Technik

Stromgeschwindigkeiten messen mit dem Doppler-Effekt

Gase, die in einer Leitung fließen, enthalten auch kleine Teilchen anderer Stoffe. Durch die Wand des Rohrs wird Ultraschall gesendet. Die Echos an bewegten Teilchen haben eine veränderte Frequenz. Aus der Frequenzverschiebung lässt sich die Geschwindigkeit der Teilchen berechnen.

Damit kann man Strömungen in sehr engen Rohren oder im Überschallbereich untersuchen. Somit können beispielsweise Strömungen in Verbrennungsmotoren gemessen und damit der Wirkungsgrad der Verbrennung verbessert werden.

Navi und GPS: möglich durch den Doppler-Effekt

Das „Navigational Satellite Timing and Ranging – Global Positioning System“ oder kurz einfach GPS ist eine seit den 1970er-Jahren entwickelte Form von Navigationssystem, die aus den Daten mehrerer Satelliten nur die Position und Seehöhe des Empfängers herausrechnet. Weil sich aber die Satelliten rund um die Erde bewegen, funktionieren Navi und GPS gemäß dem Doppler-Effekt: Die elektronischen Wellen verändern ihre Länge, daher ist die Entfernung zu den Satelliten zu ermitteln. Und daraus berechnen Navi und GPS die Position des Empfängers.

Sind Navi, GPS oder auch das Handy eingeschalten, so kann der Standort des Gerätes festgestellt werden. Diese Tatsache kann mitunter bei Ermittlungen der Polizei oder der Suche nach Vermissten als wesentliche Unterstützung dienen.

Radar und Sonar mit dem Doppler-Effekt

Das Radar (RAdio Detecting And Ranging = Ortung und Abstandsmessung per Funk) erfand Heinrich Hertz, als er 1886 entdeckte, dass Gegenstände aus Metall elektromagnetische Wellen reflektieren. Aber erst Ende der 1930er-Jahre war das Radar so weit ausgereift, dass es angreifende Flugzeuge, Panzerfahrzeuge oder Schiffe auf hoher See über Distanzen von bis zu 40 Kilometern aufspüren konnte. Das heute vielen so verhasste Verkehrsradar feierte 1956 Premiere.

In der Anwendung des Doppler-Effekts sendet das Radar elektromagnetische Wellen aus, die das erfasste Objekt reflektiert. Das Gerät stellt sofort fest, ob diese Wellen gestaucht oder gedehnt sind, das Objekt sich also nähert oder entfernt. Und es berechnet, mit welcher Geschwindigkeit sich das Objekt bewegt. Das Radar erwischt nicht nur Temposünder, sondern kann auch den Verkehrsfluss an Engstellen, Baustellen oder Kreuzungen steuern. Es leitet die erfassten Daten an einen Zentralrechner weiter, der daraus das verkehrstechnisch günstigste Tempo ermittelt, das dann auf Tafeln aufleuchtet oder die Phasen der Verkehrsampeln entsprechend anpasst.

Das Sonar, eine weitere Anwendung des Doppler-Effekts, sendet Schallwellen aus, die im Wasser die vierfache Schallgeschwindigkeit von etwa 1480 m/s erreichen. Treffen diese Schallwellen auf ein Objekt, werden sie reflektiert und das Sonar kann Entfernung und Bewegung des Objektes feststellen.

Delfine sind von Natur aus mit einem „Echolot“ ausgestattet, das ihnen die Jagd erheblich erleichtert. Wie Fledermäuse stoßen sie Laute aus, die vom Körper des Beutetiers reflektiert werden und so seinen Standort verraten.

Wettervorhersage mittels Doppler-Effekt

Wettervorhersagen wären ohne Wetter-Radar und damit wieder einmal ohne Doppler-Effekt nicht möglich: Wolken enthalten Wassertropfen oder Hagelkörner, die elektromagnetische Wellen reflektieren. Und weil sich diese Wolken bewegen, kann das Wetter-Radar ihre Position sowie Tempo und Richtung ihrer Bewegung feststellen. Die Auswertung dieser Daten erlaubt dann Vorhersagen (am besten im Konjunktiv), wo und wann wir mit Regen oder Hagelschlag in welcher Intensität rechnen müssten – wenn nicht die Windrichtung unerwartet umschlägt.

Auch beim Bodenradar wirkt das Doppler-Prinzip: Der Sender bewegt sich, also ändert sich die Wellenlänge der Strahlen und das Echo eines georteten Objekts zeigt dessen Lage und Entfernung an. So konnten zum Beispiel ein vor 70 Jahren abgestürztes Flugzeug ganze 75 Meter tief im Grönlandeis, in Patagonien ein Dinosaurier und in Sibirien ein Mammut geortet werden.

Vermessung der Erde durch den Doppler-Effekt

Eine Aufgabe der Geodäsie (= praktische Geometrie) ist die Ermittlung der vielfältigen Formen der Erdoberfläche, wie sie auf Landkarten mit verschiedenen Farben für Flachland oder Gebirge abgebildet werden. Das ebenso detaillierte wie exakte Vermessen der Erdoberfläche leisten seit den 1960er-Jahren sogenannte Dopplersatelliten, wie bis 1996 das TRANSIT- und seit 1990 das DORIS-System. Die Satelliten kreisen entlang der Längenkreise (Polrouten) um die Erde und tasten, ähnlich wie das Radar, die Erde ab. Weil sie sich im Vergleich zur „stationären“ Erde sehr schnell bewegen, funktioniert auch hier das Doppler-Prinzip. Dem DORIS-System

(Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite) entgeht nichts, denn die Flugbahnen der einzelnen Satelliten bilden eine Art Gitter um die Erde, die sich innerhalb dieses Rahmens um ihre Achse dreht.

 

Der Dopplereffekt