Поток воды важнее для кораллов, чем свет, часть V

В последние годы появилось большое количество разнообразных и оригинальных данных об освещении и кораллах для рифового аквариума. В отличие от этого, статей о влиянии и важности потока воды в рифовом аквариуме было гораздо меньше. Большинство аквариумистов не знают о взаимосвязи между ламинарным и турбулентным потоком, и практически никто никогда не обсуждает движение воды в рифовом аквариуме в терминах, которые действительно применимы к гидродинамике. Настало время для хобби рифовых аквариумов наверстать упущенное в области течения. Подобно тому, как освещение аквариумов подверглось тщательной переоценке, мы также должны начать рассматривать, как движение воды в наших аквариумах преобразуется в движение воды, которое соответствует и подходит для здоровья кораллов.

Описание идеального течения

За неимением лучшего значения, аквариумисты описывают количество движения воды в своих рифовых аквариумах в терминах скорости оборота. Если одинаковые головки установлены на противоположных концах аквариума, но одна из них направлена к центру аквариума, а другая – к стеклу аквариума, то головка, направленная к центру аквариума, несомненно, будет создавать более высокую скорость потока и большую циркуляцию по всему аквариуму. Хотя обе головки имеют одинаковую скорость оборота, их ориентация по отношению к основной массе воды оказывает большое влияние на скорость потока, который они будут создавать. Поскольку скорость потока является критической мерой для определения скорости газообмена, скорость оборота мало что дает для определения скорости дыхания и фотосинтеза кораллов.

В естественной среде поверхность рифа и кораллы, живущие на ней, испытывают в основном случайное, хаотическое течение в виде колебательных всплесков. В большинстве случаев аквариумисты интерпретируют “случайный, хаотичный поток” как исключение ламинарного или однонаправленного потока. Такая интерпретация обычно выливается в множество насадок и впускных отверстий, расположенных так, что они напоминают то, что я называю стрелковой командой. Хотя рифовые аквариумы – это попытка воссоздать естественную среду, попытка воспроизвести всплеск с масштабом и энергией естественной среды потребует огромных усилий и ресурсов. В то время как колебательный всплеск в естественной среде влечет за собой движение всей массы воды, в типичном аквариуме наблюдаются небольшие шлейфы движения воды, которые теряют скорость по мере удаления от источника потока воды (Harker 1998). Поток воды, выходящий из головки или другого отвода, начинается как высокоскоростной однонаправленный поток. Однако по мере удаления от источника потока сопротивление других потоков и вязкое трение приводят к тому, что упорядоченный поток быстро теряет скорость. В этот момент поток теряет скорость и все больше превращается в разнонаправленный турбулентный поток. Риддл проиллюстрировал это явление с помощью цифрового электронного расходомера (Riddle 1996). Поток, выходящий непосредственно из головки Hagen 802, показывал скорость до 70 см/с, в то время как измеренная скорость составляла 0 см/с всего в 60 см. Это не означает, что на этом расстоянии не было потока, скорее это означает, что либо поток не был правильно выровнен с расходомером, либо сумма разнонаправленных потоков имела чистую скорость 0 см/с. Действительно, турбулентность приводит к увеличению скорости перемешивания, но быстрый ламинарный поток становится турбулентным, как только он сталкивается с нерегулярной поверхностью, такой как поверхность коралла. Чем выше скорость потока, тем больше турбулентность, возникающая при столкновении потока с поверхностью. Хотя турбулентность является желаемым конечным продуктом движения воды, аквариумисты должны больше внимания уделять созданию более быстрого однонаправленного потока.

Среда течения

Среда, в которой происходит движение жидкости, оказывает большое влияние на ее поведение. Три вещи, которые влияют на движение воды в аквариуме, – это размеры аквариума, рельеф рифовой структуры из живых камней, включая кораллы, а также сила и продолжительность движения воды.

Рассматривая аквариум для использования в качестве рифового аквариума, важно помнить, что размеры рифового аквариума будут иметь большое влияние на то, каким будет риф. Размер и форма аквариума определяют тип освещения, способ обслуживания, вид рыб и кораллов, которые могут в нем содержаться, а также поведение потока воды в стекле. Будучи приверженцем движения воды, я обычно в первую очередь рассматриваю последний критерий. В маленьком аквариуме вода будет легко течь по всему аквариуму, массовое движение воды будет происходить очень быстро, но не будет большой неоднородности скоростей потока. В маленьком аквариуме вязкие силы заставляют большую часть воды двигаться с одинаковой скоростью, и может быть трудно обеспечить достаточно медленную и быструю скорость потока воды для кораллов, которые предпочитают ту или иную скорость. В аквариуме большего размера для перемещения всей массы воды потребуется больше сил, и для циркуляции всего объема потребуется больше времени. Однако, когда вся масса воды в большом аквариуме приходит в движение, она обладает большей инерцией, и ей меньше мешают рифовые конструкции или кораллы, которые выступают в основной поток. В больших аквариумах легче создать различные режимы течения. Поскольку в большом аквариуме кинетические, а не вязкие силы будут регулироваться в большей степени, в нем более вероятно появление узкой полосы более быстрого течения у поверхности и более широкой полосы более медленного течения у дна.

