Chaos, Turbulenzen und kosmische Selbstorganisationsprozesse

Description

Dieses Buch bietet eine anschauliche und reich bebilderte Übersicht zur Vielfalt kosmischer Turbulenz- und Selbstorganisationsszenarien und ermöglicht umfassende Einblicke in die dabei in ganz unterschiedlichen Zusammenhängen ablaufenden Vorgänge und zugrundeliegenden theoretischen Konzepte. Es richtet sich an fachwissenschaftlich interessierte Laien, Studenten und Wissenschaftler, die einen Einstieg in diese Themenbereiche suchen. Der Autor zeigt auf, nach welchen Gesetzen Selbstorganisationsprozesse überall im Kosmos insbesondere auch die Entstehung der Galaxien, Sterne und Planeten sowie die Entwicklung des Lebens auf dem Planeten Erde möglich gemacht haben. In ansprechender Weise schlägt er einen weiten Bogen über eine Vielzahl chaotischer Vorgänge und Turbulenzen, geordneter Strukturbildungs- und Entwicklungsprozesse in der Natur, die uns Menschen aus dem Alltagsleben teilweise sehr wohl bekannt sind. Die näheren Erläuterungen mathematisch-physikalischer Modellierungsansätze und wissenschaftlicher Forschungsmethoden ermöglichen dem Leser ein wesentlich grundlegenderes Verständnis der dabei Einfluss nehmenden physikalischen, chemischen und biologischen Prozesse. 1 Chaos und Turbulenzen im Universum . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 Chaos und Turbulenz im täglichen Umfeld . . . . . . . . . . 2 1.1.1 Turbulenzen im Flugverkehr . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.1.2 Über die Notwendigkeiten einer Turbulenzreduzierung . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1.3 Positive Aspekte der Turbulenz . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1.4 Einfluss der Turbulenz auf Wolkenbildung . . . . . . . 6 1.2 Chaos- und Turbulenzerscheinungen auf unserem Planeten . 9 1.2.1 Turbulente Auswirkungen von Naturkatastrophen . . 9 1.2.2 Verwirbelungen innerhalb des Golfstroms . . . . . . . 9 1.2.3 Atmosphärische Turbulenzen . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.2.4 Auswirkungen des turbulenten Weltraumwetters . . . 20 1.3 Chaos- und Turbulenzerscheinungen im Sonnensystem . . . 24 1.3.1 Die Sonne als astrophysikalisches Forschungslabor . . 24 1.3.2 Solare Magnetfelder, Turbulenzen und Sonneneruptionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.3.3 Atmosphärische Turbulenzen und die Aufheizung der Sonnenkorona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.3.4 Der Sonnenwind und sein Einfluss auf die Heliosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.4 Stellare Turbulenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 1.4.1 Turbulenzen im interstellaren Medium . . . . . . . . . 35 1.4.2 Turbulente frühe Phasen der Sternentstehung . . . . . 41 1.4.3 Turbulente Sternentwicklungsprozesse . . . . . . . . . 50 1.5 Galaktische Turbulenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 1.5.1 Turbulenzen in der Umgebung unserer Milchstraße . 70 1.5.2 Aktive Galaxien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 1.5.3 Turbulenzen in kollidierenden Galaxienhaufen . . . . 78 Weiterführende Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 2 Geordnete und sich selbstorganisiert entwickelnde kosmische Objekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 2.1 Kosmische Turbulenzen und Selbstorganisationsprozesse in enger Wechselbeziehung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 2.2 Kosmologische Entwicklungsszenarien . . . . . . . . . . . . . 89 2.2.1 Das kosmologische Urknallparadigma . . . . . . . . . . 89 2.2.2 Ideengehalt des Urknalls . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 2.2.3 Frühe kosmologische Entwicklungsepochen nach dem Urknall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 2.2.4 Möglicher kosmologischer Einfluss primordialer magnetischer Feldstrukturen . . . . . . . . . . . . . . . 109 2.2.5 Pop-III-Sterne, frühe Supernovae und massereiche stellare Schwarze Löcher . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 2.2.6 Entstehung erster Proto- und Zwerggalaxien . . . . . . 119 2.3 Wohlgeordnete galaktische Strukturen . . . . . . . . . . . . . 121 2.3.1 Vielfalt der Galaxientypen . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 2.3.2 Galaktische Kollisionsstrukturen . . . . . . . . . . . . . 