緊急地震速報の仕組み — P 波と S 波の速度差で揺れを「予告」する物理学と気象庁 17 年史

地震は、地下の岩盤がずれる「断層運動」で生じる弾性波。波には複数のタイプがあり、緊急地震速報に関わるのは主に 2 種類:

• P 波 (Primary wave, 一次波): 縦波 (進行方向に圧縮・膨張)。速度 約 5-7 km/s (地殻内)。最初に到達するため "primary"。
• S 波 (Secondary wave, 二次波): 横波 (進行方向と直角に振動)。速度 約 3-4 km/s。P 波より遅く、揺れの主役。

速度差の物理的根拠: P 波は岩石の体積変化 (圧縮性) で伝わり、S 波は形状変化 (剛性) で伝わる。固体の場合、体積弾性係数 K と剛性係数 μ から:

P 波速度 = √((K + 4μ/3) / ρ)
S 波速度 = √(μ / ρ)
比率: Vp/Vs ≈ √3 ≈ 1.73

つまり P 波は S 波の約 1.73 倍速い。震源から 100 km 離れた地点では、P 波が約 14 秒で到達するのに対し、S 波は約 25 秒 — 11 秒の時間差が生まれます。

体感的には、地震の最初の「カタカタ」(初期微動) が P 波、その後の「ドンッ、グラグラ」(主要動) が S 波です。古い学術用語では「初期微動継続時間 (P-S 時間)」と呼ばれ、震源距離の推定に使われていました (大森公式、1899)。

気象庁の緊急地震速報は、この P 波と S 波の速度差を使って「S 波到達前に警報を出す」仕組みです。

1. 震源近くの観測点が P 波を検知
2. 振幅・到達時刻から震源位置・マグニチュードを推定
3. 各地点での S 波到達時刻と推定震度を計算
4. 一定基準を超える揺れが予測される地域に警報配信

処理時間の内訳 (典型例):

• P 波検知から推定計算まで: 1-3 秒
• 気象庁から携帯各社・NHK 等への配信: 1-2 秒
• 携帯電話への通知 (CBS = Cell Broadcast): 1 秒程度
• 合計遅延: 3-7 秒

この遅延時間より「S 波の到達時間 - P 波到達時間」が長ければ、警報が S 波より先に届きます。震源から離れているほど時間差が長くなるので、「震源から遠い地域ほど警報が早く届く」という直感に反する性質があります。

逆に 震源直上 (直下型地震) では P 波と S 波がほぼ同時に届くため、緊急地震速報が間に合わない場合が多い — これが直下型地震の怖さの 1 つです。

緊急地震速報の研究は 1990 年代から行われていましたが、社会実装には時間がかかりました。主要なマイルストーン:

年	出来事
1995	阪神・淡路大震災 — 警報の必要性が痛感される
1996-2000	気象庁・防災科研による研究開発
2004-2006	限定試験運用 (鉄道・高速道路向け)
2007-10-01	気象庁が一般向け運用開始 (NHK、携帯電話)
2008	岩手・宮城内陸地震 — 実戦投入の試金石
2011-03-11	東日本大震災 — 多くの地域で 10 秒以上前に警報
2018	PLUM 法導入 (後述)
2023	長周期地震動の警報対象化

2007 年の運用開始当初は、警報の精度に対する社会的不安もありました (誤報を恐れて公開しない期間が長かった)。実際、運用開始から 1 年で 3 回の誤報 (実際の地震規模より大きく予測) が発生し、批判もありました。

しかし 2011 年 3 月 11 日の東日本大震災では、震源近くの観測点が P 波を検出してから最大規模の揺れが東京都心に到達するまで約 60 秒あり、多くの地域で 10 秒以上前に警報が配信されました。地下鉄停止・新幹線緊急停止・高層ビルのエレベータ停止など、二次被害の軽減に大きく貢献。