Рисунок 1 Этот аквариум – хороший пример рифового аквариума, в котором используется скромное количество живых камней. Несмотря на новизну формы, размеры этого аквариума не позволяют создать массовое движение воды.

Как и следовало ожидать, чем больше в аквариуме живых камней, тем сложнее обеспечить адекватное движение воды по объему всего аквариума. Поскольку я предпочитаю смотреть на кораллы сверху, я обычно использую как можно меньше камней. Мы все слышали мнение, что для рифового аквариума требуется 1-2 фунта живого камня на галлон, но поскольку плотность живого камня сильно варьируется, это не очень полезный ориентир. Как видно из рисунка 1, я предпочитаю строить рифовую структуру, занимающую не более 25% от фактического объема аквариума. Это ограничение соответствует расположению живых камней, которые могут занимать большую часть длины аквариума, но их высота и ширина не должны превышать половины высоты и ширины аквариума. Хотя начинающие аквариумисты, возможно, склонны называть такую расстановку “пустой”, терпеливый аквариумист знает, что такое скромное количество камня оставляет много места для кораллов и роста.

В океане поверхностные течения воды движутся в основном за счет ветра, дующего по поверхности моря. Количество воды, движущейся в этих течениях, пропорционально силе ветра и продолжительности его дуновения, которое называется фетчем. Поскольку аквариумисты не используют ветер для перемещения воды, для наших аквариумов мы можем считать, что фетч – это продолжительность, в течение которой масса воды движется в определенном направлении. Имеющиеся в продаже “волнорезы” не рассчитаны и не сконструированы на что-то большее, чем статус-кво кораллового хобби, которое заключается в том, что кораллам и рифовым аквариумам нужен “случайный, турбулентный поток”. Помимо их высокой цены, моя самая большая претензия к этим устройствам управления помпами заключается в том, что их розетки включаются и выключаются с такими короткими интервалами, что не позволяют оптимизировать поток воды. Выключая насос до того, как он успевает полностью реализовать свой потенциал движения воды, водяной насос в этом сценарии посылает шлейф движения воды, который встречает большое сопротивление со стороны инерции объема воды. Увеличивая продолжительность включения водяного насоса, движущаяся часть воды будет набирать размер и импульс, так что когда насос будет выключен, объем воды будет продолжать двигаться по аквариуму в течение короткого времени. Способность волнорезов производить массовое движение воды можно уменьшить, увеличив временной интервал между насосами и разработав схемы насосов, которые работают вместе для перемещения всего объема аквариума.

Последнее соображение относительно среды течения – это размещение беспозвоночных в тех областях аквариума, где сочетаются подходящая интенсивность освещения и скорость течения воды. Поскольку верхняя часть аквариума часто является предпочтительным местом для размещения кораллов с высокой освещенностью, вдвойне выгодно сосредоточить быстрое движение воды в верхних слоях аквариума. Имейте в виду, что когда вода течет вокруг формы, обычно наблюдается большая турбулентность и, следовательно, больший газообмен на нижней стороне формы. Если вы смотрите на поверхность коралла вверх по течению в поисках признаков поведенческой реакции коралла на поток воды, вы можете пропустить более значительную реакцию на поверхности коралла вниз по течению. В итоге, вы должны осмотреть всю колонию ваших кораллов на предмет наличия признаков пригодности потока, которому подвергается коралл.

Движение массы воды

Движущаяся масса воды будет стремиться вернуться к равновесному состоянию с низкой энергией посредством нескольких механизмов обратной связи. Гравитация, давление и трение – это силы, которые обеспечивают совместное влияние воды на дальних концах сосуда на движение всей массы воды. Как аквариумисты, пытающиеся воспроизвести условия течения в среде, где кораллы встречаются естественным образом, мы должны помнить об этих силах и использовать их в своих интересах, чтобы стимулировать массовое движение воды по всему аквариуму.

