Wie Insekten die Luft aufladen

Unsere Atmosphäre ist von unsichtbaren elektrischen Feldern durchzogen – sie entstehen durch Gewitter, Wolken oder sogar Vulkanausbrüche und Staubstürme. Doch wie Wissenschaftler jetzt herausgefunden haben, können auch Insektenschwärme die Luft mit Strom aufladen. Ihren Messungen zufolge tritt beispielsweise in einem Bienenstock ein Potentialgefälle von 100 bis 1000 Volt pro Meter auf. Große Heuschreckenschwärme können Windenergie auf ähnlichem Niveau und über große Gebiete meteorologischer Ereignisse aufnehmen. Ein solches elektrisches Feld kann den Forschern zufolge nicht nur durch rein physikalische Einflüsse entstehen, sondern auch durch seine biologischen und verhaltensbezogenen Lebensformen.

Wenn Winde vor Gewittern oft aufgeladen wirken, ist das keine Illusion: Gewitterwolken und andere Klimaphänomene erzeugen tatsächlich statische elektrische Felder in der Atmosphäre. Sie bilden sich, weil in der Wolke verschiedene Ladungsregionen erzeugt werden. Bei Gewitter werden solche Potentialgradienten in der Regel durch Blitze entladen. Auch in Wolken von Vulkanausbrüchen oder Staubstürmen kann die Wechselwirkung von Schwebeteilchen zu Ladungsabbau und Wiederaufladung führen. Manchmal blitzen Blitze als Zeuge dafür auf. „Aber die Erdatmosphäre ist immer mehr oder weniger elektrifiziert, trotz des guten Wetters und einiger Entfernung von Gewittern“, erklärten Ellard Hunting von der Universität Bristol und seine Kollegen. Diese elektrischen Felder spielen eine wichtige Rolle im Transportprozess, im Klima und in der Atmosphäre und können auch die Migration biologischer Organismen beeinflussen.

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Bienen sind Träger.

„Bisher haben wir uns immer angesehen, wie verschiedene Organismen diese statischen elektrischen Felder nutzen, die fast überall in der Umwelt vorhanden sind“, erklärt Hunting. Bisher wurden immer die Auswirkungen der Physik auf die Biologie untersucht, aber nicht umgekehrt. Hunting und sein Team haben das nun geändert. Sie wollen wissen, ob Insekten und insbesondere Insektenschwärme einen Stromschlag in ihrer Umgebung erleiden können. „Es wurde bereits gezeigt, dass viele Arten von fliegenden Insekten elektrische Ladungen im Bereich von wenigen Piccoulomb bis Nanocoulomb tragen“, erklärten die Wissenschaftler. Um herauszufinden, wie er die potenzielle Windneigung verändert, haben sie mit mehreren Bienenvölkern vorab gemessen. Dazu stellten sie ein elektrisches Feldmessgerät und eine Kamera auf, die auf den Boden gerichtet war, während die Bienen über ihnen flogen.

Messungen zeigten, dass sich die Potentialneigung im Raum über dem Messgerät während des Transports signifikant änderte. „Zum Zeitpunkt der größten Herdendichte stieg die Potentialsteilheit auf 100 Volt pro Meter“, berichteten Hunting und seine Kollegen. Messungen mit anderem Bienenwachs ergaben sogar Werte bis 1000 Volt pro Meter. Je dicker der Bienenstock ist, desto stärker ist das elektrische Feld, das sie erzeugen. „Diese Messdaten deuten darauf hin, dass der Bienenstock ausreichend belastet war, um die atmosphärische Neigung proportional zur Bienenstockdichte zu beeinflussen“, sagten die Forscher. Das gilt auch für andere schwärmende Insekten wie Würmer, Ameisen, Mücken oder Heuschrecken.

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Stark wie ein meteorologisches Phänomen

Um das mögliche Ausmaß der elektrischen Beeinflussung eines solchen Insektenschwarms bestimmen zu können, entwickelte das Team ein spezielles Modell, in dem sie die Stärke des elektrischen Feldes anhand der Schwarmdichte und der Schwarmgröße berechnen konnten. Basierend auf den veröffentlichten Preisen für die großen Wanderheuschrecken haben Hunting und seine Kollegen Preise angezeigt, die in ihrer Größe mit meteorologischen Ursachen vergleichbar sind. „Unsere Berechnungen zeigen, dass wandernde Heuschrecken Belastungsdichten erreichen können, die Stürme und Wolken übersteigen können“, schreiben die Wissenschaftler. Im Gegensatz dazu haben Schmetterlinge, die normalerweise in lockereren und dichteren Schwärmen ziehen, weniger Einfluss auf atmosphärische Strömungen.

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„Unsere Ergebnisse zeigen, dass große Insektenkonzentrationen eine bisher unerkannte Quelle elektrischer Schwankungen in der Atmosphäre sind“, erklären Hunting und sein Team. Sie vermuten auch, dass auch andere Organismen wie Bakterien oder Vögel die Luft um sie herum bewegen können. “Diese Ergebnisse haben erhebliche Auswirkungen auf einige physikalische und biologische Komponenten”, sagte die Gruppe. Denn diese vom Organismus erzeugten elektrischen Felder können den Transport von Staub, Pollen oder Aerosolen in der Atmosphäre beeinträchtigen. „Es gibt viele unerforschte Verbindungen zwischen Biologie und statischen elektrischen Feldern, die von der Größe des Raums im Boden über die Wechselwirkungen von Bestäubern mit Pflanzen bis hin zu großen Insektenschwärmen reichen“, sagt Hunting. Bei der dynamischen Wechselwirkung zwischen Physik und Biologie in der Atmosphäre bleibt noch viel zu tun.

Quelle: Ellard Hunting (Universität Bristol) et al., IScience, doi: 10.1016 / j.isci.2022.105241

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