Development and practice of laboratory seismic experiment course and teaching material for understanding realistic seismic refraction survey

地球科学の現象の中でも大気海洋物理や火山分野に比べて、地震学で扱うものは視認しにくく、断層破壊や波動伝播に関する動的な実験教材は殆ど存在しない。地震の源たる断層も教科書では静的なイメージで語られがちである。我々は、実際に見て触って実感できる教材や実習が必要と考え、動的な現象としての地震像をわかりやすく伝えるための実験演習教材を開発する研究に着手した。ここでは、屈折法地震探査によって地下構造を推定する方法とその重要性について学習するための実験演習教材を紹介する。具体的には、寒天模擬地殻に力や振動を与え、波（S波）が伝播する様子を高速カメラで撮影した画像のスロー再生を実際に目で見ることで、実感をともなう理解を促しながら原理を学習する内容となっている。これまで実施した高校生向けの実習や一般公開等での展示などの実用例、およびその教育的効果について報告する。物理探査学会第132回(平成27年度春季)学術講演会（平成27年5月11日～13日, 早稲田大学西早稲田キャンパス

Working report of the combined exercise program for geological and seismological surveys

海洋研究開発機構では高校を始めとする教育機関向けに地質学実習であるSand for Students(S4S)を2005年より実施してきた。一方で、近年推進している地震発生帯研究の成果についても教育機関や中高生向けにわかりやすく伝える機会や方法について模索してきた。そして、新たに地震探査実習を考案し（桑野他、本大会地殻構造セッションにてポスター発表）、今年度S4Sとともに実施することとした。本実習は、（独）科学技術振興機構が理科教育を推進するために運営しているサイエンス・パートナーシップ・プログラムの採択校である横浜高等学校向けに実施したものである。本発表では実際の実習内容とともにその教育的効果、および課題や今後の計画についても紹介する。 　実習プログラムは7月29日（月）?8月2日（金）に実施した。それぞれ２日間の地震学実習と地質学実習を経て、最終日に生徒のとりまとめたプレゼンテーション発表までの全５日間構成となっている。地震学実習では、１日目に屈折法地震探査の実験および実習を行い、２日目に「日本列島の形成」および「海洋プレート沈み込みに伴う海溝型地震研究」をテーマとした特別セミナー、様々な海洋調査機器の見学、実際に研究で使用されている地震計の原理を紹介し、地震計や海底地震計に触れてみる体験を盛り込んだ内容とした。地質学実習は、１日目に酒匂川（丹沢）周辺で地層の観察と鉱物の採取を行い、２日目に採取した鉱物を顕微鏡で観察する内容である。 　地震探査実習では、通常、地面に震動を与えることによって生じる地下を伝わる波を地震計で計測し、記録した後、研究室などに持ち帰りデータ処理、解析をすることが一般的であり、実際の研究で実施している作業プロセスと同じ内容を行うことが多い。今回の地震探査実習では、地震波計測により地下構造が明らかにできることを直感的に理解しやすくすることをねらいとし、地殻を模した寒天２層構造を用いた実験を考えた。この実験では模擬地殻物質が透明であるため光弾性を利用することで、弾性波の伝わる様子を可視化できる。さらに寒天の横波の伝播速度は数m/sと充分遅いため観察が容易になる。この実習では、地震波が伝わる様子をその場で一目で容易に観察でき、さらに観察の様子を録画し、そのデータを画像処理することで寒天模擬地殻表面の各点での振動波形を得ることもできる。この波形データは実際の屈折法地震探査データと同様に解析できるので、これを用いて寒天２層構造の速度構造を推定する演習を行う。演習を行いながら、地震探査を実施して地殻構造を推定することが、地震の発生メカニズムの解明にとって重要であることについて理解を促す。 　地質学実習では、身近な河川の砂を採取して観察することで河川流域の地質を把握するとともに、河川流域の地質の成り立ちを学ぶことで、日本列島形成の重要なメカニズムである付加体形成についての理解を促している。これは同時に、河川を通じて深海底に運ばれる陸源物質を探す作業でもあり、いわば地殻を構成する物質循環の基礎調査に相当する。 　本実習全体のねらいは、地震および地質調査研究に関する基礎的な科学知識・技能を普及させることである。特に、地震国である日本の地で生活する上で、身につけておいてほしい知識や技能の向上、問題の認識を目的としている。今回の実習では、講義、実験、演習、地質巡検を通じて、日本列島の形成や地震研究には地質学、地震学ともに必要であること、さらには様々な学問分野の知識が地球科学にとって重要であることを実感できるような構成とした。今回2日間で実施した地震学実習全体については、今後も実習プログラムの内容の改良、発展を加える上、地震探査実習については、実験レシピを作成して公開することも目指す。P1-36ポスター要旨, 日本地震学会2013年度秋季大会（2013年10月7日～9日, 神奈川県横浜市