Для того, чтобы максимально увеличить производительность оборудования для движения воды, аквариумисты должны проектировать системы движения воды таким образом, чтобы все компоненты работали вместе для минимизации сопротивления и перемещения всей массы воды в аквариуме. Лучший способ объединить энергию движущейся воды для создания максимального движения воды в аквариуме – это способствовать образованию кругового движения воды, называемого гиром. Подобно колесу, гир использует преимущества механизмов обратной связи, которые сохраняют импульс, минимизируя сопротивление. Аквариумный гир несколько напоминает конвейерную ленту движения воды и характеризуется в основном ламинарным, однонаправленным потоком. Чередуя вращение гира с одной стороны на другую, можно равномерно распределить турбулентность по всем сторонам кораллов и тем самым увеличить фотосинтез и дыхание. Экстремальный пример этой техники демонстрирует специальный аквариум, называемый гиром.

Рисунок 2 В этом горизонтальном аквариуме-гире скорость течения составляет 15-22 см/с.

Аквариумы-гиры

Аквариум-гир способствует максимальному количеству импульсов движения воды, поскольку содержит разделитель, превращающий аквариум, по сути, в контур. Этот специализированный аквариум сужает поперечное сечение пути воды, чтобы вся вода равномерно двигалась в одном направлении. Подобная установка в основном обходится без камней или других украшений на одной стороне перегородки, чтобы уменьшить трение с обычной рифовой структурой аквариума по крайней мере с одной стороны потока. Разделитель тянется почти по всей длине аквариума и может быть установлен как горизонтально, так и вертикально. При вертикальной установке разделитель лежит на середине дна аквариума и выступает над поверхностью воды. При горизонтальной установке разделитель находится вровень с серединой переднего и заднего стекол аквариума. Вертикальный аквариум-гир хорош для содержания высоких видов кораллов, таких как горгонии, древовидные мягкие кораллы и высокие стаффорновые кораллы. Этот тип аквариума может быть более эстетичным, так как насосы и проточные отверстия легко спрятать за перегородкой аквариума, и при этом сохраняется зона обзора аквариума. Однако, поскольку водная масса вертикального гира всегда находится в контакте с дном аквариума и поверхностью воды, он имеет больше возможностей для развития сдвига скорости с более быстрым потоком в верхней части и более медленным потоком в нижней части. В аквариуме с горизонтальным извилистым течением силовые головки или отводы потока располагаются под разделителем и выравниваются в горизонтальной плоскости. Такая установка сохраняет первоначальную фактическую площадь поверхности аквариума, но это происходит за счет высоты аквариума. Большая площадь поверхности и близость к источнику освещения делают горизонтальный аквариум идеальным для концентрированных усилий по выращиванию кораллов.

Рисунок 3 Вертикальный аквариум-гир (он же аквариум с ламинарным потоком), предназначенный для содержания высоких видов кораллов. Фото Майкла Джейнса.

Рисунок 2 – пример горизонтального аквариума-гира, который я построил для выращивания каменистых кораллов. Аквариум имеет объем 33 галлона, длину 4 фута, ширину 14 дюймов и высоту 12 дюймов. Перегородка была сделана из двух кусков темного оргстекла, которые были наложены друг на друга в центре. Оба куска разделителя были не закреплены, и я обнаружил, что могу изменять скорость потока воды, регулируя расстояние между разделителем и торцами аквариумного стекла. Движение воды обеспечивалось одним насосом Seio 820 с одной стороны и двумя Maxi-jet 1200 с другой стороны. Таймер освещения Chauvet использовался для попеременного включения насосов на 5-15 минут с каждой стороны. Поскольку поток воды в этом длинном аквариуме был однонаправленным, измерить скорость потока было очень просто. Скорость воды рассчитывалась путем добавления в воду нейтрально плавучих частиц и засекания времени, которое требовалось для их перемещения по аквариуму. Используя этот метод, я смог измерить скорость потока воды в пределах 15-22 см/с по всему аквариуму. Эти скорости находятся в диапазоне идеальных скоростей потока для оптимального захвата частиц, дыхания и фотосинтеза многих кораллов. На рисунке 3 показан вертикальный аквариум с гироскопом, построенный и спроектированный Майклом Джейнсом из компании Aquatouch. Г-н Джейнс – специалист по октокораллам, и он называет свой дизайн аквариумом с ламинарным потоком. Он спроектировал аквариум таким образом, чтобы создать идеальные условия течения, сохранив при этом достаточно вертикального пространства для размещения высоких мягких кораллов, таких как горгонии. Хотя этот аквариум был разработан в первую очередь как доказательство концепции, г-н Джейнс продолжает работать с этим типом аквариума-гира для изучения видов октокораллов.

