Deterministisches Chaos und Klimamodellierung.

Unsere Erde und die Klimabedingungen verändern sich ständig. Auch die Lage der Kontinente. Als Simulation hierzu gibt es auf Youtube ein kurzes Video (1:52 Min).
Die Klimasituation unserer Erde in der Vergangenheit lässt sich durch Eisbohrkerne bestimmen. Diese gewinnt man in Arktis und Antarktis, z.B. auf der Neumayerstation III. Daraus erhält man Informationen über die Lufttemperatur (über im Eis eingeschlossene Sauerstoff-Isotope), den Gasgehalt der Atmosphäre, also über die Konzentration von z.B. Sauerstoff, Kohlendioxyd, Methan, und über Aerosole. Alle diese Werte schwankten über die Jahrtausende, und die Wissenschaftler sind mit Hilfe dieser Daten in der Lage, die klimatische Geschichte unserer Erde bis zu 800.000 Jahre zurückzuverfolgen.
Die Klimazyklen, die man mit Hilfe der Daten aus dem Eis feststellen konnte, lassen sich als deterministisches Chaos beschreiben. Dazu habe ich folgendes notiert:
Chaotische Systeme

1. sind deterministisch, ihr Verhalten beruht auf Bewegungsgleichungen (Newtonsche Gesetze)
2. sind empfindliche auf Anfangsbedingungen (siehe Bild und Erklärung unten)
3. verhalten sich nicht zufällig

Als Beispiel für deterministisches Chaos haben wir das magnetische Pendel betrachtet. Dabei pendelt eine magnetische Kugel an einem Faden über drei Magneten (drei in diesem Beispiel). Die Kugel kommt nach einigen Pendelbewegungen über einem der drei Magnete zum Stillstand. Über welchem, wird von der Ausgangsposition bestimmt. Dazu dieses Bild aus Wikipedia:

Die drei Magnete sind durch die Farben grün, rot und blau bestimmt, Wird das Pendel über einem grünen Punkt losgelassen, kommt es über dem grünen Magneten zum Stillstand, startet es über einem roten Punkt, landet es über dem roten Magneten, und das gleiche gilt auch für die blauen Punkte sinngemäß. Auffällig ist, dass es im Zentrum, rund um die Magnete Zonen gibt, in denen das Pendel immer zu diesem Magneten zurückkehrt. In den Außenbereichen jedoch liegen die Farbzonen eng beieinander. Eine nur geringe Abweichung beim Start führt zu einem ganz anderen Landepunkt. Das ist mit der Eigenschaft 2. oben gemeint "sind empfindlich auf Anfangsbedingungen". Kleine Abweichung, große Änderung.

Was ist Turbulenz?

Rätsel Nummer zwei der modernen Physik, Rätsel Nummer eins war die Frage nach der Stabilität unseres Sonnensystems hier. Eine Turbulenz ist eine Abweichung der Bewegung vom gleichförmigen Fluss. Turbulenzen entstehen in Strömungen, durch Hindernisse oder Instablitäten. Zum Beispiel, wenn zwei Flüssigkeiten unterschiedlichen Gewichts sich mischen, die schwere Flüssigkeit ist oben, die leichte unten, bei der Mischung entstehen Turbulenzen. Das nennt man Rayleigh-Taylor-Instabilität.

(von: Frederik Brasz)
Eine weitere Instabilität bei gegenläufigen Strömungen heißt Kelvin-Helmholtz-Instabilität, hier ebenfalls in einer Simulation gezeigt:

(von: Kevin Schaal)
Diese Instabilität zeigt sich auch beim Wetter, dann sieht man solche regelmäßigen Wolken aneinandergereiht.

(von: GRAHAMUK)
Die Dritte Instabilität nennt sich Konvektion und entsteht durch Wärmezufuhr (Hitze) einerseits und Abstrahlung (Kälte) andererseits. Dies kann in der Natur u.a. auch bei Gewittern beobachtet werden. Konvektion im Erdinnern treibt die Plattentektonik. Ein Beispiel für Konvektion in einem Wetterfilm:

(von: Vienna Stormspotters)

Ist unser Planetensystem stabil?

So lautete die erste Vorlesung unter dem Thema des Wintersemesters Physik im Umbruch - sieben Rätsel der modernen Physik. Es begann mit einem Schnelldurchlauf durch die Geschichte der Physik, vom antiken Aristoteles über den Tüftler Archimedes, er erkannte z.B. das Prinzip des Auftriebs und die Möglichkeiten der Bündelung des Sonnenlichts durch Spiegel: man konnte etwas in der Ferne in Brand setzen. Die moderne Physik begann mit Galilei, der Physik durch Mathematik beschrieb. Johannes Kepler erkannte durch Beobachtung die nach ihm benannten Gesetze, er wusste jedoch nicht, warum das so war. Isaac Newton schließlich konnte die Keplerschen Gesetze beweisen.
Damit wären wir bei unserem Planetensystem gelandet und der Frage nach seiner Stabilität. Die neun Planeten umkreisen bekanntlich die Sonne, die Bahnen sind nicht kreisförmig, sondern bilden eine Ellipse. Die Physik kann seit Newton recht gut beschreiben, welche gegenseitigen Kräfte auf zwei Körper, z.B. Planet Erde und Planet Mars, wirken. Leider ist die Wirklichkeit komplexer. Alle Planeten beeinflussen sich gegenseitig, und das ist mathematisch nicht lösbar. Vereinfacht man das Problem auf 3 Körper (Planeten) ist es beschränkt lösbar, für N-Körper jedoch nicht.
Jacques Laskar (*1955) führte umfangreiche himmelsmechanische Berechnungen und Simulationen durch. Daraus ergab sich, dass die äußeren Planeten recht stabile Bahnen haben, Merkur, der innerste Planet ist am wenigsten stabil, die Bahnen von Venus und Erde sind stabiler als Merkur, so dass es unwahrscheinlich ist, dass Planeten kollidieren oder in die Sonne stürzen. Wie beruhigend!
Allerdings ist unser Planetensystem sehr voll, so dass es durchaus möglich ist, dass es vor Milliarden Jahren bereits einmal Verluste gab.

