Wie Insekten die Luft aufladen

Unsere Atmosphäre ist von unsichtbaren elektrischen Feldern durchzogen – sie entstehen durch Gewitter, Wolken oder auch Vulkanausbrüche und Sandstürme. Wie Wissenschaftler nun herausgefunden haben, können Insektenschwärme aber auch Luftstrom aufladen. Nach ihren Messungen tritt beispielsweise in Bienenschwärmen ein Potentialgefälle von 100 bis 1000 Volt pro Meter auf. Ein großer Heuschreckenschwarm kann die Luft ähnlich stark und großflächig bewegen wie ein meteorologisches Ereignis. Dies zeigt den Forschern zufolge, dass ein solches elektrisches Feld nicht nur durch physikalische Einflüsse, sondern auch durch biologische Lebewesen und deren Verhalten entstehen kann.

Wenn das Wetter vor einem Gewitter oft aufgeladen ist, ist das keine Illusion: Gewitterwolken und andere Wetterphänomene erzeugen tatsächlich ein elektrostatisches Feld in der Atmosphäre. Sie entstehen, weil in der Cloud unterschiedliche Ladezonen angelegt werden. Während eines Gewitters wird diese Kapazität oft durch Blitzschlag freigesetzt. Auch in Vulkanausbruchswolken oder Staubstürmen kann die Wechselwirkung von Schwebeteilchen zu Ladungstrennung und elektrischer Aufladung führen. Manchmal blitzen Blitze als Zeuge dafür auf. „Aber die Erdatmosphäre ist immer mehr oder weniger stark elektrifiziert, 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 im Transportprozess von Klima und Atmosphäre und können auch die Bewegung biologischer Organismen beeinflussen.

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„Bisher haben wir uns immer angesehen, wie verschiedene Organismen diese fast überall in der Umwelt vorhandenen elektrostatischen Felder nutzen“, erklärt Hunting. Bisher wurde immer der Einfluss der Physik auf die Biologie untersucht, aber nicht das Gegenteil. Hunt und sein Team ändern das jetzt. Sie wollen wissen, ob Insekten und insbesondere Insekten ihre lokale Umgebung beeinflussen können. „Es hat sich gezeigt, dass mehrere fliegende Insekten in der Lage sind, elektrische Ladungen im Bereich von wenigen Picocoulombs bis hin zu Nanocoulombs zu tragen“, erklärten die Wissenschaftler. Um herauszufinden, wie sich dadurch die Luftkapazität verändert, führten sie zunächst Messungen mit vielen Bienen durch. Dazu platzierten sie ein elektrisches Feldmessgerät und eine Point-and-Shoot-Kamera auf dem Boden, während die Bienen über ihnen flogen.

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Die Messungen zeigten, dass sich der Potentialgradient im Luftraum über dem Messgerät während der Passage stark veränderte. „Im Moment der größten Schwarmdichte stieg der Potentialgradient auf 100 Volt pro Meter“, berichten Hunt und seine Kollegen. Messungen mit anderen Bienen ergaben sogar Werte von bis zu 1000 Volt pro Meter. Je dichter die Bienen sind, desto stärker ist das elektrische Feld, das sie erzeugen. „Diese gemessenen Daten deuten darauf hin, dass Bienenschwärme wertvoll genug sind, um den atmosphärischen Potentialgradienten proportional zur Schwarmdichte zu beeinflussen“, sagten die Forscher. Dies gilt auch für andere invasive Insekten wie Termiten, Ameisen, Mücken oder Heuschrecken.

Bei Unwetterphänomenen

Um die erreichbare Reichweite des elektrischen Einflusses des Insektenschwarms bestimmen zu können, entwickelte das Team ein spezielles Modell, in dem sie die Stärke des elektrischen Felds anhand der Dichte des Schwarms und der Größe der Insekten berechnen können. Basierend auf veröffentlichten Werten für große Herden kamen Hunt und seine Kollegen auf Werte, die mit meteorologischen Ursachen vergleichbar sind. „Unsere Berechnungen zeigen, dass sich bewegende Heuschreckenschwärme eine Ladungsdichte erreichen können, die die von Gewittern und Wolken übertreffen kann“, schreiben die Wissenschaftler. Schmetterlinge hingegen, die sich meist nur in sehr lockeren, weniger dichten Schwärmen bewegen, werden weniger von atmosphärischen Strömungen beeinflusst.

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„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Ansammlung von Insekten in großem Maßstab eine bisher unerkannte Quelle atmosphärischer elektrischer Variabilität ist“, erklärten Hunting und sein Team. Außerdem vermuten sie, dass auch andere Organismen wie Bakterien oder Vögel die Luft um sie herum verändern können. “Diese Entdeckung hat große Auswirkungen auf viele physikalische und biologische Bereiche”, sagte das Team. Denn diese von Organismen erzeugten elektrischen Felder können den Transport von Staub, Pollen oder Aerosolen in der Atmosphäre beeinflussen. „Es gibt viele unerforschte Verbindungen zwischen Biologie und elektrostatischen Feldern, von Bodenmikroben bis hin zu Interaktionen von Bestäubern mit Pflanzen und großen Insektenpopulationen“, sagte Hunting. Über die dynamische Beziehung zwischen Atmosphärenphysik und Biologie bleibt noch viel zu erforschen.

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

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