Wellenarten und Wellenformen

Die allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein sagt voraus, dass ein im Gravitationsfeld bewegter Körper Gravitationswellen aussendet. Das sind Änderungen in der Struktur der Raumzeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten - das klingt doch ein wenig nach Star Trek? Niemand zweifelt an der Existenz der Gravitationswellen, aber bis dato (2007) konnte man sie noch nicht direkt messen. Das liegt daran, dass nur bei außergewöhnlichen Ereignissen, etwa der Kollision zweier Schwarzer Löcher, Gravitationswellen mit so viel Energie entstehen, dass wir diese direkt messen könnten.

Seit rund 1925 weiß man, dass auch kleinste Teilchen wie Elektronen Welleneigenschaften haben. Man nennt sie Materiewellen und sie gehören zum schweren Brocken Quantenmechanik. In folgender Abb. siehst du das Muster, das entsteht, wenn man einen Röntgen- (links) und einen Elektronenstrahl (rechts) durch Aluminiumpulver schießt. Beide Strahlen werden abgelenkt (gebeugt) und erzeugen am Schirm dahinter ein Muster, das in beiden Fällen praktisch gleich ist-ein Beleg für die Welleneigenschaften der Elektronen. Wären diese nur „kleine Kugeln„, würde das Muster nämlich ganz anders aussehen. Auf den Welleneigenschaften der Elektronen basiert zum Beispiel das Elektronenmikroskop.

Wenn du an das ständige Auf und Ab eines Schiffes denkst, dann liegt die Vermutung nahe, dass Wasserwellen transversal schwingen. Das ist aber genau die halbe Wahrheit, denn sie schwingen zusätzlich auch longitudinal. Die Überlagerung beider Bewegungen ergibt eine Kreisbahn (F9). Je höher die Wasserwelle wird (b), desto größer wird der Durchmesser der Kreisbahn.

Erdbebenwellen sind hochkompliziert. Die beiden häufigsten Formen sind aber „normale“ Longitudinal- und Transversalwellen. Erstere haben die höchsten Geschwindigkeiten (bis zu 14 km/s!). Sie kommen daher an entfernten Orten am schnellsten an und heißen demnach auch Primär- oder P-Wellen. Die Transversalwellen sind langsamer (bis 7,5 km/s) und heißen Sekundär- oder S-Wellen.

Dass man durch Anwendung physikalischer Grundlagen oft neue Erkenntnisse gewinnen kann, zeigt folgendes Beispiel: Nach einem Beben gibt es auf der gegenüberliegenden Seite der Erde einen sehr großen Bereich, in dem keine S-Wellen auftreten, die so genannte Schattenzone. Man wusste aber früher nicht, warum das so ist. Dann kam aber Richard D. Oldham 1906 auf die richtige Idee, dass der Erdkern flüssig sein muss, weil sich in Flüssigkeiten keine Transversalwellen ausbreiten können -es ist gut, wenn man in Physik aufpasst (F8). Dass der innere Teil des Kerns wieder fest ist, konnte man 1936 ebenfalls durch die Auswertung von Erdbebenwellen herausbekommen.