Во Вселенной существует множество планет, которые в той или иной степени отличаются друг от друга. Планета Земля многими считается уникальной, хотя такое предположение, учитывая безграничность космоса, и звучит немного эгоцентрично. Тем не менее это наш дом, а потому мы активно его изучаем, чтобы лучше понять его особенности. И вот ученые из Швейцарии сделали любопытное открытие — рой летающих насекомых вносит весьма существенный вклад в атмосферное электричество. Как это было установлено, что это означает, и какова практическая ценность данного открытия? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Словосочетание «атмосферное электричество» наталкивает на мысль о молниях и грозе. Однако, земная атмосфера всегда в большей или меньшей степени наэлектризована, даже в самую ясную погоду. Множество ископаемых указывает на то, что данное явление сложно назвать новым с точки зрения геологии. Следовательно, атмосферное электрическое поле можно рассматривать как фундаментальное свойство атмосферы.

Данное явление обычно наблюдается как вертикальный градиент потенциалов (PG от potential gradient), по сути, разность потенциалов между поверхностью Земли и точкой над ней. Исследования доказали важность атмосферного PG для понимания крупномасштабных движущих сил глобальной атмосферной электрической цепи, для перемещения биологически значимых ионов (например, нитратов, сульфатов, радона), а также для распределения или навигация животных. Из этого следует, что непрерывный мониторинг атмосферных электрических полей необходим для детального понимания широкого спектра атмосферных, биологических и геологических процессов.

Ученые отмечают, что за годы исследований удалось идентифицировать различные факторы изменения атмосферного электричества. В глобальном масштабе градиенты потенциалов в регионах с хорошей погодой являются следствием глобальных потоков электрического тока, вызываемых регионами, где есть гроза.

В локальном масштабе на PG влияют локальные атмосферные электрические процессы, такие как электрификация облаков, инициирование молний, осадки, заряд аэрозолей и радиоактивность. PG также весьма чувствителен к антропогенному загрязнению, активности вулканов и, возможно, землетрясениям. Но даже все эти факторы не могут полностью объяснить наблюдаемую вариативность атмосферных PG.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые предложили рассмотреть гипотезу, основанную на идее, что организмы, населяющие нижние слои атмосферы, могут действовать как источник атмосферного пространственного заряда и связанной с ним электрической вариативности атмосферы.

Хорошо известно, что насекомые повсеместно распространены в глобальной атмосфере, и они могут встречаться в больших количествах в ее нижних слоях (на высотах вплоть до 5 км). Более того, было доказано, что широкий спектр видов переносимых по воздуху насекомых несут электрический заряд, который колеблется от пикокулонов (1 пКл = 10⁻¹² Кл) до нанокулонов (1 нКл = 10⁻⁹ Кл) на особь. Эти наблюдения подтверждают гипотезу о том, что большие скопления воздушных насекомых являются важным источником пространственного заряда в атмосфере.

В своем труде ученые описывают наблюдения за роем медоносных пчел, так как эти насекомые обладают вполне предсказуемым поведением, а потому за ними проще наблюдать. В результате были получены модельные и эмпирические доказательства того, что рои пчел вносят зависящий от плотности вклад в атмосферный PG.

Результаты исследования

Изображение №1

Скопления насекомых, часто состоящие из одного вида, могут встречаться на разной высоте и с разной плотностью (1A и 2A). Используя ранее установленные значения заряда медоносных пчел и свои собственные измерения, ученые разработали трехмерную модель анализа методом конечных элементов для компьютерной оценки влияния роения медоносных пчел на локальные атмосферные электрические поля. Эти модели электрических полей вокруг роев медоносных пчел подчеркивают заметное возмущающее влияние, которое они могут оказывать на локальную электрическую среду (1B).

Чтобы проверить, действительно ли рой медоносных пчел может вызывать наблюдаемые атмосферные изменения PG, были проведены измерения на полевой станции Бристольского университета в Лэнгфорде (Великобритания), где имеется несколько ульев пчел. Для оценки электрического поля роя использовался специальный датчик (Boltek EFM 100 Field Mill), а для оценки плотности роя использовалась направленная вверх камера.

