Физико-химические процессы в аквариуме значительно сложнее, чем это представляют себе любители, а для того, чтобы разобраться в этом детально нужны фундаментальные знания в химии, физике и математике. Кроме того, всё это неразрывно связано с биологическими особенностями тех или иных аквариумных систем, что только усложняет задачи анализа и правильного понимания. Я уже кратко писал об этом в своих статьях в Аквариумисте, книгах и других публикациях. Добавляя в воду лекарства, те или иные химические вещества надо реально представлять себе, что при этом происходит, хотя в большинстве случаев всё это ещё недостаточно изучено. 

К сожалению, подавляющее большинство моих читателей не слишком хорошо подготовлены в химии и математике, чтобы понимать то, о чём идёт речь, даже в простейших случаях и именно поэтому в своих книгах и статьях я избегаю химических и математических формул. Рассказывая в своё время детям и взрослым об аквариумах в теле- и радиопередачах, я старался говорить на понятном всем языке, за что руководитель моей диссертационный работы (замечательный человек!) не раз меня укорял. Он говорил, - "Серёжа ты ведь уже настоящий учёный и, пожалуйста, старайся выражаться, как у нас принято, то есть с использованием всего спектра научной терминологии”. На своих аквариумных лекциях я пробовал применять термины, но по кислым лица слушающих сразу понял, что делать этого нельзя.

В период работы в своём НИИ Приборостроения, а потом в качестве специалиста по аквариумам и за границей мне довелось пользоваться самыми современными на тот период приборами и установками, позволяющими прояснить кое-какие интересные моменты на которые я не мог найти ответов ни в одной аквариумной книге. .При этом очень важно было так сформулировать свой вопрос таким образом, чтобы в рамках имеющейся аппаратуры для проведения экспериментов, буквально в цифрах получить однозначный ответ. 

Эксперимент 1.

Рассмотрим, например, вопрос изменения активной реакции воды рН при добавлении в воду нерестового водоёма кислоты, пускай, как мы привыкли, ортофосфорной. Просто вливаем и перемешиваем. Прецизионные измерения с использованием предварительно калиброванных измерительных электродов показывают, что при этом рН быстро в течение нескольких секунд, иногда минут, стремительно снижается до заданных параметров. А вот потом начинается самое интересное - концентрация водородных ионов начинает плавно в течение десятков минут возвращаться к исходному значению вследствие, как принято говорить у химиков, низкой буферной ёмкости раствора. Для аквариумистов-разводчиков это означает не что иное, как нестабильность заданных параметров воды и объяснение одной из причин возможных неудач.

Эксперимент 2

Другой пример, который будет интересен любителям растений связан с добавлением в воду такого важного элемента, как марганца. Для простоты эксперимента я добавлял в воду обычную марганцовку - перманганат калия, а процессы рассматривал с точки зрения изменения окислительно-восстановительного потенциала RH. Измерения проводил и использованием специальных платиновых электродов (тоже предварительно проверенных) на которых, как известно возникает  потенциал водорода, подлежащий измерению и последующему анализу.  Как и в предыдущем случае вливал в воду аквариума раствор перманганата и перемешал. В течение нескольких секунд окислительно-восстановительный потенциал воды резко возрос (напомню,что в предыдущем эксперименте величина рН уменьшилась), а затем стал быстро в течение примерно получаса возвращаться к исходному уровню. Однако причина в данном случае явно другая - перманганат стал окислять имеющуюся в воде органику, что привело к снижению RH. Хочу отметить, что и в том и в другом случае для наглядности данные фиксировались самописцем (Хьюлет-Паккард), а сам характер записей был зеркальным отображением друг-друга. Образно выражаясь, добавляя реагенты, мы подвергали воду в системе импульсному воздействию и получили характерную ответную реакцию.

Давайте усложним вопрос и в качестве примера рассмотрим и проанализируем ещё один простейший случай, когда я писал о содержании водяных черепах.

Здесь все проблемы прежде всего сводятся к тому, чтобы избежать чрезмерного и быстрого загрязнения биологического фильтра. Рекомендация предельно проста - понаблюдайте за черепахами и определите, через какое время после кормления она испражняется и подхватите фекалии сачком, чтобы не перегружать фильтр. В моих книгах вы найдёте простейшую схематичную картинку о чередовании процессов нитрификации (см фото ниже),

а теперь давайте оценим с точки зрения математического анализа процесс выделения фекалий, как единичный импульс.

Вот черепашка (рыбка, креветка или пускай даже бегемот) покакали. Это означает, что в воду аквариума, а затем в систему фильтрации в определённый момент времени попало конечное количество материала, который будут перерабатывать автотрофные и нитрифицирующие гетеротрофные бактерии. Процессы это, как видно из графиков явно нелинейные, но не трудно их линеаризовать, то есть применить кусочно-линейную аппроксимацию для того, чтобы можно было применить интеграл Дюамеля с последующей суперпозицией. Кстати, для примера я выбрал далеко не новый метод для анализа - знаменитый французский математик Жан Мари Констан Дюамель родился ещё в 1797 году.

Возвращаясь к анализу, входной сигнал системы описывается некоторой функцией , где  независимая переменная, реакция системы на этот сигнал выражается формулой

где

В случае, если входной сигнал составной и функция  испытывает разрывы (например, в моменты времени  , ), то вышеуказанная формула справедлива только на интервале [0, ]:

Отклик на остальных интервалах вычисляется по формулам, вытекающих из принципа суперпозиции:

Это, дорогие друзья аквариумисты только самое, самое начало того, чтобы попытаться описать, что происходит с химическим составом воды, то есть реакцию системы на единичный акт дефекации Вашей рыбки, черепашки или, чтобы по всем параметрам было более очевидно, для бегемота. А что будет если сразу 3 бегемота (черепашки, рыбки, креветки или улитки и пр.) испортят воду?   Желающих продолжить ознакомление с анализом реакции системы на импульс отсылаю на сайт - exponenta.ru›soft/mathemat/dyakonov/nb2/nb2.asp

   

Ну вот настало время ещё более усложнить задачу, приблизив её к реальным условиям и, соответственно к аквариуму (или бассейну). Известно, например, что под водой бегемотов и крупных черепах окружают рыбы-копрофаги, которые питаются и их испражнениями. Это описано для некоторых популярных цихлид - тиляпий. Они буквально заглядывают бегемоту под хвост и нежно пощипывают его там в ожидании "лакомства". Но вот момент настаёт и часть того, что успел выделить бегемот перепадает тиляпиям. Это тоже можно рассматривать, как импульс но со знаком минус. Через день-другой рыбы всё это переварят и, в свою очередь, выделят в систему аквариума. Но уже в другом виде и количестве, так как часть "корма" уйдет на их энергетические затраты и построение тела. Скажете слишком далеко от любительского аквариума, тогда уменьшим формы - пускай, например, испражнения молоди рыб подъедают улитки-ампулярии о которых я писал в книгах по разведению рыб и выращиванию молоди в поликультуре. С точки же зрения математического описания процессы одни и те же. Другими словами, внутри биологического фильтра аквариума наступает неравновесный период каждый раз когда с животными обитающими в нём что-либо происходит и с точки зрения процессов это только, как говорят, самая верхушка айсберга. В заключение скажу, что почти никто в мире серьёзно процессами происходящими в аквариальных системах не занимается, а разговоры, которые мы слышим  и видим "о научном подходе" ничто иное, как маркетинговый ход для увеличения продаж тех или иных товаров - не более.