Потік води для коралів важливіший за світло, частина V
В останні роки з’явилася велика кількість різноманітних та оригінальних даних про освітлення та корали для рифових акваріумів. На противагу цьому, було набагато менше статей про вплив і важливість течії води в рифовому акваріумі. Більшість акваріумістів не знають про взаємозв’язок між ламінарним і турбулентним потоком, і практично ніхто ніколи не обговорював рух води в рифовому акваріумі в термінах, які фактично застосовуються до динаміки рідини. Настав час для захоплення рифовими акваріумами надолужити згаяне у відділі течій. Подібно до того, як освітлення акваріума отримало ретельну переоцінку, так само ми повинні почати розглядати, як рух води в наших акваріумах перетворюється на рух води, який є доречним і придатним для здоров’я коралів.
Опис ідеальної течії
За відсутності кращого показника, акваріумісти описують кількість руху води в своїх рифових акваріумах з точки зору швидкості обороту. Якщо однакові насадки розміщені в протилежних кінцях акваріума, але одна з них спрямована до центру акваріума, а інша – до скла акваріума, то насадка, спрямована до центру акваріума, безсумнівно, забезпечить більшу швидкість течії і більшу циркуляцію води в акваріумі. Хоча обидві насадки мають однакову швидкість обертання, їх орієнтація по відношенню до основної маси води має великий вплив на швидкість течії, яку вони створюють. Оскільки швидкість течії є критичним показником для визначення швидкості газообміну, оборот води мало впливає на швидкість дихання та фотосинтезу коралів.
У природному середовищі поверхня рифу і корали, що живуть на ній, відчувають переважно випадкову, хаотичну течію у вигляді осциляторного набігання. У більшості випадків акваріумісти інтерпретують “випадковий, хаотичний потік” так, щоб виключити ламінарний або односпрямований потік. Ця інтерпретація зазвичай призводить до того, що безліч напірних головок і впускних отворів розташовуються так, щоб нагадувати те, що я називаю розстрільною командою з пістолета-розпилювача. Хоча рифові акваріуми є спробою відтворити природне середовище, спроба відтворити сплеск з масштабом і енергією природного середовища вимагала б величезних зусиль і ресурсів. У той час як коливальний приплив природного середовища тягне за собою рух всієї маси води, типовий акваріум характеризується невеликими шлейфами руху води, які втрачають швидкість з віддаленням від джерела водного потоку (Harker 1998). Потік води, який виходить з силової головки або іншого вихідного отвору, починається як високошвидкісний, односпрямований потік. Однак, коли потік збільшує відстань від джерела, опір інших потоків і в’язке тертя призводять до того, що впорядкований потік швидко втрачає імпульс. У цей момент потік втрачає швидкість і все більше стає різноспрямованим, турбулентним потоком. Ріддл проілюстрував це явище за допомогою цифрового електронного витратоміра (Riddle 1996). Потік, що виходив безпосередньо з силової головки Hagen 802, показав швидкість понад 70 см/с, в той час як виміряна швидкість становила 0 см/с лише на відстані 60 см. Це не означає, що на цій відстані потоку не було, а скоріше означає, що або потік не був належним чином вирівняний з витратоміром, або сума різноспрямованих потоків мала чисту швидкість 0 см/с. Це правда, що турбулентність призводить до збільшення швидкості перемішування, але швидкий ламінарний потік стає турбулентним, як тільки він стикається з нерегулярною поверхнею, такою як корал. Чим більша швидкість течії, тим більша кількість турбулентності утворюється при зіткненні потоку з поверхнею. Хоча турбулентність є бажаним кінцевим продуктом руху води, акваріумісти повинні бути більш зосереджені на створенні більш швидкого односпрямованого потоку.
Середовище течії
Середовище, в якому відбувається рух рідини, має великий вплив на те, як буде поводитися рідина. Три фактори, які впливають на рух води в акваріумі, – це розміри акваріума, рельєф рифової структури з живих каменів, включаючи корали, а також сила і тривалість руху води.
Розглядаючи акваріум для використання в якості рифового резервуара, важливо пам’ятати, що розміри рифового резервуара будуть мати великий вплив на те, який саме це буде риф. Розмір і форма акваріума визначатимуть тип освітлення, яке буде використовуватися, спосіб обслуговування, тип риб і коралів, які в ньому можна утримувати, а також те, як буде поводитися потік води в склі. Як прихильник руху води, я зазвичай в першу чергу враховую останній критерій. У невеликому акваріумі вода буде легко розтікатися по всьому акваріуму, масовий рух води буде відбуватися дуже швидко, але не буде великої неоднорідності швидкостей течії. У меншому акваріумі в’язкі сили змушують більшу частину руху води рухатися з однаковою швидкістю, і може бути важко забезпечити відповідну повільну та швидку швидкість течії води для коралів, які віддають перевагу тій чи іншій швидкості. У більшому акваріумі для переміщення всієї маси води знадобиться більше зусиль, і для циркуляції всього об’єму знадобиться більше часу. Однак, як тільки вся маса води у великому акваріумі почне рухатися, вона матиме більшу інерцію і їй менше перешкоджатимуть рифові структури або корали, які виступають в основний потік. У великих акваріумах легше створювати різноманітні режими течії. Оскільки у великому акваріумі більше діють кінетичні, ніж в’язкі сили, в ньому, швидше за все, буде вузька смуга більш швидкої течії на поверхні і більш широка смуга більш повільної течії на дні.
