Der Gesang eines Wals kann scheinbar schneller durch den Ozean wandern als der Schall ... Aber wie kann der Schall selbst Überschallgeschwindigkeit erreichen?
Um das zu verstehen, muss man zwei Wege verfolgen. Ein Teil des Schalls gelangt direkt vom Tier zu einem Empfänger. Ein anderer erreicht zunächst die Wasseroberfläche und kehrt dann als Echo zurück. Beide Signale treffen nahezu gleichzeitig ein, wenn sich der Wal oder der Empfänger nahe genug an der Oberfläche befindet.
Buckelwal und sein Kalb unter der Meeresoberfläche.
Quelle: Elianne Dipp / Pexels
Diese beiden Versionen desselben Schalls können sich überlagern. Je nach ihrem zeitlichen Versatz verstärken sich manche Teile, während andere abgeschwächt werden. Das Maximum des empfangenen Signals kann dadurch früher als erwartet auftreten. Misst man nur die Bewegung dieses Maximums, berechnet man eine scheinbare Geschwindigkeit, die über der Schallgeschwindigkeit liegt.
Dennoch reist keine Information mit dieser Geschwindigkeit. Die Simulationen von John L. Spiesberger und Eugene Terray zeigen, dass die Information im Wasser langsamer als der Schall bleibt. Das Phänomen entsteht also durch die Form des empfangenen Signals, die sich durch die Interferenz zwischen dem direkten Weg und dem Echo verändert.
Anders gesagt: Der beobachtete Peak ist kein Objekt, das das Wasser tatsächlich mit ungewöhnlicher Geschwindigkeit durchquert hätte. Er entsteht aus der Addition mehrerer Wellen, die auf unterschiedlichen Wegen eingetroffen sind. Diese Unterscheidung vermeidet ein Paradoxon: Die üblichen Gesetze der Ausbreitung bleiben eingehalten.
Die Forschenden haben diesen Mechanismus mithilfe numerischer Simulationen untersucht. Ihre Arbeit befasst sich mit akustischen Wellenpaketen in einem Medium, in dem sich alle Frequenzen normalerweise mit derselben Geschwindigkeit ausbreiten.
Wale bieten einen besonders interessanten konkreten Fall. Ihre Rufe können große Entfernungen zurücklegen und an der Oberfläche reflektiert werden. Die Berücksichtigung dieser Interferenzen könnte die Art und Weise verändern, wie ein Netzwerk von Unterwassermikrofonen die Position eines Tieres anhand der Ankunftszeit der Laute bestimmt.
Die Studie bleibt theoretisch und beruht auf Simulationen. Die Autoren weisen jedoch darauf hin, dass sich der Effekt experimentell überprüfen lassen sollte. Kontrollierte Messungen könnten insbesondere zeigen, unter welchen Bedingungen ein Echo den akustischen Peak ausreichend verschiebt, um diese scheinbare Geschwindigkeit zu erzeugen.