Wie Insekten die Luft aufladen

Unsere Atmosphäre ist von unsichtbaren elektrischen Feldern durchzogen – sie werden durch Blitze, Wolken oder auch Vulkanausbrüche und Staubstürme erzeugt. Wissenschaftler haben jedoch entdeckt, dass Insektenschwärme die Luft mit Elektrizität aufladen können. Ihren Messungen zufolge tritt beispielsweise in einem Bienenschwarm ein Potentialgefälle von 100-1000 Volt pro Meter auf. Eine große Heuschrecke kann die Luft über ein großes Gebiet mit der gleichen Geschwindigkeit aufladen wie ein meteorologisches Ereignis. Ein solches elektrisches Feld kann den Forschern zufolge nicht nur durch physikalische Einwirkungen, sondern auch durch biologische Lebewesen und deren Verhalten erzeugt werden.

Wenn sich die Luft vor einem Gewitter oft aufgeladen anfühlt, ist das keine Illusion: Gewitterwolken und andere Wetterphänomene erzeugen ein statisches elektrisches Feld in der Atmosphäre. Sie entstehen, weil sich in Wolken Regionen unterschiedlicher Ladung bilden. Bei Gewittern werden solche Potentialgradienten oft durch Blitze freigesetzt. Die Wechselwirkung von Partikeln, die in einer Wolke oder einem Staubsturm von einem Vulkanausbruch schweben, trennt die Ladungen und führt zu einer elektrischen Aufladung. Manchmal zeugt ein Blitz davon. „Aber die Erdatmosphäre ist immer mehr oder weniger elektrifiziert, selbst bei schönem Wetter und in einiger Entfernung von Gewittern“, erklärten Ellard Hunting von der University of Bristol und seine Kollegen. Diese elektrischen Felder spielen eine wichtige Rolle bei Wetter- und atmosphärischen Transportprozessen und beeinflussen die Migration biologischer Organismen.

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Honigbienen sind Ladungsträger

„Bisher haben wir immer untersucht, wie verschiedene Organismen diese statischen elektrischen Felder nutzen, die fast überall in der Umwelt vorhanden sind“, erklärte Hunting. Bisher wurden immer die Auswirkungen der Physik auf die Biologie untersucht, aber nicht umgekehrt. Hunting und sein Team haben das nun geändert. Sie wollten wissen, ob Insekten, insbesondere Insektenschwärme, ihre lokale Umgebung elektrisch beeinflussen können. „Es wurde bereits nachgewiesen, dass viele Fluginsekten elektrische Ladungen im Bereich von mehreren Picocoulomb bis Nanocoulomb tragen können“, erklären die Wissenschaftler. Um zu sehen, wie sich dadurch der Luftpotentialgradient verändert, wurden zunächst Messungen mit mehreren Honigbienenschwärmen durchgeführt. Dazu werden ein Elektrofeldmeter und eine nach oben gerichtete Kamera auf dem Boden platziert, während der Schwarm über die Bienen hinwegfliegt.

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Bei den Messungen zeigte sich, dass sich der Potentialgradient im Luftspalt über dem Messgerät während der Passage stark veränderte. “Der Potentialgradient stieg bei Spitzenüberlastung auf 100 Volt pro Meter”, berichteten Hunting und seine Kollegen. Messungen mit anderen Bienengruppen ergaben Werte von bis zu 1000 Volt pro Meter. Je dichter der Bienenschwarm ist, desto stärker sind die elektrischen Felder, die sie erzeugen. „Diese Messdaten zeigen, dass Honigbienenschwärme genug Ladung enthalten, um den atmosphärischen Potentialgradienten proportional zur Schwarmdichte zu beeinflussen“, so die Forscher. Das gilt auch für andere schwärmende Insekten wie Termiten, Mücken und Heuschrecken.

So extrem wie ein meteorologisches Phänomen

Um die erreichbare Größe der elektrisierenden Wirkung solcher Insekten zu bestimmen, entwickelte das Team ein spezielles Modell, um die Stärke des elektrischen Felds basierend auf der Größe, Dichte und Größe des Insektenschwarms zu berechnen. Basierend auf veröffentlichten Werten für große Wanderheuschrecken leiteten Hunting und seine Kollegen Werte ab, die mit klimatischen Ursachen vergleichbar sind. „Wir schätzen, dass Wanderheuschreckenschwärme Ladungsdichten erreichen können, die die von Gewittern und Wolken übertreffen“, schreiben die Wissenschaftler. Im Gegensatz dazu wandern Schmetterlinge normalerweise in sehr lockeren und weniger dichten Schwärmen und werden viel weniger von atmosphärischer Elektrizität beeinflusst.

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„Unsere Ergebnisse zeigen, dass eine große Anzahl von Insekten eine bisher unerkannte Quelle atmosphärischer elektrischer Schwankungen sind“, sagten Hunting und sein Team. Sie vermuten auch, dass andere Organismen wie Bakterien und Vögel die Umgebungsluft elektrisch verändern. “Diese Entdeckung hat wichtige Auswirkungen auf mehrere physikalisch und biologisch relevante Bereiche”, sagte das Team. Diese von Organismen erzeugten elektrischen Felder beeinflussen den Transport von Staub, Pollen und Aerosolen in der Atmosphäre. „Es gibt viele wenig untersuchte Verbindungen zwischen Biologie und statischen elektrischen Feldern, die räumliche Skalen von Mikroben im Boden über Interaktionen von Bestäubern mit Pflanzen bis hin zu großen Insektenschwärmen umfassen“, sagte Hunting. Über die dynamischen Wechselwirkungen zwischen Physik und Biologie in der Atmosphäre gibt es viel zu erforschen.

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

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