのロシアのウスリースクとペトロパブロフスクカムチャツキーの「微気圧振動監視観測所」。地上の核爆発で生じる微弱な気圧の乱れを監視している。
いすみ市の観測所では大震災発生約17分後の3月11日午後3時3分ごろから約12分間、約20パスカルの気圧変動でできた音波を確認。人間の耳では聞き取れない長い周期で、震源域付近から伝わったと推定できるという。
ロシアの2観測所のデータも検証した結果、ほぼ同じ長周期の音波を約1時間~1時間40分後に捉えており、音波がほとんど衰えずに伝わったとみられる。
微気圧振動監視観測所は、CTBT署名各国が整備を進める核実験監視システムの一環。いすみ市の観測所は政府の委託を受け、日本気象協会が04年から運用している。
3・11地震の振動、電離層まで到達
3月11日に発生した東北地方太平洋沖地震の振動は、大気圏外まで到達しかねない強さだったということが、最新の研究で明らかになった。
揺れる大地の上下動と押し寄せる津波によって生じた振動は、上空に横たわる大気を上へと押し上げていたと、アメリカ、イリノイ州にあるノースウェスタン大学の地球物理学教授エミール・オカル氏は言う。オカル氏は今回の研究チームには参加していない。
このような影響はこれまでの地震でも確認されていたが、今回の日本の地震で生じた振動は観測史上最大の規模だった。
この振動は低周波数の音波に似ており、地上ではごく小さく、せいぜいその振動の元となった上下動と同じくらいの規模でしかない。ところがこの振動が大気の薄い上空へ伝わっていくと、その波は大きくなるとオカル氏は話す。
今回の地震から生じた波動が飛行機の巡航高度(9100メートルくらい)まで到達したときには、振幅が1メートル程度まで拡大していた可能性があるとオカル氏は言う。振動は通常の均衡状態からこの程度までは増幅するもので、この程度では航空機の乗客は揺れを感じることすらない。
だがさらに上空の電離層では、この波動は元の規模の数千倍まで増幅されていたと、台湾国立中央大学宇宙科学研究所の劉正彦(Liu Jann-Yenq)教授らの研究チームは言う。
◆地震の波動を利用して津波を監視できる?
電離層は比較的高温のガスでできている。高度が高いため、強烈な太陽光の影響を受けて、ガスは電荷を帯びている。
上へと伝わってきた地震の波動がこのガスを圧縮し、その影響はGPSに使われる電波などにも現れるほどだった。
「もし、きわめて正確なGPS装置を持っていれば、(信号の乱れを)確認できる」とオカル氏は言う。
こうしたGPS信号の乱れを利用して、津波が外洋にあるうちから追跡しようと提唱している研究者もいる、とオカル氏は言い添える。
だがオカル氏は、それが警告システムとして実用性を持つとは考えにくいとしている。信号の変化を確認できるほど正確なGPS受信機は陸上にしかないので、信号の乱れを捉えられた時には、津波はもう海岸に到達している、というのがその理由だ。
オカル氏によると、電波が電離層で反射するのを利用して水平線以遠を観測するOTHレーダー(over-the-horizon radar)にも同様の影響が現れ、こちらのほうが利用できる見込みが高い。
「津波の警告システムを改善できる可能性があるとして、これに取り組んでいる研究者もいる」とオカル氏は言う。 今回の研究は「Journal of Geophysical Research」誌6月28日号に掲載された。