Рисунок 1 Цей акваріум є гарним прикладом рифового акваріума, в якому використовується невелика кількість живого каміння. Незважаючи на те, що це нова форма, розміри цього акваріума ускладнюють створення масового руху води.
Як і слід було очікувати, чим більше в акваріумі живого каміння, тим важче буде забезпечити адекватний рух води в об’ємі всього акваріума. Оскільки я вважаю за краще розглядати корали зверху, я зазвичай використовую якомога менше каменю. Ми всі чули припущення, що для рифового акваріума потрібно 1-2 фунти живого каменю на галон, але оскільки щільність живого каменю сильно варіюється, це не дуже корисний орієнтир. Як ви можете бачити на малюнку 1, моя особиста перевага полягає в тому, щоб побудувати рифову структуру, яка займає не більше приблизно 25% фактичного об’єму акваріума. Це обмеження прирівнюється до розташування живих каменів, які можуть займати більшу частину довжини акваріума, але вони не повинні бути набагато більше половини висоти та половини ширини, ніж розміри акваріума. Хоча акваріумісти-початківці можуть бути схильні називати таку установку “порожньою”, терплячий акваріуміст знає, що ця скромна кількість каменів залишає достатньо місця для росту коралів.
В океані поверхневі течії води рухаються в основному під впливом вітру, що дме над поверхнею моря. Кількість води, що рухається в цих течіях, пропорційна силі вітру і тривалості, протягом якої він дме, що називається приносом. Оскільки акваріумісти не використовують вітер для переміщення води, для наших акваріумів ми можемо вважати, що винос – це тривалість, протягом якої маса води виштовхується в певному напрямку. Комерційно доступні “хвилеводи” не розроблені і не побудовані на чомусь більшому, ніж статус-кво коралового хобі, який полягає в тому, що корали та рифові акваріуми потребують “випадкового, турбулентного потоку”. Окрім їх високої ціни, моя найбільша скарга на ці пристрої управління насосами полягає в тому, що їх виходи вмикаються і вимикаються з такими короткими інтервалами, що вони не дозволяють оптимізувати потік води. Вимикаючи насос до того, як він встиг досягти свого повного потенціалу руху води, водяний насос в цьому сценарії, по суті, посилає шлейф руху води, який стикається з великим опором від інерції об’єму води. Збільшуючи тривалість включення водяного насоса, рухома порція води збільшується в розмірах і набирає обертів, так що коли насос вимикається, об’єм води повинен продовжувати рухатися по акваріуму протягом короткого часу. Здатність хвилеводів створювати масовий рух води може бути покращена шляхом збільшення інтервалу часу між насосами і проектуванням схем насосів, які працюють разом для переміщення всього об’єму акваріума.
Останнім фактором, який слід враховувати при створенні середовища течії, є розміщення безхребетних в тих частинах акваріума, де поєднуються відповідна інтенсивність освітлення та швидкість течії води. Оскільки верхня частина акваріума часто є найкращим місцем для розміщення високосвітлих коралів, подвійно вигідно сконцентрувати швидкий рух води у верхніх шарах акваріума. Майте на увазі, що коли вода обтікає фігуру, зазвичай спостерігається більша турбулентність і, отже, інтенсивніший газообмін на нижній грані фігури. Якщо Ви дивитеся на верхню поверхню корала, щоб побачити поведінкову реакцію корала на потік води, Ви можете пропустити більш значну реакцію на нижній стороні корала. Суть полягає в тому, що Вам слід провести огляд всієї колонії Ваших коралів для виявлення ознак придатності потоку, якому піддається корал.
Масовий рух води
Рухома маса води буде прагнути повернутися до стану рівноваги з низьким рівнем енергії за допомогою декількох механізмів зворотного зв’язку. Сила тяжіння, тиск і тертя – це сили, які забезпечують спільний вплив води на далеких кінцях посудини на рух водної маси в цілому. Як акваріумісти, які намагаються відтворити умови течії середовища, де корали зустрічаються в природі, ми повинні пам’ятати про ці сили і використовувати їх на свою користь, щоб стимулювати рух маси води по всьому акваріуму.