125 2.4 Scheibe-Jet-Strukturen um kompakte Himmelsobjekte . . . 129 2.4.1 Galaktische Scheibe-Wind-Strukturen der Milchstraße 129 2.4.2 Das kosmische Scheibe-Jet-Paradigma . . . . . . . . . . 129 2.4.3 Scheibe-Jet-Strukturen aktiver galaktischer Kerne . . . 132 2.4.4 Protostellare Scheibe-Jet-Strukturen . . . . . . . . . . . 133 2.4.5 Stellare Scheibe-Jet-Strukturen . . . . . . . . . . . . . . 137 2.5 Selbstorganisationsprozesse im Sonnensystem . . . . . . . . . 143 2.5.1 Geordnete Scheibenstrukturen im Sonnensystem . . . 144 2.5.2 Solare magnetische Selbstorganisationsprozesse . . . . 147 2.5.3 Selbstorganisationsprozesse im Erdsystem . . . . . . . 149 Weiterführende Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 3 Turbulenz- und Chaostheorien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 3.1 Turbulenz in neutralen Fluiden . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 3.1.1 Erzeugung von Turbulenzen . . . . . . . . . . . . . . . 161 3.1.2 Zur Entwicklung von Turbulenzmodellen . . . . . . . 169 3.1.3 Zur Vermessung und statistischen Analyse von Turbulenzfeldern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 3.2 Deterministisches Chaos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 3.2.1 Grenzen der Naturerkenntnis . . . . . . . . . . . . . . . 189 3.2.2 Grundlagen der Chaostheorie . . . . . . . . . . . . . . . 193 3.2.3 Ordnungsstrukturen und Deterministisches Chaos in der Populationsdynamik . . . . . . . . . . . . . . . . 200 3.2.4 Chaos und Turbulenz: eine enge Verwandtschaftsbeziehung . . . . . . . . . . . . . . . . 204 3.3 Turbulenz in magnetisierten Medien . . . . . . . . . . . . . . 207 3.3.1 Zur Bedeutung der Plasmaturbulenz . . . . . . . . . . 207 3.3.2 Magnetohydrodynamische Fluidturbulenzen . . . . . . 219 3.3.3 Datengewinnung im Rahmen der kosmischen Plasmaturbulenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 3.3.4 MHD-Turbulenztheorien . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 3.3.5 Zur besonderen Komplexität magnetischer Turbulenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 3.4 Kinetische Plasmaturbulenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 3.4.1 Magnetohydrodynamische und kinetische Turbulenz . 239 3.4.2 Kinetische Turbulenzmodelle . . . . . . . . . . . . . . . 242 3.4.3 Kollisions-, Dämpfungs- und Dissipationsprozesse in kosmischen Plasmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 3.5 Zur Bedeutung kosmischer Turbulenzforschung . . . . . . . 250 3.5.1 Elemente der Turbulenzforschung . . . . . . . . . . . . 250 3.5.2 Grenzen der Turbulenzanalyse und Schließungsprobleme . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 3.5.3 Die Eigenschaften kosmischer Turbulenzen . . . . . . 255 Weiterführende Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 4 Theorien zur Selbstorganisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 4.1 Kosmische Selbstorganisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 4.2 Zur historischen Entwicklung und Verwendung des Begriffs der Selbstorganisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 4.2.1 Selbstorganisation – Vom Urknall bis zum menschlichen Geist . . . . . . . . . . . . . . . . 268 4.2.2 Synergetik, die Lehre der Selbststrukturierung von Materie und Natur . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 4.2.3 Hyperzyklen und die Entwicklung des Lebens . . . . . 270 4.2.4 Die Gaia-Hypothese und das Leben auf unserem Planeten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 4.3 Selbstorganisierte Strukturbildungsprozesse in Fluiden . . . . 275 4.3.1 Ausbildung von Taylor-Wirbeln in rotierenden Fluiden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 4.3.2 Thermisch getriebene Konvektionsströmungen . . . . 278 4.3.3 Musterbildungsprozesse bei chemischen Reaktionen . 281 4.4 Theorien zur Selbstorganisation . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 4.4.1 Entropie und Selbstorganisationsprozesse in dissipativen Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 4.4.2 Synergetik, Ordnungsparameter und das Prinzip der Versklavung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 4.4.3 Selbstorganisationsprozesse in autokatalytischen Hyperzyklen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 4.4.4 Selbstorganisierte Kritikalität und Katastrophentheorie 298 4.5 Allgemeine Charakteristika selbstorganisierter Systeme . . . 