A10 Formationsstörung

Thema

Die von Vögeln gebildeten kollektiven Flugformationen – die V-Formation der Gänse, die Starenschwärme, dichte Zugvogelgruppen – können sich durch äußere Störungen auflösen: das plötzliche Verschwinden des Leitvogels, das Eindringen eines Raubtiers oder einer Drohne, starker Seitenwind oder das abrupte Abfliegen eines Mitglieds durch eine Kollision. Unabhängig von der Ursache der äußeren Störung lässt sich der Zerfall der kollektiven Flugformation auf zwei physikalischen Ebenen beschreiben, die gleichzeitig wirken: einer individuellen aerodynamischen Ebene, die sich auf jeden einzelnen Vogel konzentriert, und einer kollektiven Ebene, die den Schwarm als Ganzes betrachtet.

Auf der individuellen aerodynamischen Ebene verliert ein nachfolgender Vogel, der durch eine äußere Störung aus seiner optimalen Position relativ zum Leitvogel gebracht wird, den Vorteil des vom Leitvogel erzeugten Wirbelfelds – jenes Wirbelfelds, das in einer intakten kollektiven Flugformation die aerodynamischen Kosten des Fliegens hinter einem anderen Vogel reduziert. Der Verlust dieses Vorteils erhöht den Energiebedarf des nachfolgenden Vogels unmittelbar um bis zu 20 bis 30 Prozent gegenüber seiner optimalen Position.

Dieser Verlust der optimalen Position beschränkt sich nicht auf das einzelne Individuum: Auf kollektiver Ebene breitet er sich wellenartig durch den gesamten Schwarm aus, da jeder Vogel in der Flugformation seine Position an die der Nachbarn anpasst. Diese Kettenreaktion der Anpassungen setzt sich von Vogel zu Vogel fort. Diese Störungswelle kann sich schneller durch den Schwarm ausbreiten als die Fluggeschwindigkeit der einzelnen Vögel.

Die Wiederherstellung der Gesamtordnung des Schwarms nach dem Durchzug einer Störungswelle wird durch die Dynamik des Vicsek-Ordnungsparameters beschrieben. Dieser Parameter fasst zusammen, wie stark die Flugrichtungen aller Vögel im Schwarm zu einem bestimmten Zeitpunkt ausgerichtet sind. Unmittelbar nach der Störung sinkt dieser Ordnungsparameter, da die Vögel in der Nähe der Störung nicht mehr mit den übrigen Vögeln ausgerichtet fliegen. Sobald jeder Vogel seine optimale Position relativ zu seinen Nachbarn wiedererlangt hat, steigt der Ordnungsparameter wieder an und nähert sich dem Wert an, den die kollektive Flugformation vor der Störung aufwies.

Solange sich der Vicsek-Ordnungsparameter noch nicht erholt hat, ist der Energiebedarf der von der Störungswelle betroffenen Vögel weiterhin höher als der der intakten kollektiven Flugformation, da diese Vögel noch nicht die optimale Position erreicht haben, die es ihnen ermöglichen würde, vom Wirbelfeld zu profitieren. Die vorübergehenden Energiekosten der gesamten Störung entsprechen daher der Summe des zusätzlichen Energiebedarfs jedes betroffenen Vogels, der so lange anhält, bis der Vicsek-Ordnungsparameter wieder seinen Wert vor der Störung erreicht hat.

Das Modell erlaubt es uns somit, für jede der vier äußeren Störungen, die zum Auseinanderbrechen führen können – das Verschwinden des Anführers, das Eindringen eines Raubtiers oder einer Drohne, ein starker Seitenwind oder der Verlust eines Mitglieds durch eine Kollision – sowohl den vorübergehenden Energieaufwand für den Schwarm als auch die Zeit zu berechnen, die diese kollektive Flugformation benötigt, sei es die V-Formation der Gänse, der Schwarm der Stare oder der dichte Zugvogelschwarm, um die aerodynamische Effizienz wiederzuerlangen, die sie vor der Störung hatte.

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