Рисунок 4 Поскольку циркуляция воды в этом 180-галлонном аквариуме осуществлялась с помощью технологии массового движения воды, для создания адекватного движения воды потребовалось лишь скромное оборудование.

Гиры в рифовых аквариумах

Для создания извилистых движений водной массы в аквариуме не обязательно нужен разделитель. Хотя движение воды не будет таким полным и равномерным, как в аквариуме с извилинами, все же выгодно стимулировать движение воды по круговому пути. В рифовом аквариуме с живыми камнями и кораллами на дне, поверхность воды в аквариуме оказывает наименьшее сопротивление движению воды. Из-за отсутствия трения движущаяся вода, направленная в эту область, будет создавать наибольший импульс водной массы. При равномерном перемещении поверхностного слоя воды с одной стороны аквариума на другую вся масса воды должна начать приобретать импульс при движении с обоих концов. В одном конце аквариума вода начнет “накапливаться”, а затем опускаться вниз. На другом конце вода будет подниматься вверх, замещая объем, вытесненный движением воды. Хотя проще всего создавать извилины, которые следуют за верхней и нижней поверхностями аквариума, это не единственный способ создания извилины. Рисунок 4 представляет собой фотографию 180-галлонного аквариума с переливным сливом прямо в центре аквариума. В этом аквариуме содержалось скромное количество живого камня, и циркуляция воды в нем осуществлялась путем стимулирования массового движения воды вокруг центрального переливного отверстия. Вновь был использован таймер освещения Chauvet для чередования потока между двумя контурами насадок. Каждый контур содержал насосы, расположенные по диагонали друг к другу, и таким образом сила обоих насосов работала вместе для перемещения всей массы воды. Центральный перелив не всегда был самым эстетичным, но было очень легко вращать воду вокруг него, используя только очень скромные водяные насосы.

Рисунок 5 Пример зрелого рифового аквариума, в котором наблюдается очень плотный рост каменистых кораллов.

Техника массового движения воды может не только помочь аквариумистам создать более высокую скорость потока воды в аквариуме, но и способствовать большему движению воды через промежутки живого камня и кораллов с открытой формой роста. Обычно аквариумист может направить один или несколько шлейфов движения воды на кораллы, которым требуется высокая скорость потока воды. В этом сценарии турбулентный поток воды сталкивается с большим трением на своем пути к желаемому месту в рифовом аквариуме: он испытывает сопротивление неподвижной воды вокруг него, он испытывает сопротивление от формы кораллов, с которыми он сталкивается, и турбулентный характер потока воды мало способствует сохранению импульса движения воды. В сценарии с использованием массового движения воды поведение жидкости будет значительно отличаться. Шлейф воды, движущийся из одного и того же источника, будет встречать меньшее сопротивление со стороны окружающей его воды, поскольку обе частицы воды движутся в одном направлении. Уменьшение сопротивления выпрямит поток и сохранит больший импульс. Вода будет двигаться быстрее не только после того, как достигнет коралла, но и потому, что вода будет удаляться от коралла вниз по течению, вода будет пробиваться через обычно застойную воду, которая присутствует внутри кораллов с открытой формой роста. На рисунке 5 показан аквариум, в котором плотные кораллы занимают значительную часть поперечного сечения аквариума. При использовании методов массового перемещения воды в случае плотного роста кораллов скорость потока воды может фактически ускориться, поскольку больше воды проталкивается через пространства меньшей площади. Аквариумисты, желающие стимулировать дополнительное движение воды внутри плотных коралловых колоний, увидят большие преимущества от использования техники массового движения воды.

Выводы

Хобби рифовых аквариумов предстоит пройти долгий путь, прежде чем наше понимание движения воды догонит то, что мы знаем об освещении рифовых аквариумов. Как и существовавший до этого термин “Ватты на галлон”, использование “скорости оборота” для описания движения воды продолжает тормозить прогресс более продвинутых методов движения воды. Поощряя образование одного или нескольких гиров, аквариумисты могут добиться большего движения воды с точки зрения общей скорости потока воды. Поскольку более высокая скорость потока создает большую турбулентность, это приводит к увеличению газообмена и повышению скорости фотосинтеза и дыхания.

Ссылки

1. Харкер, Р. 1998. Измерение турбулентного потока в рифовых аквариумах. Aquarium Frontiers, августовский выпуск.
2. Janes, M.P. 2005. Новая эра для морских вентиляторов? Международная конференция по морским аквариумам. Чикаго, Иллинойс.
3. Риддл, Д., 1996. Движение воды в рифовом аквариуме, часть 1. Aquarium Frontiers, 3:4, 32-39.

Source: reefs.com