Wie Insekten die Luft aufladen

Unsere Atmosphäre wird von unsichtbaren elektrischen Feldern durchdrungen – sie entstehen durch Stürme, Wolken oder auch Vulkanausbrüche und Staubstürme. Doch wie Wissenschaftler jetzt herausgefunden haben, können Insektenschwärme die Luft auch elektrisch aufladen. Je nach Größe tritt beispielsweise in einem Bienenschwarm ein Potentialgefälle von 100 bis 1000 Volt pro Meter auf. Ein großer Heuschreckenschwarm kann sogar ähnlich stark und großflächig die Luft belasten wie ein meteorologisches Ereignis. 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 in der Atmosphäre ein statisches elektrisches Feld. Sie entsteht, weil in der Wolke verschiedene Ladungszonen entstehen. Bei einem Gewitter wird ein solcher Potentialgradient meist durch Blitze ausgelöst. In Vulkanausbruchswolken oder Staubstürmen können Schwebeteilchen-Wechselwirkungen auch zu Ladungstrennung und elektrischer Aufladung führen. Manchmal blitzt dieser Zeuge auf. „Aber die Erdatmosphäre ist immer mehr oder weniger stark elektrifiziert, selbst bei gutem Wetter und in großer Entfernung vom Sturm“, erklärten 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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Honigbienen als Frachtträger

„Bisher haben wir immer wieder gesehen, wie verschiedene Organismen dieses fast überall in der Umwelt vorhandene statische elektrische Feld nutzen“, erklärt Hunting. Bisher wurde immer der Einfluss der Physik auf die Biologie untersucht, aber nicht umgekehrt. Das haben Moro und sein Team nun geändert. Sie wollten wissen, ob Insekten und insbesondere Insektenschwärme ihre lokale Umgebung elektrisch beeinflussen können. „Viele Arten fliegender Insekten sind nachweislich in der Lage, elektrische Ladungen im Bereich von wenigen Picocoulombs bis hin zu Nanocoulombs zu tragen“, erklärte der Wissenschaftler. Um herauszufinden, wie sich dadurch der Luftpotentialgradient verändert, führten sie zunächst Messungen mit mehreren Honigbienenschwärmen durch. Dazu stellten sie ein Elektrofeldmeter und eine Kamera auf den Boden, während ein Bienenschwarm über ihnen hinwegflog.

Messungen zeigen, dass sich der Potentialgradient im Luftraum über dem Instrument während der Passage stark ändert. „Im Moment der größten Schwarmdichte steigt der Potentialgradient auf 100 Volt pro Meter“, berichten Hunting und seine Kollegen. Messungen mit anderen Bienenschwärmen ergaben sogar Werte von bis zu 1000 Volt pro Meter. Je dichter der Bienenschwarm ist, desto stärker ist das elektrische Feld, das sie erzeugen. „Diese Messdaten zeigen, dass ein Honigbienenschwarm genug Ladung enthält, um den atmosphärischen Potentialgradienten proportional zur Dichte des Schwarms zu beeinflussen“, so die Forscher. Das gilt auch für andere schwärmende Insekten wie Termiten, Ameisen, Mücken oder Heuschrecken.

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In extrem starker als meteorologisches Phänomen

Um beispielsweise das erreichbare Ausmaß der elektrisierenden Wirkung von Insektenschwärmen bestimmen zu können, entwickelte das Team ein spezielles Modell, mit dem sie die Stärke des elektrischen Feldes anhand der Dichte des Schwarms und der Größe des Schwarms berechnen können Insekt. Basierend auf veröffentlichten Werten für große wandernde Heuschreckenschwärme fanden Hunting und seine Kollegen Größenwerte, die mit meteorologischen Ursachen vergleichbar sind. „Unsere Berechnungen zeigen, dass Wanderheuschreckenschwärme sogar eine Ladungsdichte erreichen können, die die von Gewittern und Wolken übersteigen kann“, schreiben die Wissenschaftler. Im Gegensatz dazu haben Schmetterlinge, die normalerweise nur in sehr lockeren, viel weniger dichten Schwärmen wandern, einen geringeren Einfluss auf die atmosphärische Elektrizität.

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„Unsere Ergebnisse zeigen, dass große Ansammlungen von Insekten eine bisher unerkannte Quelle elektrischer Schwankungen in der Atmosphäre sind“, erklärten Hunting und sein Team. Sie glauben auch, dass andere Organismen wie Bakterien oder Vögel die Luft um sie herum ebenfalls verändern können. “Diese Entdeckung hat erhebliche Auswirkungen auf mehrere physikalisch und biologisch relevante Bereiche”, sagte das Team. Denn dieses von Organismen erzeugte elektrische Feld kann den Transport von Staub, Pollen oder Aerosolen in der Atmosphäre beeinträchtigen. „Es gibt viele wenig erforschte Verbindungen zwischen Biologie und statischen elektrischen Feldern, die im räumlichen Maßstab von Mikroben im Boden bis hin zu Interaktionen von Bestäubern mit Pflanzen und großen Insektenschwärmen reichen“, sagt Hunting. Es bleibt noch viel zu erforschen über die dynamischen Wechselwirkungen zwischen 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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