Маленькие пауки используют свои шелковые нити, чтобы пассивно летать. Этот процесс называется надуванием воздушного шара. Узнайте, как это может помочь исследователям атмосферы.
Ключевые выводы
- Меньшие пауки могут отрываться от земли, используя взаимодействие между их заряженными шелковыми нитями и электрическим полем в атмосфере Земли. Это называется воздухоплавание.
- Надежные механизмы перемещения по воздуху особенно важны в науке об атмосфере.
- Копируя механизм надувания пауков, исследователи могут разработать новые методы, которые помогут ученым контролировать атмосферу.
Природа часто оказывается лучшим инженером из всех. Для ученых, изучающих атмосферу Земли, раскрытие секретов некоторых маленьких летающих пауков может помочь продвинуть исследования на новый уровень.
Аэрокосмические инженеры используют различные методы, чтобы удерживать объекты в воздухе. Они могут использовать самолеты, чьи крылья создают подъемную силу, или дроны, которые создают собственную направленную вниз тягу. Однако этим устройствам требуется топливо, и ни одно из них не может оставаться в воздухе слишком долго.
Эти конструкции также плохо подходят для перевозки небольших объектов на большую высоту. Это особенно проблема для ученых-атмосферников. Им часто приходится развертывать температурные или химические датчики для детального изучения свойств атмосферы, меняющихся на высоте. Одна пара исследователей искала решение в мире природы.
Воздушные пауки
Не всем животным нужны крылья, чтобы передвигаться по воздуху. Некоторые пауки развили способность, называемую воздушным шаром. Они прядут шелковые нити, которые остаются прикрепленными к их телам. Эта техника позволяет паукам пассивно перемещаться на большие расстояния даже в относительно безветренные дни.
Во время своего знаменитого путешествия Чарльз Дарвин видел, как сотни летающих на воздушном шаре пауков приземлились на борт HMS Beagle, несмотря на то, что он находился примерно в 60 милях от берега. Это явление действительно хорошо задокументировано, однако исследователи до сих пор не до конца понимают, как работает воздушный шар. В настоящее время существуют две конкурирующие теории.
Одна из теорий предполагает, что пауки используют свои нити для улавливания восходящих потоков тепла, возникающих в воздухе в результате естественных колебаний температуры. Второй предполагает, что электростатические силы создают подъемную силу. Силы возникают в результате взаимодействия электрических зарядов нитей с электрическим полем в атмосфере Земли.
Электрическое поле этой Земли само по себе создается разницей зарядов между землей и ионосферой, областью верхних слоев атмосферы Земли, в которой атомы и молекулы ионизируются мощным солнечным излучением.
Тепловой или электрический?
Чтобы проверить силу этой второй теории, Чарбель Хабчи из ливанского Университета Нотр-Дам в Луизе и Мохаммад Джавед из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе воссоздали полет пауков с помощью виртуальных симуляций. В упрощенной модели дуэт заменил пауков маленькими сферами, которые они прикрепили к различному количеству близко расположенных вертикальных нитей.
Исследователи рассмотрели, как может измениться поведение при раздувании, если изменить количество нитей. Они также исследовали эффекты равномерного распределения электрического заряда по нитям по сравнению с концентрацией заряда на концах нитей.
Чтобы обеспечить точность своих симуляций, они включили алгоритм, широко используемый в голливудских фильмах для анимации меха и волос. Они также объединили это со вторым алгоритмом, который мог бы воссоздать силы вязкости, воздействующие на пауков и нити, когда они движутся по воздуху.
В поле
В каждом из рассмотренных ими сценариев моделирование Хабчи и Джаведа показало, что электростатические взаимодействия заставляли сферу ускоряться вверх от земли. В то же время изначально прямые нити отталкивались друг от друга, поскольку имели одинаковые заряды. Это заставляло их быстро сгибаться и распрямляться, предотвращая их спутывание.
Со временем Хабчи и Джавед обнаружили, что сопротивление, вызванное сопротивлением воздуха, противодействует подъемной силе. В конце концов, виртуальные пауки установили постоянную скорость восхождения примерно 8,5 сантиметров в секунду. Это точно совпало с результатами экспериментов с участием настоящих пауков, в которых управляемое электрическое поле вызывало вздутие живота.
Дуэт обнаружил, что одной только электростатической силы достаточно, чтобы маленькие пауки раздувались. Механизм даже позволяет животным контролировать свою скорость, изменяя количество и длину нитей. При движении при более сильном ветре эта техника может помочь им изменить высоту.
Большая картина
Надежные механизмы перемещения по воздуху особенно важны в науке об атмосфере. На больших высотах спутники и самолеты могут отслеживать разнообразные и постоянно меняющиеся свойства земной атмосферы. Но у этих устройств есть свои ограничения. Спутники не могут напрямую измерять свойства атмосферы, а самолеты перемещаются слишком быстро, чтобы собирать информацию в меньших масштабах.
Воспроизводя механизмы надувания, используемые пауками, Хабчи и Джавед надеются, что исследователи смогут разработать новые методы мониторинга, в которых отдельные крошечные датчики прикрепляются к специальным конструкциям искусственных нитей. Это может позволить приборам летать на воздушном шаре с тщательно контролируемыми скоростями и высотами, собирая при этом полезные данные.
Если этот метод будет реализован, он может проложить путь к новым возможностям мониторинга атмосферы. Исследователи могут исследовать такие факторы, как температура, скорость ветра, влажность и химический состав, с беспрецедентной точностью.