Chaos, Turbulenzen und kosmische Selbstorganisationsprozesse

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