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WISSENSCHAFTLICHES LABOR FÜR KINDER
Dem Ozean lauschen Wissenschaftliches Kinderlabor
Verzeichnis / Wissenschaftliches Kinderlabor Sie haben wahrscheinlich aufgepasst: In Bezug auf Meere und Ozeane wird das Wort „Geheimnis“ genauso oft verwendet wie in Bezug auf den Weltraum. Das ist kein Zufall. Die Erforschung der Ozeane ist sehr, sehr schwierig. Und obwohl sich das Wissen über dieses Element ständig ansammelt, gibt es auch heute noch viel Unverständliches. Was sind die Schwierigkeiten? Tatsächlich können vom Bord eines Forschungsschiffs aus Instrumente in jede beliebige Tiefe abgesenkt und die Zusammensetzung des Meerwassers, der Salzgehalt, die Geschwindigkeit und die Temperatur der Strömungen bestimmt werden. Tiefsee-Fernsehkameras helfen dabei, das Leben der Meeresbewohner zu überwachen. Es gibt auch Bathyscaphes, mit denen man in große Tiefen hinabsteigen kann. Das alles ist so. Aber das Meer ist veränderlich. Und wenn die sogenannten stationären Strömungen, die Tag für Tag, Jahr für Jahr in die gleiche Richtung und in der gleichen Tiefe verlaufen, wirklich relativ einfach zu untersuchen sind, wie sieht es dann mit Wasserstörungen aus, die innerhalb weniger Stunden entstehen und verschwinden? Wie kann man die ringförmigen Unterwasserwirbel untersuchen, die laut Wissenschaftlern Zyklone oder Antizyklone erzeugen, die das Wetter rund um den Globus verändern? Schließlich bleibt einfach keine Zeit, sie zu „fühlen“ und mit Tiefeninstrumenten zu sondieren. Selbst die Bewegung von Fischschwärmen zu verfolgen, um Fischereifahrzeugen klare Befehle zu erteilen, ist nicht einfach und teuer. Dazu ist es notwendig, fast eine ganze Luftflotte zu unterhalten, und ihre Wirksamkeit ist nicht so groß, da ein Pfosten aus der Luft nur in relativ geringer Tiefe erkannt werden kann. Daher suchen Wissenschaftler seit langem nach einer Methode, die es ermöglicht, ein detailliertes und vollständiges Bild der im Meer auftretenden Phänomene zu erhalten, und nicht nur fragmentarische Daten, die an Stellen gewonnen werden, an denen Forschungsschiffe ihre Messgeräte absenken . Natürlich wäre es am verlockendsten, die Wassersäule mit irgendeiner Strahlung zu beleuchten, so wie ein Röntgengerät durch die Betonplatten von Häusern scheint und alle ihre Mängel auf fotografischem Film zeigt. Aber im Wasser verblassen Röntgenstrahlen, bevor sie ein Dutzend Meter zurückgelegt haben. Radiowellen zerfallen genauso schnell. Das Radar unter Wasser wäre also blind. Auch die Lichtstrahlen verflüchtigen sich schnell. Der Ton bleibt... Experten wissen seit langem, dass Schall im Wasser beträchtliche Distanzen zurücklegt. Aber ist es für den Einsatz in einem Unterwasserortungsgerät geeignet?
Um diese Frage zu beantworten, führten Wissenschaftler des Instituts für Allgemeine Physik der Akademie der Wissenschaften der UdSSR das folgende Experiment durch: Am Unterwasserteil eines Forschungsschiffs wurde ein Schallsender befestigt – ein massiver Metallzylinder mit zwei Membranabdeckungen und einem Elektromagneten im Inneren . An die Wicklungen des Elektromagneten wurde ein Tonfrequenz-Spannungsgenerator angeschlossen, und das Schiff fuhr auf See.
