Utilizzo di una termocamera per misurare la perdita di calore attraverso i cappotti di piume di uccello

Riepilogo

Questo protocollo descrive la quantificazione della trasmissione del calore attraverso un campione aviario dalla pelle piatta utilizzando una telecamera termica e un bagno di acqua calda. Il metodo consente di ottenere dati quantitativi e comparativi sulle prestazioni termiche dei cappotti di piume tra le specie utilizzando campioni di pelle piatta essiccati.

Abstract

Le piume sono essenziali per l'isolamento, e quindi per il costo della termoregolazione, negli uccelli. Esiste una solida letteratura sul costo energetico della termoregolazione negli uccelli in una varietà di circostanze ecologiche. Tuttavia, pochi studi caratterizzano il contributo delle sole piume alla termoregolazione. Diversi studi precedenti hanno stabilito metodi per misurare il valore di isolamento delle pelli di animali, ma richiedono metodi di campionamento distruttivi che sono problematici per gli uccelli, le cui piume non sono distribuite uniformemente sulla pelle. Sono necessarie ulteriori informazioni su 1) come il contributo delle piume alla termoregolazione varia sia tra le specie che all'interno delle specie e 2) su come i cappotti di piume possono cambiare nello spazio e nel tempo. Qui è riportato un metodo per misurare rapidamente e direttamente le prestazioni termiche dei cappotti di piume e della pelle utilizzando campioni di pelle intera essiccati, senza la necessità di distruggere il campione di pelle. Questo metodo isola e misura il gradiente termico attraverso un mantello di piume in un modo che le misurazioni della perdita di calore e del costo metabolico negli uccelli vivi, che utilizzano strategie comportamentali e fisiologiche per termoregolarsi, non possono. Il metodo utilizza una telecamera termica, che consente la rapida raccolta di dati termici quantitativi per misurare la perdita di calore da una fonte stabile attraverso la pelle. Questo protocollo può essere facilmente applicato a varie domande di ricerca, è applicabile a qualsiasi taxa aviario e non richiede la distruzione del campione di pelle. Infine, favorirà la comprensione dell'importanza della termoregolazione passiva negli uccelli semplificando e accelerando la raccolta di dati quantitativi.

Introduzione

Le piume sono la caratteristica distintiva degli uccelli e svolgono molte funzioni, tra cui la più cruciale è l'isolamento¹. Gli uccelli hanno le temperature medie più alte di qualsiasi gruppo di vertebrati e le piume che li isolano dai cambiamenti di temperatura ambientale sono una parte vitale del bilancio energetico, specialmente in ambienti freddi². Nonostante l'importanza delle piume, la maggior parte della letteratura sui cambiamenti nelle condizioni termiche negli uccelli si è concentrata sullerisposte metaboliche alla variazione di temperatura piuttosto che sulla funzione delle piume come isolamento^{3,4,5,6,7,8,9,10} (per ulteriori dettagli, fare riferimento a Ward et al.) ^11,12,13. Tuttavia, le piume stesse possono variare nel tempo, negli individui e nelle specie.

Il metodo qui presentato è utile per quantificare il valore termico complessivo del solo piumino. Rimuove i fattori confondenti negli uccelli vivi, come la termoregolazione comportamentale¹ e quantità variabili di grasso isolante. Una misurazione più diffusa delle prestazioni termiche dei cappotti di piume è necessaria per migliorare la comprensione di come le piume contribuiscono all'isolamento e di come questo varia tra e all'interno delle specie durante la storia della vita di un uccello e il ciclo annuale.

Le piume isolano gli uccelli intrappolando l'aria sia tra la pelle e le piume che all'interno delle piume e creano una barriera fisica alla perdita di calore¹⁴. Le piume sono costituite da un albero di piume centrale, chiamato rachide, con proiezioni chiamate barbe¹⁴. I barbuli sono piccole proiezioni secondarie su barbe che si incastrano con barbe adiacenti insieme per "chiudere" la piuma e darle struttura. Inoltre, le piume in piuma mancano di un rachide centrale e hanno pochi barbuli, formando quindi una massa sciolta e isolante di barbe sulla pelle¹⁴. I cappotti di piume variano tra le specie^15,16,all'interno delle specie^17,18e all'interno di individui comparabili^{2,19,20,21,22,23,24.} Tuttavia, ci sono poche informazioni quantitative su come le variazioni nel numero di piume, l'abbondanza relativa di diversi tipi di piume su un uccello o i cambiamenti nel numero di barbe / barbule influenzano le prestazioni termiche complessive di un mantello di piume. Studi precedenti si sono concentrati sulla determinazione di un singolo valore medio di isolamento e conducibilità termica per una data specie^11,12,13.

Il mantello di piume è noto per variare tra le specie. Ad esempio, la maggior parte degli uccelli ha aree distinte di pelle da cui le piume crescono, o meno, chiamate pterile e apteria, rispettivamente¹⁴. Il posizionamento delle pterile (a volte chiamate "tratti di piume") varia tra le specie e ha un certo valore come carattere tassonomico¹⁴. Tuttavia, alcuni uccelli (cioè ratiti e pinguini) hanno perso questa pterilosi e hanno una distribuzione uniforme di piume in tutto il corpo¹⁴. Inoltre, specie diverse, in particolare quelle che abitano ambienti diversi, hanno proporzioni diverse di tipi di piume¹⁵. Ad esempio, gli uccelli che abitano climi più freddi hanno più piume¹⁵ e piume di contorno con una porzione plumulacea più grande¹⁶ rispetto alle specie che abitano ambienti più caldi.

