Wie Insekten die Luft aufladen

Unsere Atmosphäre ist von unsichtbaren elektrischen Feldern durchzogen – sie entstehen durch Gewitter, Wolken oder auch Vulkanausbrüche und Staubstürme. Doch wie Wissenschaftler jetzt herausgefunden haben, können Insektenschwärme die Luft auch elektrisch aufladen. Bienenschwärme haben ihren Messungen zufolge zum Beispiel ein Potentialgefälle von 100-1000 Volt pro Meter. Große Heuschreckenschwärme können die Luft sogar ebenso stark und großflächig belasten wie Wetterereignisse. Dies zeigt den Forschern zufolge, dass solche elektrischen Felder nicht nur durch rein physikalische Effekte, sondern auch durch biologische Lebewesen und deren Verhalten entstehen können.

Wenn die Luft vor einem Gewitter oft aufgeladen aussieht, ist das keine Illusion: Gewitterwolken und andere Wetterphänomene erzeugen tatsächlich statische elektrische Felder in der Atmosphäre. Sie entstehen, weil sich in den Wolken Zonen unterschiedlicher Ladung bilden. Bei einem Gewitter werden solche Potentialgradienten meist durch Blitze ausgelöst. Auch die Wechselwirkung von Schwebeteilchen in Vulkanausbruchswolken oder Staubstürmen kann zu Ladungstrennung und elektrischer Aufladung führen. Manchmal beweist das ein blinkender Blitz. „Aber die Erdatmosphäre ist immer mehr oder weniger elektrisiert, selbst bei schönem Wetter und in einiger Entfernung von Gewittern“, erklären Ellard Hunting von der University of Bristol und seine Kollegen. Diese elektrischen Felder spielen eine wichtige Rolle bei Wetter- und atmosphärischen Transportprozessen und können auch den Transport biologischer Organismen beeinflussen.

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Bienen als Ladungsträger

„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 wurde immer der Einfluss der Physik auf die Biologie untersucht, aber nicht umgekehrt. Hunting und sein Team haben das nun geändert. Sie wollten wissen, ob Insekten und insbesondere Insektenschwärme ihre lokale Umgebung elektrisch beeinflussen können. „Viele fliegende Insekten haben bereits gezeigt, dass sie elektrische Ladung von wenigen Pico-Kuppeln zu Nano-Kuppeln transportieren können“, erklären die Forscher. Um herauszufinden, wie dies die Luft ohne ein mögliches Gefälle verändert, nahmen sie zunächst Messungen an mehreren Bienenvölkern vor. Dazu platzierten sie ein Elektrofeldmeter und eine nach oben gerichtete Kamera auf dem Boden, während ein Bienenschwarm über ihnen hinwegflog.

Die Messungen zeigten, dass sich der Potentialgradient im Luftraum über dem Messgerät während der Passage stark veränderte. „Der Potentialgradient stieg im Moment der größten Schwarmdichte auf 100 Volt pro Meter“, berichten Hunting und seine Kollegen. Messungen an anderen Bienenschwärmen führten zu Werten 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 der Bienenschwarm genügend Ladungen enthält, um den atmosphärischen Potentialgradienten proportional zur Schwarmdichte zu beeinflussen“, konstatieren die Forscher. Das gilt auch für andere schwärmende Insekten wie Termiten, Ameisen, Mücken oder Heuschrecken.

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Unter extremen Bedingungen so stark wie meteorologische Phänomene

Um das erreichbare Ausmaß der elektrisierenden Wirkung solcher Insektenschwärme zu bestimmen, entwickelte das Team ein spezielles Modell, mit dem sie die Stärke der elektrischen Felder anhand der Dichte und Größe des Insektenschwarms berechnen konnten. Basierend auf veröffentlichten Werten kamen Hunting und seine Kollegen zu Werten, die mit meteorologischen Ursachen für große wandernde Heuschreckenschwärme vergleichbar sind. „Unsere Berechnungen zeigen, dass wandernde Heuschreckenschwärme sogar Ladungsdichten erreichen können, die die von Gewittern und Wolken übertreffen können“, schreiben die Forscher. Im Gegensatz dazu haben Schmetterlinge, die normalerweise nur in einem sehr lockeren, viel weniger dichten Schwarm reisen, einen viel geringeren Einfluss auf die atmosphärische Elektrizität.

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„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass große Populationen von Insekten eine bisher unbekannte Quelle atmosphärischer elektrischer Variabilität sind“, erklären Hunting und sein Team. Außerdem vermuten sie, dass auch andere Organismen wie Bakterien oder Vögel die Luft um sie herum elektrisch verändern können. “Dieser Befund hat wichtige Auswirkungen auf mehrere physikalisch und biologisch relevante Bereiche”, sagte das Team. Denn diese von Organismen erzeugten elektrischen Felder können den Transport von Staub, Pollen oder Aerosolen in der Atmosphäre beeinträchtigen. „Es gibt viele wenig untersuchte Verbindungen zwischen Biologie und statischen elektrischen Feldern, die von Bodenmikroben über Bestäuberinteraktionen mit Pflanzen bis hin zu großen Insektenschwärmen reichen“, sagt Hunting. Es gibt noch viel zu studieren über die dynamischen Wechselwirkungen von Physik und Biologie in der Atmosphäre.

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

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