Ученые совсем недавно показали значимость роящихся мелких насекомых в формировании электрических процессов атмосферы. В ходе исследования, опубликованного в известном журнале iScience, проводились полноценные измерения электрического поля вблизи ульев медоносных пчел. Полученные данные были сопоставлены с результатами моделирования, что позволило выявить способность насекомых переносить электрический заряд и повышать градиент потенциала на сотни вольт на метр. Влияние роя саранчи может быть сопоставимо с эффектом грозового облака. Данное открытие имеет важное значение для понимания физических процессов в атмосфере, поскольку электрические явления играют ключевую роль в формировании множества природных феноменов, от грозовых разрядов до ускорения образования дождевых капель.
Градиент потенциала, измеряемый в вольтах на метр, служит индикатором состояния атмосферы и напрямую связан с возникновением молний. 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.
Фотография зонда для измерения электрического поля в окружении роя медоносных пчел. Ellard R. Hunting et al. / iScience
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.
Зависимость градиента потенциала (черный цвет) и относительной плотности роя (зеленый цвет) от времени в одном из опытов. Во врезе показано сравнение таких данных для зондов, расположенных под роем (красный цвет) и поодаль (синий). Ellard R. Hunting et al. / iScience
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.
Результат моделирования поля, создаваемого роем пчел (справа). Физики включали в модель лиственное дерево высотой около восьми метров (слева) для сравнения. Ellard R. Hunting et al. / iScience
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.
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