緊急地震速報の精度を支えるのが、日本全国に張り巡らされた地震観測網。中心は防災科学技術研究所 (NIED) が運用するシステム群です。

• Hi-net (高感度地震観測網): 全国 約 800 箇所、深さ 100-3,500 m の井戸底に設置。微小地震まで検出可能
• K-NET (基盤強震観測網): 全国 1,000 箇所超、地表に設置、強い揺れを正確に記録
• KiK-net (基盤強震観測網): K-NET と同地点の井戸底にも設置、地表-地中の揺れ比較
• 気象庁震度観測網: 全国 600 箇所、震度計算用
• S-net (海底地震津波観測網): 太平洋海底に約 150 箇所、東日本大震災後に整備
• N-net (南海トラフ海底地震津波観測網): 高知沖・宮崎沖に整備中、2025 年から順次運用

これらのデータは 1 秒間に 100 サンプル (100 Hz) で記録され、リアルタイムで気象庁に集約。1 秒以内に解析処理が始まります。

S-net の整備により、海溝型地震 (太平洋プレート沈み込みによる地震) の検出が早まり、内陸地震だけでなく海溝型でも警報精度が向上しました。N-net 完成後は南海トラフ地震への備えがさらに強化されます。

2018 年、気象庁は PLUM 法 (Propagation of Local Undamped Motion 法) を緊急地震速報に統合しました。これまでの「震源・マグニチュード推定型」の弱点を補う革新的アルゴリズムです。

従来手法の弱点:

• 巨大地震 (M9 級) では震源・マグニチュードの推定誤差が大きく、警報の震度予測がずれる
• 断層が長く伸びる地震 (例: 東日本大震災では断層長 約 500 km) では、点震源モデルが破綻
• 2016 年熊本地震・2018 年北海道胆振東部地震 でも警報の精度に課題

PLUM 法のアプローチ:

各観測点での実際の揺れ (リアルタイム) →
周辺地域の今後数秒の揺れを直接予測

(従来法: 震源を特定 → 各地の揺れを物理モデルで予測)
(PLUM:    現在の揺れを観測 → 隣接地への伝播を経験則で予測)

つまり「震源を仮定せず、観測されている揺れがそのまま伝わる」と仮定して短時間先を予測。Hoshiba M. & Aoki S. (2015, Pure and Applied Geophysics) による論文で理論化され、JMA が運用化しました。

結果として:

• 巨大地震・長周期地震での警報精度が大幅向上
• 従来手法と並列実行し「両者の高い方の予測震度」を採用 → 安全側に倒れる
• 誤報率は微増したが、見逃し率は大幅減

この PLUM 法と従来手法を組み合わせる方式は、世界の他の早期警報システム (米国 ShakeAlert、墨国 SASMEX、台湾 EEW) からも参考にされています。

気象庁の緊急地震速報には 2 種類があります。

種別	条件	受信者
緊急地震速報 (警報)	最大震度 5 弱以上 を予測	一般国民 (テレビ・ラジオ・携帯)
緊急地震速報 (予報)	震度 3 以上 or M3.5 以上を予測	専門事業者 (鉄道・工場・建設等)

「警報」は人命保護を目的とし、強い揺れに対する身構えを促すもの。「予報」は事業継続用で、生産ラインの停止・電車の自動減速・エレベータの最寄り階停止など、機械的な制御に使われます。

新幹線は 1965 年から独自の「ユレダス」(UrEDAS, Urgent Earthquake Detection and Alarm System) を運用しており、P 波検知から数秒で自動的に緊急ブレーキをかける仕組み。緊急地震速報はその発展形と言えます。

2024 年に長周期地震動 (高層ビル・タワーマンションを揺らす長周期の地震動) が警報対象に追加され、超高層ビル住民への注意喚起が強化されました。

緊急地震速報は完璧ではありません。代表的な誤報例:

• 2013-08-08: 和歌山県北部で M2.3 の小地震を誤って M7.8 と推定し、関東〜九州に警報。原因はノイズデータの混入
• 2018-01-05: 富山湾地震で実際は震度 3 のところを震度 5 弱と予測、関東に警報
• 2020-10-20: 茨城県沖地震で実際は震度 3 のところを震度 5 強と予測 → 東北・関東で警報

誤報の主因:

• 同時発生の地震: 別々の地震を 1 つと誤認 (2 つの震源を 1 つの大地震と推定)
• 観測ノイズ: 落雷・機器トラブル等の電気的ノイズ
• 巨大地震の規模推定遅れ: PLUM 法導入前の課題、現在は改善

本質的な限界:

• 直下型地震では間に合わない: 震源直上では P 波と S 波がほぼ同時、警報配信前に揺れる
• 誤報をゼロにできない: ノイズ・複数地震・巨大地震の規模推定誤差は完全には除去不可
• 震度予測誤差 ±1 階級: 完全な精度は原理的に不可能

気象庁は「警報の精度より速報性を優先」する方針で、安全側 (大きめの震度予測) に倒すよう運用しています。誤報を完全になくすと警報が間に合わなくなる、というトレードオフです。

本サイトの みちびき (QZSS) の実用例 記事で取り上げた DCX (災害・危機管理通報サービス拡張版) は、2024 年 4 月から緊急地震速報も衛星経由で配信しています。

地上の通信網 (携帯電話、CBS) が大地震で機能しなくなった場合、衛星経由の DC Report は引き続き機能するため、二重化の意味で重要。気象庁の緊急地震速報を受信する DC Report 対応端末 (古野電気 QZ-DC1 等) が、屋外スピーカや車載端末に組み込まれています。

つまり緊急地震速報は:

• 地震波: P 波 → 観測網 → 気象庁 → 配信
• 配信路 1: 携帯電話 (CBS, J-Alert)
• 配信路 2: テレビ・ラジオ (NHK 等)
• 配信路 3: 衛星 (みちびき DCX) ← 2024 年から強化

三重に冗長化されており、災害インフラとしての信頼性が高まっています。

緊急地震速報を受信したら数秒後に強い揺れが来ます。気象庁の推奨行動 (公式リーフレットより):

• 屋内: 頑丈な机の下に隠れる、窓・本棚・倒れる物から離れる、慌てて外に出ない
• 屋外: ブロック塀・自販機・看板から離れる、頭部を守る
• 運転中: ハザードを点灯し、急ブレーキを避けて緩やかに減速、左に寄せて停止
• エレベータ: 全階のボタンを押して最寄り階で降りる (エレベータは緊急停止する場合あり)
• 火を使っているとき: 揺れが収まってから消火 (慌てて火に近寄らない)

「数秒〜数十秒」では完璧な行動はできませんが、頭部を守る・倒れる物から離れる だけでも怪我のリスクが大幅に下がります。普段から机の下のスペースを確保しておくと、咄嗟に行動できます。

• 緊急地震速報は P 波 (約 7 km/s) と S 波 (約 4 km/s) の速度差を利用
• 震源近くの観測点が P 波を検知 → 震源・マグニチュード推定 → 各地への到達予測 → 警報
• 2007 年 10 月運用開始、東日本大震災 (2011) で実戦的な効果が確認された
• 2018 年 PLUM 法導入で巨大地震・長周期地震対応が大幅改善
• Hi-net・K-NET・S-net・N-net 等の観測網がリアルタイム解析を支える
• 誤報はゼロにできない (速報性とのトレードオフ)、直下型地震では間に合わない場合あり
• 2024 年からみちびき DCX で衛星経由配信も強化、地上ネットワーク途絶時の冗長化
• 受信時は数秒で頭部保護・倒壊物からの距離確保を最優先に

免責事項: 本記事は気象庁ほかの公開資料に基づく一般的な解説です。個別の地震対策・建築構造・避難行動は、地元自治体の防災情報や専門家の指導に従ってください。