В течение 3 минут рой курсировал вокруг датчика (1A), что позволило отследить чистое положительное увеличение PG на 100 В/м при пиковой плотности (1C). Подобный эффект отсутствовал в области, где роя не было (50 метров от места наблюдений, вставка на 1C). Кросс-корреляция указывает на то, что плотность пчелиного роя (выраженная как относительная плотность пикселей) сильно коррелирует с атмосферным PG (R² = 0.92; 1D). Регрессионный анализ предполагает линейную корреляцию между относительной плотностью роя и атмосферным PG (R² = 0.85; 1E).

В совокупности эти данные свидетельствуют о том, что рой медоносных пчел содержит достаточно заряда, чтобы влиять на атмосферный PG, пропорциональный плотности роя. В нескольких других случаях роения наблюдалось чистое положительное увеличение атмосферного PG вплоть на 1000 В/м при пиковой плотности (1F). Таким образом, наблюдаемая величина эффектов, зависящих от плотности, находится в пределах ожидаемых диапазонов, предсказанных используемой моделью (1B).

Роение является вполне естественным поведением не только для пчел, но и для многих других насекомых: перепончатокрылые (осы, летающие муравьи), термиты, прямокрылые (саранча), чешуекрылые (мигрирующие бабочки и мотыльки), двукрылые (комары, мошки и стайные мухи), подёнки и жесткокрылые (австралийские жуки-солдатики).


Изображение №2

Самыми внушительными по численности и плотности являются роения саранчи, которые могут достигать площади в 1000 км² (2A). Учитывая столь внушительный масштаб такого природного явления, вполне ожидаемо, что оно оказывает выраженное влияние на атмосферное электричество. Ученые провели наблюдения за роем саранчи по той же схеме, что и наблюдения за пчелами. Результаты были поистине ошеломляющими. Рой саранчи способен менять локальную электрическую среду на величины, сравнимые с метеорологическими явлениями (2B).

Чтобы установить взаимосвязь между зарядами роя насекомых и метеорологическими явлениями, ученые оценили плотность заряда роев трех видов насекомых и сравнили их с плотностью заряда метеорологического явления: полуясная погода, грозовые облака и наэлектризованные пыльные бури. Расчеты показали, что рой пустынной саранчи (Schistocerca gregaria) способен повысить плотность заряда так же, как и электрическая буря или повышенная облачность (2C).

В отличие от саранчи, роящиеся чешуекрылые (бабочки и мотыльки) не оказывали особого влияния на атмосферный заряд в сравнении с метеорологическими явлениями ввиду их низкой плотности (около 0.01 насекомых на м³; 2C). Тем не менее в случае экстремально высокой плотности роя чешуекрылых, что также порой происходит, можно все же ожидать некоего влияния на атмосферу.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые на практике подтвердили теорию о том, что роящиеся насекомые, переносящие заряд в нижних слоях атмосферы, вносят свой вклад в малоизученный эффект электрической изменчивости в атмосфере. Данное открытие, по мнению его авторов, имеет несколько важных последствий. Например, энтомогенный заряд не учитывается в современных климатических моделях, направленных на учет сложного взаимодействия между излучением и твердыми частицами, например переноса пыли атмосферой. Поскольку объемный заряд атмосферы усиливает агрегацию и движение воздушных частиц, вполне возможно, что заряды насекомых также будут способствовать пространственным изменениям воздушных частиц. Следовательно, можно предположить, что агрегация и перенос заряженных частиц с помощью насекомых может способствовать переносу пустынной пыли на большие расстояния, тем самым предлагая альтернативные объяснения переноса крупных частиц, которые нельзя объяснить исключительно физическими процессами.

Стоит также отметить, что насекомые являются не единственным источником биогенного заряда в атмосфере, поскольку птицы и микроорганизмы также несут заряд и в изобилии присутствуют в нижних слоях атмосферы. Как говорят ученые, их труд подчеркивает важность междисциплинарного изучения динамических электрических взаимодействий между физическими и биологическими объектами в атмосфере.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?