Wie Insekten die Luft aufladen

Unsere Atmosphäre ist von unsichtbaren elektrischen Feldern durchzogen – sie werden durch Blitze, Wolken oder auch Vulkanausbrüche und Staubstürme erzeugt. Doch wie Wissenschaftler jetzt herausgefunden haben, können manche Insekten die Luft auch elektrisch aufladen. Ihren Messungen zufolge tritt beispielsweise in Bienenschwärmen ein Potentialgefälle von 100 bis 1000 V/m auf. Große Heuschreckenschwärme können die Luft sogar so groß und großflächig belasten wie meteorologische Ereignisse. 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 wirkt, ist das keine Illusion: Gewitterwolken und andere Wetterphänomene erzeugen tatsächlich statische elektrische Felder in der Atmosphäre. Sie entstehen, weil in den Wolken Regionen mit unterschiedlichen Ladungen entstehen. Bei Gewitter werden solche Potentialgradienten in der Regel durch Blitze entladen. Auch in den Wolken von Vulkanausbrüchen oder Staubstürmen kann die Wechselwirkung von Schwebeteilchen zur Trennung von Ladung und elektrischer Ladung führen. Manchmal blitzende Blitze sind ein Beweis dafür. „Aber die Erdatmosphäre ist immer mehr oder weniger elektrifiziert, selbst bei schönem Wetter und in einiger Entfernung von Blitzen“, erklären Ellard Hunting von der University of Bristol und Kollegen. Diese elektrischen Felder spielen eine wichtige Rolle bei Wetterprozessen und atmosphärischem Transport und können auch die Migration biologischer Organismen beeinflussen.

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Honigbienen als Überträger

„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 der Einfluss der Physik auf die Biologie immer erforscht, aber umgekehrt. Hunting und sein Team haben diese Situation nun geändert. Sie wollten wissen, ob Insekten und insbesondere Insektenschwärme ihre lokale Umgebung elektrisch beeinflussen können. „Es wurde bereits gezeigt, dass viele Arten von Fluginsekten in der Lage sind, elektrische Ladung im Bereich von wenigen Picocoulomb bis Nanocoulomb zu tragen“, erklären die Wissenschaftler. Um zu verstehen, wie diese potenzielle Neigung das Wetter verändern würde, nahmen sie zunächst Messungen mit mehreren Bienenvölkern vor. Dazu platzierten sie ein Elektrofeldmeter und eine nach oben gerichtete Kamera auf dem Boden, während Bienenschwärme über ihnen hinwegflogen.

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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 Menschendichte stieg der Potentialgradient auf 100 V/m“, berichten Hunting und Kollegen. Messungen mit anderen Bienenvölkern ergaben sogar Werte von bis zu 1000 V/m. Je dichter der Bienenschwarm ist, desto stärker sind ihre elektrischen Felder. „Diese Messdaten zeigen, dass ein Bienenvolk genug Ladung hat, um den Gradienten des atmosphärischen Potentials proportional zur Schwarmdichte zu beeinflussen“, sagen die Forscher. Das gilt auch für andere schwärmende Insekten wie Termiten, Ameisen, Mücken oder Heuschrecken.

Schließlich die Schwere der meteorologischen Phänomene

Um die erreichbare elektrisierende Wirkung dieser Insektenklasse zu bestimmen, entwickelte das Team ein spezielles Modell, mit dem es die Stärke der elektrischen Felder anhand der Dichte und Größe des Insektenschwarms berechnen konnte. Basierend auf veröffentlichten Werten für große Schwärme von Wanderheuschrecken erhielten Hunting und Kollegen Werte, die in ihrer Größenordnung mit meteorologischen Ursachen vergleichbar sind. „Unsere Berechnungen zeigen, dass Wanderheuschreckenschwärme sogar Ladungsdichten erreichen können, die die von Stürmen und elektrischen Wolken übersteigen können“, schreiben die Wissenschaftler. Im Gegensatz dazu haben Schmetterlinge, die normalerweise nur in sehr lockeren und viel kleineren Clustern wandern, einen viel geringeren Einfluss auf die atmosphärische Elektrizität.

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„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass große Insektenansammlungen eine zu wenig beachtete 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 die Übertragung von Staub, Pollen oder Schwebeteilchen in die Atmosphäre beeinträchtigen. „Es gibt viele unbekannte Verbindungen zwischen der Biologie und statischen elektrischen Feldern, die im räumlichen Maßstab von Mikroben im Boden über Interaktionen von Bestäubern mit Pflanzen bis hin zu großen Insektenschwärmen reichen“, sagte Hunting. Dynamische Wechselwirkungen zwischen Physik und Biologie in der Atmosphäre müssen noch untersucht werden.

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

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