Zeitvertreib Uni besuchen.

Die letzten Tage habe ich hin und her überlegt, ob ich das Thema Seniorenstudium auch hier ins Blog aufnehmen soll. Einerseits ist das ein weiterer Themenkreis, den ich bisher ausgespart habe, noch mehr Kraut und Rüben also hier im Blog, dem die einheitliche Linie ja von Anfang an fehlte. Andererseits, so ist es halt, die Dinge, mit denen ich mich beschäftige, sind eben vielfältig, also warum nicht auch im Blog darüber schreiben? Also fang ich einfach mal an und sehe, wie es sich entwickeln wird. Leser-Feedback ist willkommen!
Erst mal jedoch ganz von vorne. Seniorenstudium heißt der Fachbegriff, es ist eine spezielle Form der Gasthörerschaft. Das heißt, man besucht Uni-Veranstaltungen, schreibt aber weder Hausarbeiten noch macht man eine Prüfung. Just for fun. Geld kostet es auch, zwei wöchentliche Vorlesungen zu je zwei Stunden, in Wirklichkeit ja nur neunzig Minuten, kosten einhundert Euro pro Semester. Die Studiengebühren wurden ja inzwischen auch in Bayern abgeschafft, die Gebühren fürs Seniorenstudium sind geblieben.
Am Anfang war es schon recht merkwürdig, ein Gebäude zu betreten, das nur von jungen Leuten bevölkert wird, von wirklich jungen Leuten. Ich als Oma kam mir schon als Fremdkörper vor, so "was will die denn da?". Man gewöhnt sich dran, klar, und man ist nicht allein. Gerade in Geschichte, dem Schwerpunkt meiner Uni-Interessen, gibt es viele Senioren und Seniorinnen, und so fühlte ich mich schon nach kurzer Zeit nicht mehr so als Fremdkörper, wie ich anfänglich dachte.
In dieser Woche fanden nun die ersten Vorlesungen des Wintersemesters statt, und ich konnte in dieser Woche einiges klären. Das Vorlesungsverzeichnis erscheint ja immer schon in den letzten Tagen des vorigen Semesters, und wie immer hatte ich mir gleich alle für mich in Frage kommenden Vorlesungen herausgesucht. Dann hatte ich über drei Monate Zeit, mir zu überlegen, was ich wirklich hören möchte, aber so richtig entscheiden konnte und wollte ich nicht. Der mögliche Stundenplan war viel zu umfangreich, hinzu kam in den letzten Wochen ein neuer Professor mit einem neuen, sehr interessanten Thema, das ich nicht versäumen wollte. Ich habe nun alle Professoren in ihrer ersten Vorlesung gehört, gehört was sie machen wollen, und nun steht auch mein Plan.
Es gibt in diesem Semester in Geschichte eine Schwerpunktepoche, das ist die Frühe Neuzeit. Dazu höre ich zwei Vorlesungen, das gesamte Angebot ist jedoch größer. Ich habe mir "Globalisierung in der frühen Neuzeit" gewählt, ein Thema mit wirtschaftspolitischem Schwerpunkt. Die zweite Vorlesung behandelt den Bauernkrieg 1525. Dieses Thema ist für Würzburg, aber auch für Württemberg wichtig. Hier fand dieser Krieg statt, und wir werden über die Ursachen hören. Das neue, für mich so interessante Thema befasst sich mit Mediengeschichte ab Mitte des 19. Jahrhunderts bis heute.
Hinzu kommt ein Ausflug zu einer alten Liebe von mir, der Physik. Hier gibt es alle zwei Wochen was zu hören über Rätsel der Physik, aus Astronomie, Klimaforschung und so weiter.
Das ist noch nicht alles. Es werden sogenannte Ringvorlesungen angeboten, kostenfrei und ohne Anmeldung für jedermann zugänglich, jede Woche spricht jemand anderes, davon werde ich zwei besuchen. Einmal "Astronomie und Astrologie in der Antike", vierzehntägig, und einige ausgesuchte Termine zum Thema "Wahnsinn in Literatur und Künsten". Ich finde, der Stundenplan ist für Rentner immer noch recht ambitioniert, man will schließlich auch noch einiges nacharbeiten und nachlesen.
Über die ersten Inhalte wird hier bald zu lesen sein.