Basiswissen

Als Doppler-Effekt, auch Dopplereffekt geschrieben^[1], bezeichnet man die Veränderung von Wellenlänge und Wellenfrequenz, wenn sich eine Wellenquelle im Vergleich zum Medium der Welle oder zu einem Empfänger (Messgerät) bewegt. Der Effekt tritt zum Beispiel bei Wasser, Schall- und Lichtwellen auf.

Der akustische Doppler-Effekt: Sireneneffekt

Ein Krankenwagen mit Sirene fährt auf einen Menschen zu.

Fährt der Wagen auf einen zu, klingt die Sirene etwas höher.

Entfernt sie sich von einem, klingt die Sirene tiefer.

Der höhere Klang gehört zu kürzen Wellenlängen (hohe Frequenz).

Der tiefere Klang gehört zu längeren Wellenlängen (niedrige Frequenz).

Der Doppler-Effekt mit Wasserwellen

Bewegt man den Finger mit einer Zitterbewegung langsam durch eine glatte Wasseroberfläche, kann man sehen, dass die Wellenläge in Richtung der Bewegung kleiner ist als entgegen dieser Richtung. Das ist die einfachste Möglichkeit, den Doppler-Effekt zu veranschaulichen.

In einer Gezeitenpfütze werden von einer bewegten Quelle aus kleine Wasserwellen erzeugt. Entlang einer Mess-Strecke mit Zentimeterangaben kann man grob die Wellenlängen und Geschwindigkeiten abschätzen. Die Beobachtungen passen gut zur Theorie des Doppler-Effekts.

Zuhause oder in einer Lernwerkstatt kann man den Doppler-Effekt gut mit einer sogenannten Wellenwanne nachstellen. In einer flache Wanne mit nur 0,5 cm tiefem Wasser gefüllt kann man Wellen mit einer Geschwindigkeit von nur etwa 20 cm/s erzeugen. Damit lässt sich der Doppler-Effekt gut auch mit bloßem Auge beobachten. Siehe mehr unter Wellenwanne ↗

Der kosmologische Doppler-Effekt: Rotverschiebung

Ein Galaxie (Milchstraße) sendet Licht aus.

Bewegt sich die Galaxie auf uns zu, erscheint das Licht Richtung blau verschoben.

Bewegt sich die Galaxie von uns weg, erscheint das Licht Richtung rot verschoben.

Mehr unter Rotverschiebung ↗

Der astronomische Doppler-Effekt: Erdumlauf

Bei ihrem Umlauf um die Sonne ändert die Erde ihre Relativgeschwindigkeit zu den Fixsternen ständig. Der Unterschied der Geschwindigkeit der Erde in einer beliebigen Richtung am Anfang eines beliebigen Halbjahres und an dessen Ende beträgt etwa 60 Kilometer pro Sekunde. Damit ergibt sich eine "jährliche Dopplerverschiebung in Sternspektren"^[5]. Dieser Effekt wurde im 19ten Jahrhundert eindeutig nachgewiesen und war ein weiterer Beleg für die Bewegung der Erde um die Sonne^[3].

Der spektroskopische Doppler-Effekt: Spektrallinienverbreiterung

Theoretisch müssen Atome nur eng begrenzte Spektrallinien aussenden.

Tatsächlich senden sie aber oft breite ineinander überfließende Linien aus.

Das kann teilweise mit dem Doppler-Effekt erklärt werden:

Manche Atome bewegen sich auf den Beobachter zu, andere von ihm weg.

Der Effekt ist etwa beobachtbar in heißen oder turbulenten Gasen.

Mehr dazu unter Dopplerverbreiterung [von Spektrallinien] ↗

Fußnoten

[1] Dopplereffekt. In: Duden-Lexikon in drei Bänden. Band 1. A bis F. Bibliographisches Institut AG. Mannheit. 1961. Dort die Seite 475.

[2] Christian Doppler: Abhandlungen (1842 bis 1852) Ostwald's Klassiker Nr. 161. Leipzig. 1907. Darin: Ueber das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels. 1842.

[3] F. Küstner: Eine spketrographische Bestimmung der Sonnenparallaxe. In: Astronomische Nachrichten, Band 169. 1905. Seite 241 bis Seite 264.

[4] Naturwissenschaftliche Rundschau. Band 24, 1909. Seite 168 (Sonnenparallaxe aus 280 Fixtsternen).

[5] Jürgen Teichmann: Wandel des Weltbildes. Astronomie, Physik und Meßtechnik in der Kulturgeschichte. Mit Beiträgen von Volker Bialas und Felix Schmeidler. Herausgegeben vom Deutschen Museum in München, über die Wissenschaftliche Buchgesellschaft. Darmstadt. 1983. Dort das kurze Kapitel "Jährliche Dopplerverschiebung in Sternspektren", Seite 115 und 116.

[6] Das Video zum Doppler-Effekt mit Wasserwellen entstand im Juli 2024 auf der Nordseeinsel Wangerooge. Es ist näher beschrieben auf: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/43/Wasserwellen_(Dopplereffekt).webm

[7] Scott Russell, John (1848). "On certain effects produced on sound by the rapid motion of the observer". Report of the Eighteenth Meeting of the British Association for the Advancement of Science. 18 (7). John Murray, London in 1849: 37–38.