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 ähnlich stark und großflächig die Luft belasten wie meteorologische Ereignisse. 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: 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 meist durch Blitze ausgelöst. Auch in den Ausbruchswolken von Vulkanen oder in Staubstürmen kann die Wechselwirkung von Schwebeteilchen zu Ladungstrennung und elektrischer Aufladung führen. Manchmal zeugt ein aufblitzender Blitz davon. „Aber die Erdatmosphäre ist immer mehr oder weniger elektrisiert, 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 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 untersucht, aber nicht umgekehrt. Chase und sein Team haben das 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, eine elektrische Ladung im Bereich von wenigen Picocoulomb bis Nanocoulomb zu tragen“, erklären die Wissenschaftler. Um herauszufinden, wie sich dadurch das Potentialgefälle der Luft verändert, haben sie zunächst Messungen mit mehreren Honigbienenschwärmen durchgeführt. Dazu platzierten sie ein Elektrofeldmeter und eine nach oben gerichtete Kamera auf dem Boden, während der Bienenschwarm über ihnen hinwegflog.

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 seine Kollegen. Messungen mit anderen Bienenschwärmen ergaben sogar Werte von bis zu 1000 Volt pro Meter. Je dichter der Bienenschwarm, desto stärker die von ihnen erzeugten elektrischen Felder. „Diese Messdaten deuten darauf hin, dass ein Honigbienenschwarm genug Ladungen enthält, um den atmosphärischen Potentialgradienten proportional zur Schwarmdichte zu beeinflussen“, stellen die Forscher fest. Das gilt auch für andere schwärmende Insekten wie Termiten, Ameisen, Mücken oder Heuschrecken.

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Im Extrem so stark wie meteorologische Phänomene

Um das erreichbare Ausmaß der elektrischen Beeinflussung solcher Insektenschwärme bestimmen zu können, entwickelte das Team ein spezielles Modell, mit dem sie die Stärke der elektrischen Felder anhand der Schwarmdichte und -größe des Insekts berechnen konnten. Basierend auf veröffentlichten Werten für große Wanderheuschreckenschwärme haben Hunting und seine Kollegen Werte entwickelt, deren Größenordnung mit der meteorologischer Ursachen vergleichbar ist. „Unsere Berechnungen zeigen, dass Wanderheuschreckenschwärme sogar Ladungsdichten erreichen können, die die von Gewittern und Wolken übersteigen können“, schreiben die Wissenschaftler. Im Gegensatz dazu haben die Schmetterlinge, die normalerweise nur in sehr lockeren, viel weniger dichten Schwärmen wandern, einen viel geringeren Einfluss auf die atmosphärische Elektrizität.

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„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass große Insektenschwärme 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 relevante 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 statischen elektrischen Feldern, die im räumlichen Maßstab von Mikroben im Boden über Interaktionen von Bestäubern 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) und andere, iScience, doi:10.1016/j.isci.2022.105241

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