Для того, щоб максимізувати віддачу обладнання для протікання води, акваріумісти повинні проектувати системи руху води таким чином, щоб всі компоненти працювали разом, щоб мінімізувати опір і переміщати всю водну масу акваріума. Найкращий спосіб об’єднати енергію рухомої води для отримання максимального руху води для акваріума – це заохочення утворення кругового ходу руху води, який називається гіром. Як і колесо, круговорот використовує переваги механізмів зворотного зв’язку, які зберігають імпульс, зводячи до мінімуму опір. Акваріумна круговерть дещо нагадує конвеєр руху води і характеризується переважно ламінарною, односпрямованою течією. Чергуючи обертання дзиги з одного боку в інший, можна рівномірно розподілити турбулентність на всі сторони коралів і, таким чином, посилити фотосинтез і дихання. Екстремальним прикладом цієї техніки є спеціальний акваріум, який називається гір.
Рисунок 2 У цьому горизонтальному акваріумі-гірі швидкість течії становить 15-22 см/с.
Акваріуми Gyre
Акваріум з гіроскопом сприяє максимальному збільшенню імпульсу руху води, оскільки він містить перегородку, яка по суті перетворює акваріум на контур. Цей спеціалізований акваріум звужує поперечний переріз шляху води так, що вся вода рівномірно рухається в одному напрямку. Така установка здебільшого не містить каменів або інших прикрас на одній стороні перегородки, тому вона зменшує тертя зі звичайною рифовою структурою акваріума принаймні з одного боку від місця витоку потоку. Перегородка простягається майже по всій довжині акваріума і може бути розміщена як горизонтально, так і вертикально. При вертикальному розташуванні перегородка спирається на середину дна акваріума і виступає над поверхнею води. При горизонтальному розташуванні перегородка знаходиться на одному рівні з серединою переднього і заднього скла акваріума. Вертикальний акваріум з перегородкою добре підходить для утримання високих видів коралів, таких як горгонії, деревовидні м’які корали і високі стагхорнові корали. Цей тип акваріума може бути більш естетичним, оскільки насоси і випуски потоку легко заховати за перегородкою акваріума і при цьому зберігається оглядова зона акваріума. Однак, оскільки водна маса вертикального акваріума завжди контактує з дном акваріума і поверхнею води, вона має більший потенціал для розвитку швидкісного зсуву з більш швидкою течією вгорі і більш повільною течією внизу. У горизонтальному акваріумі силові головки або випуски потоку розміщуються під перегородкою і вирівнюються в горизонтальній площині. Така установка зберігає початкову фактичну площу поверхні акваріума, але це відбувається за рахунок висоти акваріума. Більша площа поверхні та ближче розташування до джерела освітлення робить горизонтальний акваріум ідеальним для концентрації зусиль по вирощуванню коралів.
Рисунок 3 Вертикальний акваріум (так званий ламінарний акваріум), призначений для вирощування високорослих видів коралів. Фото Майкла Джейнса.
Малюнок 2 є прикладом горизонтального спірального акваріума, який я побудував для культури кам’янистих коралів. Акваріум об’ємом 33 галони, довжиною 4 фути, шириною 14 дюймів і висотою 12 дюймів. Перегородка була зроблена з двох шматків темного оргскла, які були перекриті в центрі. Обидві частини перегородки були від’єднані, і я виявив, що можу змінювати швидкість потоку води, регулюючи відстань зазору між перегородкою і торцевими поверхнями скла акваріума. Рух води забезпечувався одним насосом Seio 820 з одного боку і двома Maxi-jet 1200 з іншого боку. Світловий таймер Chauvet використовувався для чергування потужності між насосами на 5-15 хвилин з кожного боку. Оскільки потік води в цьому довгому акваріумі був односпрямованим, виміряти швидкість течії було дуже просто. Швидкість води розраховувалася шляхом додавання у воду нейтрально плавучих частинок і вимірювання часу, необхідного для того, щоб вони пройшли певну відстань в акваріумі. Використовуючи цю методику, я зміг виміряти швидкість течії води в межах 15-22 см/с по всьому акваріуму. Ці швидкості знаходяться в діапазоні ідеальних швидкостей течії для оптимального захоплення частинок, дихання і фотосинтезу багатьох коралів. Малюнок 3 – це зображення вертикального акваріума, побудованого і спроектованого моїм Майклом Джейнсом з компанії Aquatouch. Пан Джейнс є фахівцем з октокоралів і називає свій дизайн резервуаром з ламінарним потоком. Він спроектував акваріум для створення ідеальних умов течії, зберігаючи при цьому достатньо вертикального простору для розміщення високих м’яких видів коралів, таких як горгонії. Хоча цей акваріум був спроектований в першу чергу як доказ концепції, пан Джейнс продовжує працювати з цим типом акваріума для вивчення октокоральних видів.
