Эффект Доплера

Эффект Доплера заключается в смещении спектра излучения в том случае если источник света движется относительно наблюдателя. Действует эффект не только для света, но и для звука, и вообще для всех видов волн. Это отличная возможность для определения скоростей в астрономии. Напомним читателям, что астрономия принципиально отличается от других естественных наук тем, что как правило не может проводить эксперименты непосредственно с объектами своих исследований. Звезду нельзя поместить в пробирку! Астрономы могут только ``подсматривать`` за природой. При этом многое приходится домысливать, что порождает обычно несколько сценариев объяснения одного и того же явления. Это делает астрономию более интересной, но также доставляет и множество трудностей. Так что астрономы всегда стремятся извлечь максимум информации из регистрируемого излучения (видимого, радио, рентгеновского, гравитационного, излучения нейтрино и т.д.). В частности, для этого нужно исследовать спектр: препарировать излучение.
Если относительная скорость источника и наблюдателя много меньше скорости света, км/с, то для вычисления скорости по сдвигу спектральной линии применяется следующая формула:

где
- скорость источника относительно наблюдателя вдоль луча зрения. Чем больше скорость, тем больше смещение линии в спектре,
, относительно ее ``стандартного'' положения,
, поэтому линии в спектрах далеких квазаров сильно сдвинуты в красную сторону из-за эффекта красного смещения, связанного с расширением Вселенной. Смещаются и линии в спектрах струй, бьющих из многих астрофизических объектов. Причем одна струя (направленная на нас) становится более синей и яркой, а противоположная - более красной и слабой (из-за чего иногда она вообще может ненаблюдаться). Эффект Доплера позволяет измерять скорости вращения небесных тел и многое-многое другое. При скоростях близких к скорости света простая формула видоизменяется, чтобы учесть эффекты специальной теории относительности (это важно, например, для очень далеких внегалактических объектов).
Каждый из вас, вероятно, обращал внимание на изменение тона звука гудка быстро приближающегося паровоза. Тон звука повышается с приближением паровоза и понижается по мере его удаления.
Чем больше скорость сближения с источником звука, тем изменение тона звука заметнее.
При движении наблюдателя к источнику звука или, наоборот, источника звука к наблюдателю ухо наблюдателя воспринимает в единицу времени большее число звуковых волн, чем если бы источник звука и наблюдатель были неподвижны относительно один другого.
Чем больше скорость сближения, тем больше волн воспринимает ухо, тем чаще будет колебаться барабанная перепонка и, следовательно, тем выше будет тон воспроизводимого звука.
Явление изменения тона звука при движении источника звука или наблюдателя называется эффектом Допплера.
Эффект Допплера существует и в море. В гидроакустике он играет очень важную роль.
Звук, отраженный от какого-либо предмета, например от подводной лодки, будет иметь определенный тон. Такой же тон будет иметь отраженный звук от пузырьков воздуха в воде, т. е. тон реверберации. Но если предмет, от которого отражаются волны, будет сближаться с приемником, то тон отраженного звука (тон эха) будет повышаться, а тон реверберации останется прежним. На основании этого можно сделать очень важный вывод: если мы заметим, что тон эха от подводного предмета повышается по сравнению с тоном реверберации, значит, предмет перемещается и, более того, он перемещается в сторону сближения, а если тон эха понижается, следовательно, предмет идет на удаление. Если же тон эха не изменится — предмет либо стоит на месте, либо перемещается перпендикулярно направлению от приемника на предмет. Эффект Допплера можно проиллюстрировать рисунком, называемым «розой Допплера»

Опытный гидроакустик может определить курс подводной лодки в подводном положении с точностью примерно до 30°. Для этого он определяет тон эха и по «розе Допплера» определяет курс подводной лодки.