波を用いた水中観測 ～音で海中をのぞく～
Topic outline
音波を用いた海洋観測 × SDGs
海の魚は同じ種で群れをなして移動することが多いです。どのような種類・どのような大きさの魚がどこに泳いでいるか。これがわかれば効率的な漁業や資源の管理ができるでしょう。超音波で魚群の探知が正確にできるようになれば、無駄な漁獲をしなくて済みます。海の豊かさを守るとともに、持続的な食料供給を可能にすることでSDGsに貢献したいと思います。国連では2021年からの10年間を、「海洋科学の10年」に定めて、SDGsに貢献することを目指しています。国連が定める海洋科学には、水産漁業の分野も含まれます。
はじめに
海洋を観測する際には，深度という空間的な情報を考えなくてはならないことが陸上と最も異なる点の一つである。例えば，生物種ごとの分布を調べる場合，海洋では水平的に同じ場所であっても深度によって生息している生物が全く異なる。つまり，海洋では3次元的な非常に広い空間を相手に観測をすることとなる。さらに海洋では光が届きにくい，水圧がかかるといった問題から直接その場所を観測することが非常に難しい。そのため，海洋を効率的に観測するためには，遠隔的に広い範囲を観察できるツールが必要である。
音波は電波や光と比べて，液体中や固体中でも良く透過するという性質を持つ。そのため，音波は水中を広範囲に見渡すための最良のツールとして利用されている。当研究室では，この音波を利用した海洋観測，特に海洋生物の資源量推定に関する研究をメインテーマに取り組んでいる。魚類から動物プランクトンまで，音波で観察できる様々な生物を対象とし，それらの資源量を精確に見積もるための研究を行っている。
音波で海中をのぞくことで今まで知り得なかった，見えなかった色々なものが見えてくる。ここでは，音波を利用した観測機器や，どのように海洋生物の資源量を推定するのかを紹介する。魚群探知機 ～魚を”探知”するだけではない！？
魚群探知機は音波を利用した機器の中でも最もポピュラー（？）なもので，漁業や遊漁（釣り）でも良く用いられている。魚群探知機は，音波が“何かに当たったら反射する”という性質を利用して海中を探査する機器である。魚群探知機は主に制御部である送受信機と，マイクとスピーカー両方の機能を持つトランスデューサーで構成される（図1）。
原理（パルスエコー法）
魚群探知機は，パルスエコー法と呼ばれる方法で船の真下にある物体を探知する機器である。図2のように，まず，船底に取り付けられたトランスデューサーから船の真下に音波を発射する（送波）。この時発射される音波は1000分の1秒程度の短い時間の音波で，パルス波と呼ばれる（手拍子のような音のイメージ）。送波された音波が海中にある物体に当たるとその一部が反射され，元来た経路を戻ってくる。この反射音をエコーと呼ぶ。このエコーを再びトランスデューサーで探知（受波）することで船の真下にある物体を探知することができる。いわゆる”やまびこ”と同じ原理である。この時，音波を発射してからエコーが戻ってくるまでの時間を計測し，音の速度（音速）との積を求めると，音波がその物体までの間を往復した距離となる（距離＝速度×時間）。また，音波を反射する強さは，その物体の性質（数や大きさ，構成物質）により異なるため，エコーの強さもその物体の正体を知るための手掛かりとなる。この距離とエコーの強さを表したものがエコーグラムで，これを見ると視覚的にどの深度にどれくらいの生物がいるのかを知ることができる。
一般的に魚群探知機で使われる音波は，人間の耳には聞こえないほどの高い周波数（20 kHz以上）の超音波である。同じ物体でも周波数によってエコーの強さが変わるので，色々な周波数を同時に使うと，その見え方の違いからどんな生物いるのかを推定することができる。
エコーは生物だけでなく海底からも返ってくるので，船が今いる場所の水深を測定することができる。そのため，魚群探知機は測深機としても利用される機器である。
計量魚群探知機 ～科学者のための高性能な魚群探知機！～
直感的に，強いエコーが得られた時にはたくさんの魚がいる，と考えられるのではないだろうか。つまりこのエコーの強い・弱いは魚の数を見積もるためのヒントになると考えることができる。研究者が利用する魚群探知機は，このエコーの強さを定量的に表すことができ（数値で表現できる），“計量”魚群探知機（以下，計量魚探機と略す）と呼ばれる。計量魚探機を利用することで効率的に海洋生物の資源量を見積もることができる。
計量魚探機で資源量を推定する
計量魚探機ではエコーの強さを体積後方散乱強度（アルファベットでSVと表記する）という値で表す。このSVは体積1m^3の範囲にある物体から跳ね返ってきた全てのエコーの総和を意味する。例えば，1m^3あたりに2尾の魚がいれば2尾分のエコーの強さを，5尾の魚がいれば5尾分のエコーの強さを表すことになる（図3） 。
この時，1尾あたりの平均的なエコーの強さが分かっていればどうなるだろうか？SVはある尾数分のエコーの強さを表しているとして，それを1尾あたりのエコーの強さで割れば…
そう，この答えnは1m^3あたりに魚が何尾いるかを表すことになる（これを資源密度（尾/m^3）という）。この資源密度に調査した体積をかけると，調査した範囲全体の魚の数が分かることになる。これが，計量魚探機を用いた資源量推定の考え方である。先ほど出てきた魚1尾あたりのエコーの強さはターゲットストレングス（アルファベットでTSと表記する）と呼ばれ，計量魚探機を用いて資源量を推定する上で非常に重要な値である。そのため，生物種ごとのTSを調べることも本分野のメインテーマの一つである。
ソナー ～もっと広い範囲を探索したい～
音波は遠くに行くほど広がっていくため，遠距離になるほど広い範囲を探索できる。逆に近い場所の探索範囲は狭くなってしまう。そのため，魚探機で観測する場合には，浅い深度（表層）は探索できる範囲が狭く，また，船底より浅い場所の魚群を見つけることはできない。スーパーでも見ることができるイワシやサバ，サンマは魚探機の苦手な表層を中心に分布する魚である。このような魚を効率よく見つけるためにソナーが使われる。
ソナーは魚探機と同じく魚のエコーを探知する機器であるが，音波を水平方向に発射することができる（図4）。さらに船の周りに対して音波をぐるっと1周発射できるので，魚探機と比べて広い範囲を探索することができる。同じ魚群を連続してとらえられれば魚群の動きも3次元的に知ることができる。図では，ある俯角（見下ろす角度）の例を示しているが，この俯角も変えることができ，様々な魚群に対応することができる。
テレビでも放映されることのある大間のマグロ漁船にもソナーが搭載されており，マグロ魚群の動きをソナーで知り，先回りして魚群の前から餌を落としてマグロを釣っている。
近年，サンマの不漁が続いていることから，その資源量調査が重要視されている。サンマの探索には魚探機よりもソナーが適していることから，ソナーを利用した資源量推定が注目されている。