Малюнок 4 Оскільки в цьому 180-галонному акваріумі вода циркулювала за допомогою техніки масового руху води, для забезпечення адекватного руху води було потрібно лише скромне обладнання.
Вихори в рифовому акваріумі
Акваріуму не обов’язково потрібен дільник, щоб створювати завихрення водної маси. Хоча рух води не буде таким повним і рівномірним, як у випадку з акваріумом, все ж корисно стимулювати рух води по круговому шляху. У рифовому акваріумі з живими каменями і коралами на дні водна поверхня акваріума надає найменший опір рухомій воді. Через відсутність тертя рухома вода, що рухається, яка спрямована в цю область, буде створювати найбільший імпульс водної маси. Якщо відбувається рівномірне переміщення поверхневої води з одного боку акваріума в інший, вся водна маса повинна почати набирати імпульс в міру її переміщення в обох кінцях. В одному кінці акваріума вода почне “накопичуватися”, а потім опускатися вниз. В іншому кінці вода буде підніматися вгору, щоб замістити об’єм, який витісняється рухом води. Хоча найпростіше створювати вихори, які йдуть по верхній і нижній поверхнях акваріума, це не єдиний спосіб створення вихорів. На малюнку 4 зображено акваріум об’ємом 180 галонів з переливним зливом прямо в центрі акваріума. Цей акваріум містив скромну кількість живого каміння, і воно циркулювало, заохочуючи масовий рух води навколо центрального переливу. Знову ж таки, світловий таймер Шове використовувався для чергування потоку між двома контурами силових головок. Кожен контур містив насоси, які були розташовані по діагоналі один до одного, і таким чином сила обох насосів працювала разом для переміщення всієї маси води. Центральний перелив не обов’язково був найестетичнішою конструкцією, але було дуже легко обертати воду навколо нього, використовуючи лише дуже скромні водяні насоси.
Малюнок 5 Приклад зрілого рифового акваріума, який демонструє дуже густий кам’янистий кораловий ріст.
Техніка масового переміщення води може не тільки допомогти акваріумістам досягти більшої швидкості течії води в акваріумі, але й стимулювати рух води через проміжки живого каміння та коралів з відкритими формами росту. Зазвичай акваріуміст може націлити один або кілька шлейфів руху води на корали, які вимагають швидкої швидкості потоку води. У цьому сценарії турбулентний струмінь води стикається з великим тертям на шляху до потрібного місця в рифовому акваріумі: він буде відчувати опір від нерухомої води навколо нього, він буде відчувати опір від форми коралів, з якими він стикається, і турбулентна природа струменя води буде мало сприяти збереженню імпульсу руху води. У сценарії з використанням масового руху води поведінка рідини буде значно відрізнятися. Шлейф руху води від одного джерела буде зустрічати менший опір з боку води навколо нього, оскільки обидві партії води рухаються в одному напрямку. Зменшення опору вирівняє потік і збереже більше імпульсу. Мало того, що вода буде рухатися швидше, коли вона досягне корала, оскільки вода віддаляється від корала на нижньому кінці течії, вода буде проштовхуватися через зазвичай застійну воду, яка присутня у внутрішній частині коралів з відкритими формами росту. На рисунку 5 показаний акваріум, де густий кораловий ріст займає значну частину поперечного перерізу акваріума. При використанні техніки масового переміщення води у випадках щільного росту коралів швидкість потоку води може фактично прискоритися, оскільки більша кількість води проштовхується через простір з меншою площею. Акваріумісти, які бажають стимулювати додатковий рух води всередині щільних колоній коралів, побачать великі переваги від використання техніки масового переміщення води.
Висновки
Захоплення рифовими акваріумами має пройти довгий шлях, перш ніж наше розуміння потоку води наздожене те, що ми знаємо про освітлення рифових акваріумів. Як і прізвисько “Ватт на галон”, яке з’явилося до нього, використання “швидкості обороту” для опису руху води продовжує калічити прогрес більш досконалих методів руху води. Заохочуючи утворення одного або декількох вирів, акваріумісти здатні виробляти більше руху води з точки зору загальної швидкості потоку води. Оскільки вищі швидкості потоку створюють більшу кількість турбулентності, це призводить до посилення газообміну та вищих темпів фотосинтезу та дихання.
Список використаних джерел
- Харкер, Р. 1998. Вимірювання турбулентної течії в рифових акваріумах. Aquarium Frontiers, серпневий випуск.
- Джейнс, М.П. 2005. Нова ера для любителів моря? Міжнародна конференція з морських акваріумів. Чикаго, штат Іллінойс.
- Ріддл, Д., 1996. Рух води в рифовому акваріумі, частина 1. Aquarium Frontiers, 3:4, 32-39.
Source: reefs.com