Experimental study of cell pattern formation induced by internal heat sources in a horizontal fluid layer

This study determines the flow structure in a convection cell with an internally heated layer by PIV to elucidate the convection cell transition mechanisms. The vertical velocity component is determined and the cell behaviour with respect to Rayleigh number is investigated quantitatively. Cell expansion process is described as a consequence of development of the descending flow at the centre of cells. The results suggest that a spoke-like structure is stable in this system in ideal conditions and a double-cell structure is formed when there are restrictions on the system, i.e. finite lateral boundaries

Developing horizontal convection against stable temperature stratification in a rectangular container

The effect of background stable temperature stratification in the developing stage of horizontal convection is studied by conducting laboratory experiments. By imposing horizontally differential heating at the top of a layer of low-temperature water, both vertical and horizontal temperature differences are explicitly defined. In developing horizontal convection of the present study, the flow structures are driven only by the baroclinic torque produced by the horizontal temperature difference, and braked by the restoring force of stable temperature stratification. We thus defined a nondimensional stratification parameter, which represents the balance of the braking force and the baroclinic torque, in addition to the Rayleigh number. Various features of the flow structures, maximum velocity, stream function, roll thickness, circulation of the roll, total kinetic energy, and Reynolds number, which are quantified via particle-tracking velocimetry, are summarized in spaces of the two nondimensional parameters. In the developing horizontal convection, the quantified flow features are well organized by power laws of the nondimensional parameters. The finite domain of the fluid container augments the effect of the apparent braking force, and the bulk quantities of the roll structures are suppressed by the stable temperature stratification. These results are the evidences for the significance of the nondimensional stratification parameter in the developing horizontal convection, unlike thermally equilibrated horizontal convection conventionally considering destabilizing thermal buoyancy as the primary driving force

Spontaneous flow reversals in Rayleigh-Bénard convection of a liquid metal

We report a finding of spontaneous flow reversals of roll-like patterns in liquid gallium Rayleigh-Bénard convection. The vessel has a square geometry with an aspect ratio of 5, and a horizontal magnetic field is applied to align the rolls. The flow patterns were visualized by ultrasonic velocity measurements, and the processes of the reversal were clearly observed. The basic flow pattern observed in the vessel is a four-roll structure with its axis parallel to the magnetic field. Emergence of a new circulation at a corner of the vessel causes flow reversal with reorganization of the whole pattern. The flow keeps relatively steady four-roll structure for most of the duration, while the reversal of it is over in a short time. The reversals of the flow occur randomly with the interval time between reversals being much longer than the circulation time

Three-dimensional visualization of columnar vortices in rotating Rayleigh-Benard convection

To enrich the three-dimensional experimental details of vortex structures in rotating Rayleigh-Benard convection, we established a technique visualizing three-dimensional vortex structures using scanning planar particle image velocimetry. Experiments were performed at fixed Rayleigh number, Ra=1.0x10(7) to 1.0x10(8), corresponding to convective Rossby numbers from 0.1 <= Ro <= 0.5 at which gradual transition between vortical plumes and convective Taylor columns regime is observed. Stream function distributions calculated from horizontal velocity vector fields visualize the vortex structure formed in the regimes. As quantitative information extracted from the visualized structures, distances between vortices recognized on the distributions show a good agreement with that evaluated by a theory. With the accumulated planar stream function distributions and vertical velocity component calculated from the horizontal velocity vectors, the three-dimensional representations of vortices indicate that quasi-two-dimensional columnar vortices straighten in the vertical direction with increasing Ta