The effect of an external transmitter on the drag coefficient of a bird’s body, and hence on migration range, and energy reserves after migration

Abstract

Externally mounted transmitters or loggers may adversely affect migration performance for reasons other than the effects of added mass. The added frontal area of a payload box increases drag, and if the box triggers separation of the boundary layer over the posterior body, the drag coefficient could also be increased, possibly by a large amount. Any such effects would lead directly to a decreased migration range and reduced energy reserves on completion of migration. We measured the body drag coefficients of Rose-coloured Starlings in the Seewiesen wind tunnel by the wingbeat-frequency method. The speed at which the wingbeat frequency passed through a minimum was taken to be an estimate of the minimum-power speed (V _mp), from which the body drag coefficient was calculated in turn. Dummy transmitter boxes were mounted on the bird’s back by attaching them with Velcro to a side-loop harness pad. The pad alone projected 6 mm above the bird’s back, and increased the drag coefficient by nearly 50%, as compared to the “clean” configuration with no harness. Adding boxes (square-ended or streamlined) produced no further significant increase in the drag coefficient, but the addition of a sloping antenna increased it to nearly twice the clean value. These increases are attributed to separation of the boundary layer over the posterior upper body, triggered by the payload. We then ran computer simulations of a particular Barnacle Goose, for which detailed information was available from an earlier satellite-tracking project, to see how its migration range and reserves on arrival would be affected if its transmitter installation also caused flow separation and affected the body drag coefficient in a similar way. By representing the range calculation in terms of energy height, we separated the effect of the transmitter’s mass, which reduces the fat fraction (and hence also energy height) at departure, from that of flow separation, which steepens the energy gradient. The effect of the mass is small, and increases only slightly with increasing distance, whereas a steeper energy gradient not only reduces the range but also reduces the reserves remaining on arrival, to an extent that increases with migration distance. Energy height is related to the fat fraction rather than the fat mass, and is therefore preferable to energy as such, for expressing reserves in birds of different sizes.

Zusammenfassung

Der Einfluss eines externen Transmitters auf den Widerstandsbeiwert eines Vogelkörpers und folglich auf Zugstrecke und Energiereserven am Ende des Zuges.

Extern angebrachte Sender oder Datenlogger könnten außer ihrem zusätzlichen Gewicht einen weiteren nachteiligen Effekt auf die Arbeitsleistung beim Vogelzug haben. Die durch eine Zuladung vergrößerte Stirnfläche erhöht den Luftwiderstand und der Widerstandsbeiwert könnte—möglicherweise um einen großen Betrag—ebenfalls ansteigen, wenn es durch die Zuladung zu einer Ablösung der Grenzschicht über dem Rumpf kommt. Jeder dieser Effekte könnte direkt zu einer Verringerung der Reichweite beim Vogelzug führen sowie zu reduzierten Energiereserven am Ende der Wanderung. Im Seewiesener Windkanal (Max-Planck-Institut für Ornithologie) ermittelten wir den Widerstandsbeiwert von Rosenstaren (Sturnus roseus) über die Flügelschlagfrequenz-Methode. Die Geschwindigkeit, bei der die Flügelschlagfrequenz ein Minimum durchlief, wurde als Abschätzung für die Minimum Power Speed (V _mp) herangezogen, aus der wiederum der Widerstandsbeiwert des Körpers berechnet wurde. Sender-Attrappen wurden am Rücken der Vögel angebracht, indem sie mit Klettband an einem rucksackähnlichen Geschirr befestigt wurden. Der ‘‘Rucksack’’ohne Zuladung ragte dabei 6 mm über den Vogelrücken hinaus und erhöhte den Widerstandsbeiwert um fast 50% im Vergleich zum Vogel ohne Geschirr. Die zusätzlich auf dem Geschirr angebrachten Sender-Attrappen (kantig oder stromlinienförmig) führten zu keiner weiteren Erhöhung des Widerstandsbeiwerts. Mit einer schräg nach hinten oben gerichteten Antenne jedoch stieg dieser Wert auf annähernd das Doppelte gegenüber dem Vogel ohne Zuladung und Geschirr. Die Erhöhungen des Widerstandsbeiwerts lassen sich auf die Ablösung der Grenzschicht über dem hinteren Rückenteil des Vogels durch die Manipulationen zurückführen. Im Anschluss führten wir Computersimulationen für eine ganz bestimmte Nonnengans (Branta leucopsis) durch, für die detaillierte Daten aus einem früheren Projekt (Standortverfolgung via Satellit) vorlagen, um zu sehen, wie ihre Reichweite und die Energiereserven bei der Ankunft im Zielgebiet beeinflusst worden wären, falls ihre Besenderung zu einer ähnlichen Ablösung der Grenzschicht am Rücken geführt und damit den Widerstandsbeiwert ihres Körpers verändert hatte. Bei der Darstellung der Reichweite in Abhängigkeit vom Energieaufwand unterschieden wir zwischen dem Einfluss der Masse des Senders, die beim Abflug zu einer Reduzierung des Fettanteils führt (und damit auch des Leistungsvermögens) und dem Effekt der Ablösung des Luftstroms vom Körper, die den Arbeitsaufwand steil ansteigen lässt. Der Einfluss der Masse ist gering und steigt bei zunehmender Entfernung nur leicht an, wohingegen der Anstieg des Arbeitsaufwands nicht nur die Reichweite verkürzt, sondern auch die verbleibenden Energiereserven bei der Ankunft verringert und bei weiteren Entfernungen immer größere Ausmaße annimmt. Um die Reserven von Vögeln unterschiedlicher Größe darzustellen, ist das Leistungsvermögen, das eher an den Fettanteil als an die Masse des Fetts gebunden ist, der Energie als solcher vorzuziehen.