Эффект Доплера и звездные спектры

Эффект Доплера простыми словами

Вы когда-нибудь стояли на светофоре, ожидая, когда загорится зеленый, и вдруг слышали, как приближающаяся к перекрестку машина сигналит? По мере приближения, этот сигнал становится относительно высоким. Когда машина проезжают мимо вас, звук клаксона становится намного тише. Вы никогда не задумывались, почему?

Это результат эффекта Доплера, или доплеровского смещения, видимого изменения частоты волны, то есть звуковой или световой волны, вызванного движением наблюдателя и/или источника.

Определение эффекта Доплера

Хотя этот урок будет посвящен световым волнам и эффекту Доплера, лучше всего научиться понимать его через звук.

Во-первых, нужно понимать, что чем выше частота чего-либо, тем короче длина волны (l). Чем ниже частота, тем длиннее длина волны. Кроме того, высота звука зависит от его длины волны. Те, у которых низкий тон, имеют более длинные волны. Те, у которых более высокие частоты, имеют более короткие.

Это легко запомнить: «длинные волны» производят «низкий» звук, а «короткие» волны создают «писклявый» звук!

Зная все это, давайте вернемся к нашему примеру с автомобилем. Допустим, вы стоите на углу улицы. Навстречу вам приближается машина, которая сигналит. Частота, на которой клаксон издает звук, всегда одинакова. Но частота, с которой вы получаете эти звуки, другая.

Когда машина приближается к вам, звуки достигают вас чаще, это логично. Это означает, что звук смещается в сторону более коротких волн, и, таким образом, звуковой сигнал звучит для вас выше по высоте. Когда машина проезжает мимо вас, звук достигает вас уже реже. Это означает, что звук смещается в сторону более длинных волн, и, таким образом, звук клаксона  кажется вам более низким.

Способ помочь запомнить, в какую сторону направлены длины волн, — можно представить, что длины волн — это пружина между двумя объектами. Когда один объект движется навстречу другому, пружина сжимается, и, таким образом, (l) становятся короче. Когда один из них удаляется от другого, пружина растягивается, и поэтому длины волн становятся длиннее.

Эффект Доплера в астрономии

Как и звук, свет тоже имеет длину волны. Длины волн света находятся в спектре. Спектр — это совокупность электромагнитного излучения, включающая видимый свет, расположенный в порядке длины волны.

Подобно тому, как автомобиль может подать сигнал, излучая звуковые волны, звезда излучает свет, создает световые волны. Если к вам приближается источник света, волны будут иметь более короткую длину (l). Это делает свет более синим. Итак, астрономы называют это голубым смещением или уменьшением длины волны.

Если источник света проходит мимо вас, кажется, что свет имеет более длинные волны. Они придают более красный цвет. Это называется красным смещением или увеличением (l).

Просто имейте в виду, что эти термины относятся к направлению самого сдвига при обсуждении любого диапазона длин волн электромагнитного спектра, а не только той части, которая включает видимый свет. Фактический цвет света может не быть красным или синим, поскольку этот термин может фактически использоваться для обозначения других (l), например, рентгеновских лучей.

Крайне важно, что именно скорость источника определяет величину изменения (l). Доплеровский сдвиг будет больше в шуме, издаваемом быстро движущимся автомобилем, и меньше в случае медленно движущегося автомобиля. Точно так же доплеровский сдвиг медленно движущейся звезды меньше, чем у быстро движущейся.

Но на эффект Доплера влияет только так называемая радиальная скорость (Vr) , то есть скорость, направленная прямо на объект или от него. Это означает, что если звезда движется влево или вправо, ее расстояние от Земли не меняется, синего или красного смещения не происходит. Чтобы произошел доплеровский сдвиг, объект должен двигаться к Земле или от нее.

Не менее важно помнить, что эффект Доплера зависит не только от звезды, но и от Земли. Земля движется относительно звезды, и это влияет на доплеровский сдвиг. Звезда, движущаяся к Земле, имеет голубое смещение, но красное смещение, если она удаляется от Земли. Когда Земля движется к звезде, линии спектра смещаются в синий цвет, но если Земля удаляется от звезды, линии спектра смещаются в красную сторону.

Формула

Эффект Доплера для звука описывается следующей формулой:

​

где:

• f′ — частота звука, получаемая наблюдателем,
• $f$ — частота источника звука,
• $v$ — скорость звука в среде,
• v₀ — скорость источника звука (положительная, если источник движется к наблюдателю, отрицательная, если источник движется от наблюдателя),
• v_sound — скорость наблюдателя (положительная, если наблюдатель движется к источнику звука, отрицательная, если наблюдатель движется от источника).

Для случая света (оптический эффект Доплера) формула будет выглядеть похожим образом, но с учетом того, что свет распространяется с очень большой скоростью, и используется вместо скорости звука:

​

где:

• $c$ — скорость света.

В этих формулах знаки и направления скоростей зависят от того, движется ли источник или наблюдатель к друг другу или прочь друг от друга.

Применение эффекта Доплера

Он применяется в различных областях. Вот несколько из них:

1. Радиосвязь и спутниковая связь: В области телекоммуникаций он учитывается при передаче и приеме сигналов. Доплеровский сдвиг в частоте используется для коррекции частоты передаваемого сигнала в радиосвязи и спутниковых связях.
2. Метеорология: для измерения скорости ветра с помощью радаров. Он позволяет определить направление и скорость движения атмосферных частиц.
3. Медицинская диагностика: В медицинских ультразвуковых исследованиях применяется для измерения скорости кровотока. Это используется, например, при допплерографии для оценки состояния сосудов и сердечной деятельности.
4. Астрономия: для измерения скорости удаления или приближения звезд и галактик. По сдвигу в спектре света можно определить скорость, с которой объект отдаляется или приближается к наблюдателю.
5. Автомобильная промышленность: Эффект Доплера используется в радарах и системах контроля дистанции в автомобилях для измерения скорости движения других транспортных средств.
6. Звуковая диагностика: В области звука эффект Доплера он необходим для измерения скорости движения звуковых волн, например, при работе со звуковыми волнами от движущихся источников.

Это лишь несколько примеров, однако, его использование может быть намного шире в зависимости от конкретных технических задач.

Краткие итоги урока

Эффект Доплера, или доплеровское смещение, представляет собой кажущееся изменение частоты волны; то есть звуковая или световая волна, вызванная движением наблюдателя и/или источника. Напомним, что чем выше частота чего-либо, тем короче длина волны. Чем ниже частота, тем длиннее длина волны.

Свет имеет (l), которые можно найти в спектре. Спектр — это совокупность электромагнитного излучения, включающая видимый свет, расположенный в порядке (l). Синее смещение — это уменьшение длины, тогда как красное смещение — это увеличение (l).

Эффект Доплера зависит только от радиальной скорости (Vr) , скорости, направленной прямо на объект или от него, и зависит от движения как наблюдателя, так и источника света. Если соотнести это со звездой и Землей, это можно резюмировать так: звезда, движущаяся к Земле, имеет синее смещение, но красное смещение, если она удаляется от Земли. Когда Земля движется к звезде, линии спектра смещаются в синий цвет, но если Земля удаляется от звезды, линии спектра смещаются в красную сторону.