Zeit verging. Das Schiff fuhr immer weiter und das in Ufernähe installierte Hydrophon empfing sein Signal zuverlässig. Selbst eine Entfernung von 400 Kilometern schwächte den Schallfaden, der das Schiff mit dem Ufer verbindet, kaum ab – das Hydrophon empfing den Klang des Senders immer noch deutlich. Es stellte sich heraus, dass es in Küstennähe möglich ist, das Schallecho von Prozessen im Meer und Tausende von Kilometern vom Hydrophon entfernt zu empfangen. Sie versuchten dies zu tun, aber nachdem sie den Hydrophonsignalen zugehört hatten, die in einem anderen Experiment mehrere Tage hintereinander von einem Tonbandgerät aufgezeichnet wurden, entdeckten die Wissenschaftler etwas, das nicht entziffert werden konnte: eine chaotische Mischung aller möglichen Geräusche aus der Infrarotstrahlung -niedrig bis ultrahoch, erschien auf dem Magnetband. Kein Computer würde helfen, ein solches Klangchaos zu verstehen. Es wurde klar, dass es sinnlos ist, auf das Meer zu hören. Sie müssen es abtasten, einfach mit Ihrem eigenen Ton abtasten, so wie es ein Ortungsgerät tut. Allerdings war das direkte Prinzip, nach dem der Ortungsgerät funktioniert, für Physiker nicht geeignet. Sie wissen wahrscheinlich, dass das Ortungsgerät Funksignale in den Himmel sendet und deren Reflexion auffängt. Man könnte davon ausgehen, dass ein Fischschwarm im Wasser auch in der Lage ist, ein auf ihn fallendes Schallsignal zu reflektieren – seine Dichte unterscheidet sich von der Dichte des Wassers. Aber ein ringförmiger Wirbel oder eine ringförmige Strömung wird den Schall höchstwahrscheinlich nicht oder nur sehr schwach reflektieren. Wasser ist schließlich Wasser, und es macht für den Klang keinen Unterschied, ob es stillsteht oder sich bewegt. Deshalb beschlossen sie, den Schallsender und das Hydrophon in einer Entfernung von mehreren zehn Kilometern zu trennen. Die Berechnung war, dass die Störungen des Wassers oder desselben Fischschwarms, der zwischen ihnen auftauchte, zumindest ein wenig die Ausbreitung des Schalls im Wasser verhindern und seine Amplitude oder Phase verzerren würden. Und um zu verhindern, dass Fremdsignale in den Hydrophonverstärker gelangen, beschlossen sie, einen Filter einzubauen, der sehr genau auf die Frequenz des Schallsenders abgestimmt ist. Dann war es notwendig, über das komplette Schema der Meeresgeräusche nachzudenken. Und hier erinnerten sich die Physiker zunächst an den Doppler-Effekt. Sie haben diesen Effekt wahrscheinlich schon mehr als einmal erlebt. Denken Sie daran: Wenn sich der Zug dem Bahnhof nähert, ist sein Piepton höher als bei der Vorbeifahrt. Denn zunächst addieren sich die Geschwindigkeiten von Schall und Zügen, der Schall fliegt schneller und seine Frequenz wird für einen stationären Beobachter höher. Dann wird die Geschwindigkeit des Zuges bereits von der Schallgeschwindigkeit abgezogen. Seine Häufigkeit nimmt ab. Für einen Breitband-Audioempfänger wie unser Ohr spielt das keine Rolle. Wenn es jedoch nur auf die Frequenz des Horns abgestimmt ist, wie das Hydrophon auf die Frequenz des Senders, sind weder höhere noch niedrigere Frequenzen zu hören. Deshalb beschlossen sie, den Schallsender bewegungslos auf dem Meeresgrund zu installieren und nicht auf einem Schiff, das durch seine Bewegung die Frequenz ändern könnte.
Ein Hydrophon reichte für eine genaue Analyse nach Ansicht der Wissenschaftler nicht aus. Um möglichst viel Platz abzudecken, benötigen Schallempfänger mindestens ein paar Dutzend. Dann wird es möglich sein, einen Fischschwarm oder einen Ringwirbel nicht nur zu registrieren, sondern auch deren Bewegungen zu überwachen. Das heißt, es wird möglich sein, ein bestimmtes räumliches Bild von Störungen im Meer zu erstellen und herauszufinden, was diese Störungen verursacht hat. Man kann schon lange erkennen, wie die Ausrüstung für das Experiment vorbereitet wurde – in die Hydrophone wurden spezielle Vorverstärker eingebaut, die sowohl schwache Signale hören als auch zu starke nicht „betäuben“ konnten, wie nach Möglichkeiten gesucht wurde, sie zu schützen Wie sie aufgrund von Wasserdruck und Korrosion den aus wissenschaftlicher Sicht interessantesten Abschnitt des Meeres auswählten ... Es gab viele Schwierigkeiten bei der Vorbereitung. Während des Experiments warteten sie auf Wissenschaftler. Nachdem der Schallsender und fünfzig Hydrophone an einem gemeinsamen Kabel auf den Meeresgrund eingetaucht und alle Geräte eingeschaltet waren, sahen die Forscher statt des erwarteten Signals fünfzig Signale mit unterschiedlichen Phasen auf dem Oszilloskopbildschirm – nicht alle Hydrophone zusammenarbeiten, aber außer Betrieb. Der Grund war einfach: Damit alle Hydrophone, wie man so sagt, im Einklang funktionieren, muss der Abstand von jedem von ihnen zum Schallgeber gleich sein. Dann kommen alle Signale in einer Phase zu ihnen. Aber schließlich lässt sich ein Kabel nicht perfekt gleichmäßig bis zu einer Tiefe von hundert Metern und mit einer Genauigkeit im Mikrometerbereich verlegen. Wie es auf den Grund fällt, ist eine Frage des Zufalls. Und doch gelang es, Hydrophone in einem Team funktionieren zu lassen. Physiker haben die Phasen mit sehr hoher Genauigkeit ausgerichtet, indem sie spezielle elektronische Phasenschiebergeräte entwickelt haben. Und nun liefert die stationäre Spur – so nannten die Experten ihren Unterwasserschallorter – bereits Aufschluss. Jetzt analysieren Theoretiker es und suchen nach Mustern, die es ermöglichen, genau zu bestimmen, was diese oder jene Signalverzerrung bedeutet und welchem Phänomen im Meer sie entspricht. In Zukunft denken Wissenschaftler darüber nach, solche Routen auf allen Meeren und Ozeanen zu installieren. Und offenbar ist die Zeit nicht mehr fern, in der sie viel weniger Geheimnisse haben werden. Autor: A.Fin
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