Doppler-Effekt

Untertitel: Autoraser und Schwarze Löcher

Ein vorbeirasendes Auto macht iiiiiiuuuuuuu. Beim Annähern ist das Geräusch hoch, beim Entfernen plötzlich tief (F21). Warum das so ist, kann man mit Kreiswellen im Wasser gut verstehen.

Wasserläufer

Stell dir einen Wasserläufer vor, der im Dienste der Wissenschaft im gleichen Rhythmus Wellen erzeugt. Bleibt er dabei an der Stelle, dann sehen die Kreiswellen so aus wie in Abb. 16.26 a. Bewegt er sich aber nach rechts, schieben sich rechts die Wellenberge zusammen und links auseinander (b). Für einen Beobachter rechts würde daher die Wellenfrequenz zunehmen und für einen links abnehmen.

Diesen Effekt nennt man nach seinem Entdecker Christian Doppler den Doppler-Effekt: Bewegen sich Quelle und Beobachter aufeinander zu, dann erhöht sich die Wellenfrequenz im Vergleich zur Ruhe, bewegen sich von voneinander weg, dann sinkt sie. Dieser qualitative Zusammenhang gilt auch, wenn sich der Beobachter bewegt, und er gilt für alle Wellen (den quantitativen Zusammenhang siehst du in der Tabelle unter).

Zwei besondere Fälle treten nur bei mechanischen Wellen auf und wenn sich die Quelle bewegt: Bewegt sich der Wasserläufer genau mit Wellengeschwindigkeit, dann können die Wellen nach rechts nicht mehr entkommen (folgende Abb. c) und bilden dort eine so genannte Stoßwelle. Bewegt sich der Wasserläufer noch schneller, dann entsteht ein Kegel, aus dem die Wellen nicht nach außen dringen können (d). Beide Fälle spielen vor allem bei Flugzeugen eine Rolle. Zur Herleitung der Gleichung für den Doppler-Effekt siehe F24 am Ende des Kapitels.

Welleneffekte bei bewegter Quelle.

Doppler-Frequenzveränderungen in Abhängigkeit von Bewegungsform und Wellenart. Elektromagnetische Wellen benötigen zur Ausbreitung kein Medium. Daher kommt es nur auf die Relativgeschwindigkeit zwischen Beobachter und Sender an.

Der Doppler-Effekt hat zahlreiche Anwendungen in der Astronomie. Wenn sich eine Lichtquelle entfernt, verschieben sich alle Frequenzen ins Rote und man spricht von Rotverschiebung. Bei Annäherung kommt es zu einer Blauverschiebung. Das Spektrum mancher Sterne wechselt ständig zwischen Rot- und Blauverschiebung. Das lässt sich nur so erklären, dass diese mit anderen, nicht sichtbaren Objekt um einen gemeinsamen Schwerpunkt rotieren. So hat man schon zahlreiche Extrasolare Planeten, aber auch viele mutmaßliche Schwarze Löcher entdeckt (F22).