Wie Insekten die Luft aufladen

Unsere Atmosphäre ist von unsichtbaren elektrischen Feldern durchzogen – entstanden durch Gewitter, Wolken oder auch Vulkanausbrüche und Staubstürme. Doch wie Wissenschaftler jetzt herausgefunden haben, können Insektenschwärme die Luft auch elektrisch aufladen. Ihren Messungen zufolge tritt beispielsweise in Bienenschwärmen ein Potentialgefälle von 100 bis 1000 Volt pro Meter auf. Große Heuschreckenschwärme können sogar ähnlich stark und großflächig die Luft belasten wie meteorologische Ereignisse. Dies zeigt den Forschern zufolge, dass solche elektrischen Felder nicht nur durch rein physikalische Einflüsse, sondern auch durch biologische Lebewesen und deren Verhalten entstehen können.

Wenn die Luft vor einem Gewitter oft aufgeladen erscheint, ist das keine Illusion: Gewitterwolken und andere Wetterphänomene erzeugen tatsächlich statische elektrische Felder in der Atmosphäre. Sie entstehen, weil in den Wolken Bänder unterschiedlicher Ladung entstehen. Bei einem Gewitter werden solche Potentialgradienten in der Regel durch Blitze entladen. Auch in Vulkanausbruchswolken oder Staubstürmen kann die Wechselwirkung von Schwebeteilchen zu Ladungstrennung und elektrischer Aufladung führen. Manchmal zeugen Blitze davon. „Aber die Erdatmosphäre ist immer mehr oder weniger stark elektrifiziert, selbst bei gutem Wetter und in einiger Entfernung von Stürmen“, 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 die Migration biologischer Organismen beeinflussen.

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Bienen als Frachtträger

„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 betrachtet, 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. „Es wurde bereits gezeigt, dass mehrere Arten fliegender Insekten in der Lage sind, elektrische Ladung im Bereich von wenigen Picocoulombs bis hin zu Nanocoulombs zu tragen“, erklären die Wissenschaftler. Um herauszufinden, wie sich dadurch der Windpotentialgradient verändert, führten sie zunächst Messungen mit mehreren Bienenschwärmen durch. Dazu platzierten sie ein Elektrofeldmeter und eine nach oben gerichtete Kamera auf dem Boden, während der Bienenschwarm über ihnen hinwegflog.

Die Messungen zeigten, dass sich der Potentialgradient im Luftraum über dem Messgerät während der Passage stark veränderte. „Zum Zeitpunkt der größten Schwarmdichte stieg der dynamische Gradient auf 100 Volt pro Meter“, berichten Hunting und Kollegen. Messungen mit anderen Bienenschwärmen ergaben Werte von bis zu 1000 Volt pro Meter. Je dichter der Bienenschwarm, desto stärker die von ihnen erzeugten elektrischen Felder. „Diese Messdaten weisen darauf hin, dass ein Bienenschwarm genügend Ladungen enthält, um den atmosphärischen Potentialgradienten proportional zur Schwarmdichte zu beeinflussen“, berichten die Forscher. Das gilt auch für andere schwärmende Insekten wie Termiten, Ameisen, Mücken oder Heuschrecken.

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In Extremen so stark wie meteorologische Phänomene

Um das mögliche Ausmaß der elektrischen Beeinflussung solcher Insektenschwärme bestimmen zu können, entwickelte das Team ein spezielles Modell, mit dem sie die Stärke der elektrischen Felder anhand der Dichte und Größe des Insekts berechnen konnten. Basierend auf veröffentlichten Werten für große Wanderheuschreckenschwärme kamen Hunting und Kollegen zu Werten, deren Größenordnung mit denen meteorologischer Ursachen vergleichbar ist. „Unsere Berechnungen zeigen, dass Wanderheuschreckenschwärme sogar Ladungsdichten erreichen können, die die von Gewittern und Wolken übertreffen können“, schreiben die Wissenschaftler. Im Gegensatz dazu haben Schmetterlinge, die normalerweise nur in sehr lockeren, viel weniger dichten Schwärmen wandern, einen viel geringeren Einfluss auf die atmosphärische Elektrizität.

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„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass große Gruppen von Insekten eine bisher unerkannte Quelle elektrischer Schwankungen in der Atmosphäre sind“, erklären Hunting und sein Team. Sie vermuten auch, dass andere Organismen wie Bakterien oder Vögel die Luft um sie herum ebenfalls elektrisch verändern können. “Diese Entdeckung 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 unerforschte Verbindungen zwischen Biologie und statischen elektrischen Feldern, die im räumlichen Maßstab von Mikroben im Boden über Bestäuber-Pflanze-Interaktionen bis hin zu großen Insektenschwärmen reichen“, sagt Hunting. Über die dynamischen Wechselwirkungen zwischen Physik und Biologie in der Atmosphäre gibt es noch viel zu erforschen.

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

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