Wie Insekten die Luft aufladen

Unsere Atmosphäre ist von unsichtbaren elektrischen Feldern durchzogen – sie entstehen durch Gewitter, Wolken oder auch Vulkanausbrüche und Staubstürme. Doch wie Wissenschaftler jetzt herausgefunden haben, können auch Insektenschwärme die Luft mit Strom aufladen. Ihren Messungen zufolge tritt beispielsweise in Bienenvölkern ein Spannungsgefälle von 100 bis 1000 Volt pro Meter auf. Große Heuschreckenschwärme können die Luft sogar ebenso stark und großflächig belasten wie meteorologische Phänomene. Dies deutet den Forschern zufolge darauf hin, dass solche elektrischen Felder nicht nur durch rein physikalische Effekte, sondern auch durch biologische Lebewesen und deren Verhalten entstehen können.

Während die Luft vor einem Gewitter oft aufgeladen erscheint, ist dies keine Illusion: Gewitterwolken und andere Wetterphänomene erzeugen tatsächlich statische elektrische Felder in der Atmosphäre. Sie entstehen, weil in den Wolken Zonen unterschiedlicher Ladung entstehen. Bei einem Gewitter werden solche Potentialgradienten in der Regel durch Blitze entladen. In Vulkanausbruchswolken oder Staubstürmen kann die Wechselwirkung von Schwebeteilchen auch zur Trennung von Ladungen und elektrischer Ladung führen. Manchmal wird dies durch brillante Blitze belegt. „Aber die Erdatmosphäre ist immer mehr oder weniger stark elektrifiziert, selbst bei gutem 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 den Prozessen des Wetters und des atmosphärischen Transports und können auch die Migration biologischer Organismen beeinflussen.

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Honigbienen als Ladungsträger

„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 berücksichtigt, aber nicht umgekehrt. Hunting und sein Team haben das geändert. Sie wollten wissen, ob Insekten und insbesondere Insektenschwärme die lokale Umgebung elektrisch beeinflussen können. „Es wurde bereits gezeigt, dass viele Fluginsektenarten in der Lage sind, eine elektrische Ladung im Bereich von mehreren Picocoulomb bis Nanocoulomb zu tragen“, erklären die Wissenschaftler. Um herauszufinden, wie sich dadurch das Potentialgefälle der Luft verändert, haben sie zunächst Messungen mit mehreren Honigbienenvölkern durchgeführt. Dazu platzierten sie ein Elektrofeldmeter auf dem Boden und eine nach oben gerichtete Kamera, während ein Bienenschwarm über ihnen hinwegflog.

Die Messungen zeigten, dass sich der Potentialgradient im Luftraum über dem Messgerät während der Passage stark veränderte. „Der Potentialgradient stieg zum Zeitpunkt der höchsten Schwarmdichte auf 100 Volt pro Meter“, berichten Hunting und Kollegen. Messungen mit anderen Bienenschwärmen ergaben sogar Werte von bis zu 1.000 Volt pro Meter. Je dichter der Bienenschwarm ist, desto stärker sind die elektrischen Felder, die sie erzeugen. „Diese Messdaten zeigen, dass ein Honigbienenschwarm genügend Ladungen enthält, um den atmosphärischen Potentialgradienten proportional zur Schwarmdichte zu beeinflussen“, konstatieren die Forscher. Das gilt auch für andere schwärmende Insekten wie Termiten, Ameisen, Mücken oder Heuschrecken.

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Extreme sind so stark wie meteorologische Phänomene

Um den erreichbaren Grad der elektrisierenden Wirkung solcher Insektenschwärme bestimmen zu können, entwickelte das Team ein spezielles Modell, mit dem sie die Stärke der elektrischen Felder anhand der Schwarmdichte und der Größe der Insekten berechnen konnten. Basierend auf veröffentlichten Werten für große Wanderheuschreckenschwärme kamen Hunting und seine Kollegen auf Werte, die in ihrer Größenordnung mit meteorologischen Ursachen vergleichbar sind. „Unsere Berechnungen zeigen, dass Schwärme von Flugheuschrecken sogar Ladungsdichten erreichen können, die die Ladungsdichten 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. “Diese Entdeckung hat erhebliche Auswirkungen auf mehrere physikalisch und biologisch wichtige Bereiche”, sagte das Team. Denn diese von Organismen erzeugten elektrischen Felder können die Übertragung von Staub, Pollen oder Aerosolen in die Atmosphäre beeinträchtigen. „Es gibt viele wenig untersuchte Verbindungen zwischen Biologie und statischen elektrischen Feldern, die in räumlicher Größenordnung von Mikroben im Boden über Interaktionen von Bestäubern mit Pflanzen bis hin zu großen Insektenschwärmen reichen“, sagt Hunting. Zu den dynamischen Wechselwirkungen zwischen Physik und Biologie in der Atmosphäre besteht noch viel Forschungsbedarf.

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

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