震度
地震における震度（しんど、英: seismic coefficient）とは、地震動の強さを表す尺度を言う。工学的震度という場合、主に地震動の加速度を言う。
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工学的震度
地震動の強さを表す尺度として気象庁震度階級は便利なもので一般にも広く普及しているが、当初は個人の主観に頼って階級判断されていたこともあり、客観性のある尺度としては不十分なものであった。そのため、建築物の耐震設計などをするにあたっては科学的に正確な尺度として用いることができず、別途地震動の強さを表す工学的定義が必要となる。現在においては以下の加速度による定義（佐野震度）がよく用いられている[1]。
佐野震度（Sano's seismic coefficient）
大正５年（1916年）に、佐野利器は著書『家屋耐震構造論』の中で、耐震計算をするための尺度として、地震動の強さは地震波の最大加速度 α に比例するものと考えα の重力加速度 g（= 980 Gal）に対する比 K を震度（seismic coefficient）と名付けた（佐野震度）[2]。現在においては工学的震度とも呼ばれる[3]。
- 佐野震度 [math] K = \alpha / g [/math]
地震動による水平加速度 αh、鉛直加速度 αv が問題となるときは、
- [math]K_h = \alpha_h/g \ ,\ K_v = \alpha_v /g [/math]
とし、それぞれ水平震度（horizontal seismic coefficient）および鉛直震度（vertical seismic coefficient）と呼ぶ。なお、耐震設計においては基本的に水平震度が問題となる[4]。
この震度概念の導入は、物体が地震動を受けることによってかかる力（地震力）の算出を簡明にした。
いま、（質量ではなく）重量 W kg重 の物体が α Gal の地震動を受けたとする。このとき、物体の質量を m とすると、ニュートンの運動方程式から地震力 F は
- [math]F = m \ \alpha [/math]
となる。ここで、重力加速度は地球上ではほぼ一定の g であることから m = W/g となるので、
- [math]F = m \ \alpha = \frac{W}{g} \alpha[/math] = [math]\left( \frac{\alpha}{g} \right) W = K W[/math]
が導かれる。
すなわち、重量 W kg重の物体が震度 K の地震動を受けるとき、地震動の方向に
- 地震力 F = KW (単位：kg重)
を受けることとなる。
他の工学的な震度（速度によるもの）
一般には地震の強さは地震はの加速度に比例すると考えられ、主に工学的震度（佐野震度）K が用いられているが、震害の大きさは一概に工学的震度 K に比例するわけではないこともあり、他にも定義が存在する[5]。
- ハウスナーのスペクトル強度（SI, Spectral Intensity）
- ハウスナー（G.W. Hausner）は、地震の強さを測る強度として、応答速度スペクトル[6]と呼ばれるものを周期 0.1 secから2.5 secの間で平均し
- SI(cm/s) = [math]\frac{1}{2.4}\int^{2.5}_{0.1}S_v dT[/math]
- という量を定義し、これをスペクトル強度（SI, Spectral Intensity）と名付けた[7]。
震度階級
地震動の強弱を表す尺度としては震度階級（seismic intensity scale）または単に震度階と呼ばれるものもある。それぞれ揺れの違いがある10前後のレベルで表現され、世界では地域により定義の異なるいくつかの震度階級が用いられている。現在の日本では気象庁震度階級が使われており、日本では一般的にこれを「震度」と呼ぶ。なお、震度階級と工学的震度（佐野震度）の強さは一概には比例しない。
震度階級の性質
震度階級は、断層破壊で放出されるエネルギーの大きさを表すマグニチュード（地震のエネルギーの規模）[8]とは異なり、観測する地点によって全く異なる。なお、マグニチュード（規模）が大きな地震ほど、最大震度階級も比例する形で大きくなる関係にある。震源が浅い直下の地震では、マグニチュードの値と気象庁震度階級の値がほぼ同じ数値になることが経験的に知られていて、例えばマグニチュード4程度の地震では最大震度はおおむね4以下（計測震度4.5未満）となることが多い。ただし、地盤の固さや震源の深さなどにより、最大震度は比例関係から外れ大きくなる場合がある。その地震によって各地で観測されたうち、最大の震度階級を最大震度階級（maximum seismic intensity scale）という[9]。