303 Weiterführende Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 5 Astrophysikalische Strukturbildungsprozesse . . . . . . . . . . . 309 5.1 Magnetische Selbstorganisationsprozesse . . . . . . . . . . . . 316 5.1.1 Dynamoprozesse zur Erzeugung kosmischer Magnetfelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320 5.1.2 Turbulente kleinskalige Dynamos . . . . . . . . . . . . 321 5.1.3 Dynamotheorie mittlerer Felder . . . . . . . . . . . . . 323 5.1.4 Der turbulente magnetische Aktivitätszyklus der Sonne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328 5.1.5 Turbulente Planetare Dynamoprozesse . . . . . . . . . 332 5.1.6 Erzeugung magnetischer Saatfelder . . . . . . . . . . . 341 5.1.7 Spezielle Organisationsformen magnetischer Felder . . 346 5.2 Selbstorganisationsprozesse in stellaren und galaktischen Systemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 5.2.1 Stellare Entwicklungsprozesse . . . . . . . . . . . . . . . 349 5.2.2 Organisationsformen galaktischer Systeme . . . . . . . 356 5.2.3 Selbstorganisationsprozesse in Scheibe-Jet-Systemen . 369 5.3 Entstehung der Planetensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . 380 5.3.1 Historisches zur Planetensystementwicklung . . . . . . 380 5.3.2 Besondere Eigenschaften extrasolarer Planetensysteme 384 5.3.3 Staubbildung und die Entstehung der Planetesimale . 387 5.3.4 Das „Grand-Tack-Modell“ und die Entwicklung des inneren Sonnensystems . . . . . . . . . . . . . . . . 396 5.3.5 Die Entstehung des Erde-Mond-Systems . . . . . . . . 405 5.3.6 Das „Nizza-Modell“ und die Entwicklung des äußeren Sonnensystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407 5.3.7 Die Atmosphären der Planeten . . . . . . . . . . . . . . 413 Weiterführende Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419 6 Unser Leben im Universum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421 6.1 Grundlagen für die Evolution des Lebens . . . . . . . . . . . 421 6.1.1 Über die Möglichkeit von Leben auf Planeten . . . . . 423 6.1.2 Astrophysikalische und geologischen Grundlagen für die Evolution des Lebens auf der Erde . . . . . . . 426 6.1.3 Erdatmosphärische Lebensgrundlagen . . . . . . . . . . 429 6.1.4 Über die Zellstrukturen als Basiselemente der Lebensentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431 6.2 Sonne, Heliosphäre und das Weltraumwetter . . . . . . . . . 433 6.2.1 Der Sonnenwind in der Heliosphäre . . . . . . . . . . 434 6.2.2 Einflussnahme auf Prozesse in der Erdmagnetosphäre 436 6.2.3 Auswirkung des Weltraumwetters auf den Menschen . 439 6.3 Biochemische Entwicklung des Lebens auf der Erde . . . . . 442 6.3.1 Zur Definition des Lebensbegriffs . . . . . . . . . . . . 443 6.3.2 Geeignete Orte und notwendige Bedingungen für die frühe Entstehung von Leben . . . . . . . . . . . 448 6.3.3 Makromoleküle und Zellstrukturen . . . . . . . . . . . 454 6.3.4 Zellatmung und die Erzeugung des Energieträgers ATP 457 6.3.5 Die Entwicklung der Zellstrukturen . . . . . . . . . . . 463 6.3.6 Selbstorganisation des Lebens . . . . . . . . . . . . . . . 467 6.4 Stoff-, Energiekreisläufe und das Erdklima . . . . . . . . . . . 477 6.4.1 Stoffkreisläufe im System Erde . . . . . . . . . . . . . . 479 6.4.2 Die Energiekreisläufe des Erdsystems . . . . . . . . . . 488 6.4.3 Das komplexe Klimasystem der Erde . . . . . . . . . . 491 6.5 Wachstumsgrenzen für das Erdsystem . . . . . . . . . . . . . . 494 6.5.1 Die zunehmende Abstrahlung „thermischen Mülls“ . 494 6.5.2 Über die Grenzen regenerativer Energien . . . . . . . . 495 6.5.3 Die Entladung der Erdbatterie . . . . . . . . . . . . . . 498 Weiterführende Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500 Epilog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503 A Mathematische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511 B Physikalische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529 Glossar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571 Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 587