Auf die Grösse kommt’s an

Gezielt untersuchen

Grösse und Entfernung eines Objekts bestimmen, welche Wellenlänge gewählt werden muss, um es im gewünschten Detail zu untersuchen. Für Wetterbeobachtungen wird Radar mit Mikrowellen eingesetzt. Ein Wolkenradar spürt Wolkentröpfchen auf, wofür er Wellenlängen im Millimeterbereich nutzt. Ein Niederschlagsradar hingegen verwendet Wellenlängen im Zentimeterbereich, um die grösseren Regentropfen, Hagelkörner und Schneeflocken zu erkennen. Die kleineren Wolkentröpfchen werden von seinen Wellen übersehen; grössere Objekte wie Vogelschwärme können jedoch fälschlicherweise als Niederschlag eingeordnet werden. Das Niederschlagsradar kann den Himmel über grössere Distanzen als das Wolkenradar scannen, weil seine längeren Wellenlängen weniger schnell gedämpft werden und somit weiter reichen.

Mit Radar kann man auch in festes Material hineinsehen (Georadar). Auch dabei gilt, dass kurze Wellenlängen nicht so tief reichen, aber mehr Details auflösen. Geologinnen auf der Suche nach Hohlräumen in einigen Metern Tiefe wählen Wellenlängen im Meterbereich. Kriminalbeamte und Paläontologen brauchen kürzere Wellenlängen von 10 bis 20 Zentimetern, um Knochen aufzuspüren. Suchen Ingenieurinnen hingegen in weniger als einem Meter Tiefe nach Materialschäden in einer Brücke, verwenden sie Wellenlängen von ca. fünf Zentimetern.

In neuen Dimensionen

Wellen übermitteln Informationen. Um sie aufzuzeichnen, brauchen wir Messvorrichtungen, die zur jeweiligen Wellenlänge passen. Mit der Mission LISA sollen im All Gravitationswellen mit grösseren Wellenlängen gemessen werden als es auf der Erde möglich ist. Dafür wird sich die Messanordnung über Millionen von Kilometern erstrecken. So könnte z.B. das Verschlucken eines Neutronensterns durch ein supermassives schwarzes Loch beobachtbar werden.

Die passende Wellenlänge ist auch in Laborexperimenten wichtig. Bisher können nur Wellenlängen verwendet werden, die in einem Experiment Platz haben. Entsprechend müssen z.B. die grossen Wellenlängen von Erdbeben durch viel kurzwelligere nachgebildet werden. Alternativ kann ein Experiment auch virtuell im Computer durchgeführt werden. Sowohl im Labor als auch virtuell kann jedoch die Wirklichkeit nicht exakt erfasst werden.

In einem neuen Ansatz werden die Vorteile aus Labor- und Computerwelt kombiniert: Ein echter Gesteinsblock wird mit einem virtuellen Raum so erweitert, dass auch Erdbebenwellen Platz haben. Die im Block ausgelösten Wellen müssen dazu ungestört in den virtuellen Raum übertragen werden können. Die Wellen dürfen also die Grenze zwischen Block und virtuellem Raum nicht wahrnehmen. Das heisst, an der Grenze müssen z.B. alle Reflexionen ausgelöscht werden.

Wird die Herausforderung gemeistert, kann man zukünftig den geologischen Untergrund in Echtgrösse ins Labor holen. Dort könnte z.B. untersucht werden, wie gut sich Lecks in unterirdischen CO2-Speichern mithilfe seismischer Wellen erkennen lassen. Das würde einen wichtigen Beitrag leisten für eine sichere Speicherung von CO2 und damit seine Reduktion in der Atmosphäre.

In Resonanz schwingen

Wir können mit unserer Stimme ein Glas so stark zum Schwingen bringen, dass es zerspringt. Dazu müssen wir den richtigen Ton treffen – also eine Schallwelle mit passender Wellenlänge bzw. Frequenz erzeugen. Diese muss dem Ton entsprechen, der erklingt, wenn man das Glas antippt (Resonanzfrequenz).

Auch Bauwerke haben Resonanzfrequenzen. Wird ein Bauwerk in dieser Frequenz angeregt, schwingt es maximal. Dass die Resonanzfrequenz vor allem von der Höhe eines Gebäudes abhängt, zeigt sich, wenn bei Erdbeben auffällig viele Gebäude einer bestimmten Höhe stark beschädigt werden. Dies tritt ein, wenn die Resonanzfrequenz der betroffenen Gebäude der des Untergrunds entspricht, sodass beide maximal schwingen. Entsprechend wird bei einer erdbebensicheren Bauweise die Resonanzfrequenz des Gebäudes sowie die Beschaffenheit des Untergrunds berücksichtigt.

Beim Menschen können Körperteile durch einen bestimmten Infraschall in Schwingungen versetzt werden. Dies kann ein schauriges Gefühl auslösen. Durch die Vibration der Augäpfel kann zudem ein Flackern in den Augenwinkeln auftreten, was manchmal als übersinnliche Erscheinung wahrgenommen wird. Daher nennt man die Frequenz auch «Frequenz der Angst». Solch ein Infraschall kann z.B. durch Ventilatoren oder auch durch Wind, der durch alte Gemäuer fegt, ausgelöst werden.