原則として、震度階級は震源（震央）からの距離に逆比例し、震源から遠いほど震度階級は小さくなる[10]。最大震度階級は震源の直上である震央付近となるのが普通で、震度階級の広がりを地図上に表すと同心円に近い分布をとる[11]。
震度階級の種類
震度の階級表は国際的に統一された標準的な規格はなく、それぞれの国や地域が採用したいくつかの指標がある。主な海外で使用されている震度階級としては以下のようなものがある。なお、それぞれの震度階級の間で、数式などを用いて対応関係を示すことは難しい。また同じ震度階級でも機関によって運用や基準が異なり、単純に同じとはみなせない場合がある。各国の気象機関で公式に使用する震度を定めていないところも多いが、メルカリ震度階級を使用するところが多い。
- 気象庁震度階級
- 日本の気象庁震度階級は、現在では機械による計測値、いわゆる「計測震度」を使用しており[12]、デジタル震度計が観測した計測値を10段階に換算して気象庁が発表している[13]。また、気象庁は地震や津波の早期周知のため、地震発生数分以内に報道機関などに震度を含めた地震情報を発表している。震度3以上の場合は都道府県を数個に区切った地域ごとの震度、そののちに地点ごとの震度という形で段階的に詳細な情報が発表される。大規模な地震では、その後にデータを詳細に分析するなどして、推計震度分布図も作成される[14][15]。なお、日本以外の多くの地域では、加速度計や地震計といった機械のデータも参考にされるが、主に人体感覚や被害の程度などを総合的に勘案して、人が判定している。日本でも1996年9月までは、気象台の職員が、体感や被害などから判定していた。
- ロッシ・フォレル震度階級
- ロッシ・フォレル震度階級は、1873年ごろに出てきた地震の強さをIからXの10階級に分類した震度階級である。Xの適用範囲が広すぎること、ヨーロッパの生活を基にした基準であり、メルカリ震度階級が出てきたこともあり、次第に使用されなくなった。
- メルカリ震度階級
- メルカリ震度階級はロッシ・フォレル震度階級から発展したもので、1902年ごろに出てきた13階級からなる震度階級表である[16]。後に何度か修正が重ねられ、メルカリ・カンニーニ・シーベルグ震度階級（Mercalli-Cancani-Sieberg intensity scale、MCS scale）が提案され、1931年にはメルカリ・ウッド・ニューマン震度階級（Mercalli-Wood-Neuman intensity scale、MWN scale）となり、現在ではIからXIIの12階級からなる修正メルカリ震度階級（Modified Mercalli intensity scale、MMI scale）という。アメリカ、韓国などの国で使われている。
- メドヴェーデフ・シュポンホイアー・カルニク震度階級
- メドヴェーデフ・シュポンホイアー・カルニク震度階級は、ヨーロッパでは日本の気象庁震度階級とも修正メルカリ震度階級とも異なる別のものを使用している国があり、国際間の情報交換に都合が悪かったことから、国際的に統一した震度階級として提案されたIからXIIの12階級からなる階級表である。1964年の会議の議題となったが結局見送りとなり国際的な統一とはならなかった[17]。CIS諸国、東欧諸国、イスラエル、インドなどで使われている。
- 中国震度階級
- 中国震度階級は、1980年ごろに出てきた（1999年改正）中華人民共和国で使われるIからXIIの12階級からなる震度階級表である。
- ヨーロッパ震度階級
- ヨーロッパ震度階級は、ヨーロッパ地震学委員会によって1988年ごろに提案され、ヨーロッパ各国で1から12までの12階級からなる震度階級表である。
- 中央気象局震度階級
- 中央気象局震度階級は、台湾の中央気象局が2000年から1996年9月30日以前の旧気象庁震度階級を参考にした0から7の8段階の震度階級である[18][19]。
脚注
- ↑ 大崎(1983) p.49
- ↑ 武藤(耐震設計1) pp.1-2、１５耐震設計と今後の課題
- ↑ 大地(1984) p.13
