Пчелы добавили электричества атмосфере

Ученые выяснили, какую роль в атмосферном электричестве играют роящиеся насекомые. Для этого они измеряли электрическое поле около ульев медоносных пчел и сравнивали результаты экспериментов с моделированием. Оказалось, что эти насекомые переносят электрический заряд и способны повышать градиент потенциала на несколько сотен вольт на метр. Влияние же роя саранчи может быть сопоставимо с грозовым облаком. Исследование опубликовано в iScience.

В физике атмосферы огромную роль играют протекающие в ней электрические процессы. Они выражаются во множестве природных явлений, как более заметных, например грозовых разрядах, так и менее, например, ускорении формирования дождевых капель. Поскольку возникновение молний обусловлено превышением порогового значения напряженности электрического поля, измеряемого в вольтах на метр, градиент потенциала служит параметром для характеризации состояния в атмосфере. Рекорд измеренной разности потенциалов между верхней и нижней частью грозового облака на сегодняшний день составляет 1,3 миллиарда вольт. Большие скорости зарядов, вызванные такими перепадами, превращают молнии в природные ускорители элементарных частиц и синхротроны.

Источником градиента потенциала может выступать множество факторов. В локальном масштабе его возникновение обусловлено рядом естественных причин, начиная от электризации облаков под действием конвективных потоков и заканчивая ионизацией космическими лучами. Антропогенный фактор также влияет на атмосферное электричество, как регулярно, так и вследствие техногенных катастроф. Несмотря на большое количество исследований, полного понимания всех причин возникновения градиента потенциала у ученых пока нет.

Группа британских биологов, метеорологов и физиков под руководством Элларда Хантинга (Ellard Hunting) из Бристольского университета обратила внимание на то, как насекомые могут влиять на атмосферное электричество. В качестве модельного объекта ученые остановили свой выбор на пчелах благодаря тому, что их поведение хорошо описано в литературе, а также задокументирована их способность переносить электрический заряд. Симуляции и эксперимент подтвердили гипотезу авторов о том, что биогенный фактор может играть достаточно ощутимую роль в феноменологии атмосферного электричества.

Ученые проводили эксперимент на полевой станции Бристольского университета, где расположено несколько ульев, предназначенных для изучения медоносных пчел. Они исследовали, как роение влияет на градиент потенциала в воздухе. Для этого авторы располагали около ульев зонд, считывающий электрическое поле вокруг себя, и строили зависимость градиента от плотности пролетающих мимо него пчел. Оказалось, эти две величины коррелируют напрямую. Типичное роение повышало напряженность в среднем на 100 вольт на метр, а самое большое значение, зафиксированное учеными, исчислялось 1500 вольт на метр.

Моделирование исследователи проводили в рамках метода конечных элементов. Они представляли рой пчел в виде эллипсоида с полуосями 2×1×0,5 метра на высоте трех метров. Заряд был равномерно распределен внутри роя из расчета для 500 пчел, каждая из которых переносит +100 пикокулон. Вычисления показали, что градиент потенциала может достигать 300 вольт на метр в близи роя.

Исследование подтвердило, что чем больше и плотнее рои насекомых, тем существеннее их вклад в атмосферные явления. Ученым стало интересно, какой максимальный эффект может вызвать это явление. Для этого они смоделировали роение пустынной саранчи и выяснили, что их влияние на атмосферу может превышать таковое для грозовых туч. Вместе с тем мотыльки и бабочки не создают ощутимого заряда из-за их малой плотности. Авторы отмечают, что их исследование способно улучшить климатические модели, учитывающие перенос пыли в атмосфере, поскольку этот процесс чувствителен к электричеству. К тому же открытым остается вопрос о переносе электрического заряда птицами и микроорганизмами, в изобилии обитающими в нижних слоях атмосферы.

Пока одни животные производят атмосферное электричество, другие им активно пользуются. Недавно мы рассказывали, как физики смоделировали полет паука, который поднимается в воздух за счет электрического заряда на нитях паутины.