Сохранение сосновых лесов через изучение полёта жуков
Горный сосновый лубоед — одна из основных причин гибели деревьев в сосновых лесах Северной Америки. Например, насекомое уничтожило тысячи акров соснового леса в Британской Колумбии и Альберте, в результате чего эти территории стали более уязвимыми для лесных пожаров. Увеличение гибели деревьев превратило леса Канады из поглотителя в крупный чистый источник атмосферного диоксида углерода, который выделяется из сгоревшей или разлагающейся древесины мёртвых деревьев.
В журнале Physics of Fluids исследователи из Университета Альберты изучили лётные характеристики горного соснового лубоеда с точки зрения механики жидкости и энтомологии. Понимание этих аспектов полёта насекомого может улучшить оценку скорости его распространения в окружающей среде и помочь сохранить сосновые леса.
Для изучения полёта насекомых команда использовала тип модели, ранее применявшейся для идеализированных аэродинамических профилей. Они показали, что её можно успешно применять к множеству отдельных особей с учётом биологического пола, возраста и размера тела. Таким образом, модель может предсказывать, как эти факторы влияют на лётные характеристики.
«Мы обнаружили, что существует безразмерная группировка скорости и амплитуды взмаха крыла, которая может предсказывать тягу, создаваемую насекомым, и что эта группировка может значительно улучшить нашу способность определять факторы, влияющие на лётные характеристики насекомых», — сказала автор Захра Хаджати.
Изучив несколько насекомых, каждое со своей слегка отличающейся формой крыла (включая некоторых с повреждёнными крыльями), возрастом и размером, команда обнаружила различия между группами. Самки жуков могут обладать большей выносливостью в полёте, чем самцы, а молодые жуки летали с меньшей тягой, чем особи других возрастов.
«Эта модель открывает новые пути для энтомологических исследований, предоставляя средства для значительного повышения уровня статистической достоверности в исследованиях расселения насекомых», — сказала Хаджати.
Чтобы модель аэродинамического профиля работала, исследователям пришлось модифицировать её для работы с трёхмерным крылом насекомого, а не с классической каплевидной формой идеализированного профиля. Неожиданно, основное различие между идеализированными профилями и маленькими реальными крыльями заключалось в относительном влиянии вязкости, причём насекомые были к ней более чувствительны, чем в идеализированном случае.
«Когда мы нанесли модель на график против тяги, создаваемой насекомыми, мы были готовы увидеть облако точек, примерно выстроенных в линию, поэтому мы были очень взволнованы, увидев такую прямую линию через наши данные», — сказала Хаджати. — «Мы были удивлены тем, насколько линейно силы масштабировались с движением крыла».
Отдельные взмахи крыльев длятся около одной сотой секунды каждый, и исследователи изучали силы, генерируемые насекомыми в течение нескольких взмахов. Однако в природе насекомые могут летать часами во время расселительных полётов. В дальнейшем команда планирует связать масштабирование генерации силы и потребления энергии от взмаха к взмаху с тем, как далеко насекомые могут расселяться в течение всего полёта.