Wie Insekten die Luft aufladen

Unsere Atmosphäre ist von unsichtbaren elektrischen Feldern durchzogen – sie entstehen durch Gewitter, Wolken oder auch Vulkanausbrüche und Sandstürme. 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 in ähnlichem Ausmaß und großflächig wie meteorologische Ereignisse die Luft erfüllen. 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: Der Sturm und andere Wetterphänomene erzeugen tatsächlich statische elektrische Felder in der Atmosphäre. Sie entstehen, weil in den Wolken Zonen mit unterschiedlichen Ladungen 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 wird dies auch durch aufblitzende Blitze angezeigt. „Aber die Erdatmosphäre ist immer mehr oder weniger stark aufgeladen, 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 die Migration biologischer Organismen beeinflussen.

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Honigbienen als Ladungsträger

„Bisher haben wir immer wieder gesehen, 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 schwärmende Insekten ihre lokale Umgebung elektrisch beeinflussen können. „Es wurde bereits nachgewiesen, dass viele Fluginsektenarten eine elektrische Ladung im Bereich von wenigen Picocoulomb bis Nanocoulomb tragen können“, erklären die Wissenschaftler. Um herauszufinden, wie sich dadurch der Luftpotentialgradient verändert, führten sie zunächst Messungen mit mehreren Honigbienenschwärmen durch. Dazu stellten sie ein Elektrofeldmeter und eine auf den Boden gerichtete Kamera auf, während über ihnen ein Bienenschwarm flog.

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 Kollegen. Messungen mit anderen Bienenschwärmen ergaben sogar Werte von bis zu 1000 Volt pro Meter. Je dichter der Bienenschwarm ist, desto stärker sind die elektrischen Felder, die sie erzeugen. „Diese Messungen zeigen, dass der Bienenschwarm genügend Ladungen enthält, um den atmosphärischen Potentialgradienten proportional zur Schwarmdichte zu beeinflussen“, sagten die Forscher. Das gilt auch für andere schwärmende Insekten wie Termiten, Ameisen, Mücken oder Heuschrecken.

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Extrem stark wie meteorologische Phänomene

Um den erreichbaren Grad der elektrifizierten Beeinflussung solcher Insektenschwärme bestimmen zu können, entwickelte das Team ein spezielles Modell, das die Stärke elektrischer Felder anhand der Dichte und Größe des Insektenschwarms berechnen kann. Basierend auf veröffentlichten Werten für große Wanderheuschreckenschwärme gelangten Hunting und seine Kollegen zu Werten, deren Größenordnung mit denen meteorologischer Ursachen vergleichbar ist. „Unsere Berechnungen zeigen, dass Wanderheuschreckenschwärme sogar Ladungsdichten erreichen können, die die Dichten von Gewittern und Wolken übersteigen können“, schreiben die Wissenschaftler. Im Gegensatz dazu haben Schmetterlinge, die normalerweise nur in sehr lockeren, viel weniger dichten Schwärmen wandern, viel weniger 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. “Dieser Befund hat erhebliche 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 Bodenmikroben über Bestäuberinteraktionen mit Pflanzen 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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