- ↑ 例えば、構造計算法の中の許容応力度計算（一次設計）では、地震力を決める係数のひとつとして標準せん断力係数Coを用いており、通常0.2、軟弱地盤における木造建築物では0.3とされていて、それぞれおよそ水平震度0.2、水平震度0.3に相当する（厳ｇ密には地域係数、振動特性係数など他の係数も関係するため若干異なる）。建築物の地上階の設計においては、1981年以前の法令で『水平震度』が規定されていたが現行法令上は標準せん断力係数がこれを代替している。地下階の設計においては法令上も『水平震度』が登場する。ここでいう水平震度0.2は水平加速度0.2g=約200ガルに相当する。 なお、耐震基準で定める一次設計水平震度0.2を超えると建物は損傷を起こし始め、二次設計水平震度1.0を超えると倒壊が始まるとされる。こう考えると1000ガル程度の地震で建物が倒壊するように聞こえるが、実際の地震では最大加速度は一瞬にしか現れないので、通常はこの数倍の最大加速度の地震に耐えることができる。ただし、卓越周期（その建物を揺らした地震動の周期をスペクトルで表した時に大きな値をとる周期）が固有振動周期に近い地震動ではこの限りでない。
- ↑ 大地(1984) p.15
- ↑ 建物を揺らす地面の地震動を速度の周期分布で表現したのが速度表面スペクトルである。これに対し、地震動に呼応して建物自体が揺れる振動を速度の周期分布で表現したのが応答速度スペクトルである。一般的に前者よりも後者の方が大きな速度値をとり、またピーク周期も異なるため、建物被害を考える上では後者の方が重要。
- ↑ ただし、固有周期2.5秒を超えるような長周期地震動はSI値の定義外のため、被害との相関性が低くなる。
- ↑ マグニチュードは「地震のエネルギー規模」を表すもので、マグニチュードが大きくなれば最大震度も比例する形で大きくなるが、逆に同じマグニチュードでも最大震度の差異を生じることもある。小さな揺れが広範囲に渡ったり、長時間揺れれば、マグニチュードは相対的に大きくなる。これに対して、震度は実際の揺れの測定値であり、地震の発生源が浅ければ（地表に近ければ）、マグニチュードが小さくても最大震度が大きくなる場合もある。震度は地震動の強さを表し、1つの地震につき場所によって多数の値をとる（後述の「最大震度」だけは1つの地震につき1つの値をとる）。
- ↑ 報道における「震度○の地震」という表現は、「その地震の最大震度階級」を意味する場合と、「その地震における、ある地点の震度階級」を意味する場合があり、最大震度階級を容易に特定できない場合もあるため、注意を要する。
- ↑ 厳密には震度階級は震央からの距離に逆比例し、震央からの距離が同じ地震でも、震源の深さが深くなるほど、同じ地点でも震度階級は小さくなる。なお、日本付近の約100kmより深い太平洋プレートで発生する深発地震の中には、プレートの重なりの原因の異常震域のため、震央で揺れが小さいにもかかわらず東北地方や関東地方の太平洋岸で揺れが大きくなる事例がしばしば見られる。
- ↑ ただし、主に地表付近の地盤の固さや地下のテクトニクス構造（プレートの重なりの構造）の違いが揺れを増幅させたり減衰させたりして、震度階級が周囲より大きくなった小さくなったりすることがある。これが顕著なところを異常震域ということがある。
- ↑ なお、震度の定義は何度か改定されている場合が多く、研究資料として用いる場合の連続性が問題となる場合がある。気象庁震度階級を例にとれば、計測震度が導入された1996年10月1日の改正前後で大きな差がある。また気象庁震度階級は観測点数が1990年代 - 2000年代にかけて急増し観測密度が高くなったため、震度の統計には補正が必要である。
- ↑ ただし、計測震度の採用前年の1995年に発生した兵庫県南部地震（阪神・淡路大震災）や、2011年に発生した東北地方太平洋沖地震（東日本大震災）では、その後の現地調査や家屋倒壊の状況などによって震度が修正されることがある。
- ↑ なお、アメリカ地質調査所（USGS）も、既知の地盤強度データをもとに推計震度分布を発表している。
- ↑ ちなみに、現在までの計測の最大は平成28年熊本地震（本震）で熊本県益城町で観測された計測震度6.7の震度7である。
- ↑ 大崎(1983) p.48
- ↑ 大崎(1983) pp.48-49
- ↑ 地震百問 何謂震度? 台湾中央気象局
- ↑ TIPS FOR EARTHQUAKE PREPAREDNESS AND RESPONSE 台湾中央気象局（英語）
参考文献
- 大崎 順彦 『地震と建築』 岩波書店〈岩波新書〉、1983年。
- 大地 羊三 『耐震計算法入門 付・マイコンによる計算プログラム』 鹿島出版会、1984年。
- 武藤 清 『耐震計算法』 丸善〈耐震設計シリーズ〉、1963年。
外部リンク
- 気象庁 | 震度について
- 表層地盤のゆれやすさ全国マップ（内閣府）
- 社団法人日本地震学会：なゐふる：vol.9 (PDF) （日本における震度の歴史）
- 震度の歴史と求め方 岐阜大学地震工学研究室
- 兵庫県南部地震緊急被害調査報告書（第2報）