La microstruttura di alcuni tipi di piume può anche avere un effetto sull'isolamento tra le specie^25,26. Lei et al. hanno confrontato la microstruttura delle piume di contorno di molti passeriformi cinesi e hanno scoperto che le specie che abitano ambienti più freddi hanno una percentuale maggiore di barbe plumulacee in ogni piuma di contorno, barbuli più lunghi, densità di nodi più elevata e nodi più grandi rispetto alle specie che abitano ambienti più caldi²⁵. D'alba et al. hanno confrontato la microstruttura delle piume di edredoni comuni (Somateria mollissima) e oche graylag (Anser anser) e hanno descritto come queste differenze influenzino sia la capacità coesiva delle piume che la capacità delle piume di intrappolare l'aria²⁶. I dati comparativi quantitativi su come queste variazioni nelle piume influenzano le prestazioni termiche complessive del mantello di piume tra le specie sono limitati (per maggiori dettagli, fare riferimento a Taylor e Ward et al.) ^11,13.

All'interno di una specie, le prestazioni termiche del piumino possono variare. Alcune specie, come il parrocchetto monaco (Myiopsitta monachus)¹⁷, abitano areale geografiche molto ampie e diversificate. I diversi stress termici posti da questi diversi ambienti possono influenzare i mantelli di piume degli uccelli all'interno di una specie a livello regionale, ma attualmente non ci sono dati disponibili su questo argomento. Inoltre, Broggi et al. hanno confrontato due popolazioni di cinciallegre (Parus major L.) nell'emisfero settentrionale. Hanno dimostrato che le piume di contorno della popolazione più settentrionale erano più dense ma più corte e meno proporzionalmente plumulacee di quelle della popolazione più meridionale. Tuttavia, queste differenze sono scomparse quando gli uccelli di entrambe le popolazioni sono stati allevati nello stesso luogo¹⁸.

Inoltre, Broggi et al. hanno spiegato questi risultati come una risposta plastica a diverse condizioni termiche, ma non hanno misurato i valori di isolamento di questi diversi cappotti di piume¹⁸. I risultati suggeriscono anche che la densità delle piume di contorno è più importante per l'isolamento rispetto alla proporzione di barbe plumulacee nelle piume di contorno, ma Broggi et al. hanno suggerito che le popolazioni settentrionali potrebbero non essere in grado di produrre piume ottimali a causa della mancanza di nutrienti adeguati¹⁸. Misurazioni quantitative delle prestazioni termiche complessive di questi cappotti di piume favorirebbero la comprensione del significato delle differenze di piumaggio.

Nel corso del tempo, i cappotti di piume dei singoli uccelli variano. Almeno una volta all'anno, tutti gli uccelli muta (sostituire tutte le loro piume)¹⁹. Con il passare dell'anno, le piume si consumano^2,20 e meno numerose^18,21,22,23. Alcuni uccelli muta più di una volta all'anno, dando loro più cappotti di piume distinti ogni anno¹⁹. Middleton ha dimostrato che i cardellini americani (Spinus tristis), che muta due volte l'anno, hanno un numero maggiore di piume e una percentuale maggiore di piume lamentose nel loro piumaggio di base nei mesi invernali rispetto al loro piumaggio alternato durante i mesi^{estivi 24}. Queste differenze annuali nel mantello di piume possono consentire agli uccelli di conservare più calore durante i periodi più freddi passivamente o di perdere più calore passivamente durante le stagioni calde, ma nessuno studio lo ha testato in modo conclusivo.

Sebbene gli uccelli termoregolano comportamentalmente^1,27 e possano acclimatarsi metabolicamente a diverse condizioni termiche^{3,4,5,6,7,8,9,10,26}, le piume svolgono un ruolo importante nella termoregolazione fornendo uno strato costante di isolamento. Il metodo qui descritto è progettato per rispondere a domande sul solo mantello di piume e sul suo ruolo nella termoregolazione passiva (cioè, quanto calore trattiene un uccello vivente senza modificare il suo comportamento o metabolismo?) isolando le piume. Mentre la termoregolazione attiva e fisiologica è ecologicamente importante, è anche importante capire come le piume da sole aiutano nell'isolamento e come influenzano la necessità di una termoregolazione comportamentale e fisiologica attiva.

Studi precedenti hanno stabilito metodi per quantificare la conduttività termica e l'isolamento termico delle pelli animali^{11, 12,13,28.} Il metodo qui presentato è un'estensione del metodo "piastra calda custodita"^11,12,13,28. Tuttavia, il metodo qui descritto misura la temperatura al confine esterno del mantello di piume utilizzando una termocamera, piuttosto che termocoppie. Il metodo della piastra calda protetta fornisce stime molto precise del flusso di energia attraverso una pelle, ma richiede la costruzione di una piastra calda multi-materiale, una certa familiarità con l'uso di termocoppie e termopale e l'uso distruttivo di una pelle che deve essere tagliata in piccoli pezzi. Questi pezzi vengono quindi ingrassati per eliminare l'aria tra il campione e l'apparato a piastra calda. Con l'eccezione dei pochi uccelli che mancano di apteria (ad esempio, pinguini), tagliare piccoli quadrati dalle pelli di uccello è problematico per scopi comparativi, poiché la posizione del taglio ha grandi effetti sul numero di piume effettivamente attaccate (e sovrasocie) alla pelle. Questo problema è esacerbato dalla variazione tra i taxa in presenza, dimensione e posizionamento di ptyerlae¹⁴.

Inoltre, mentre gli esemplari museali possono essere una risorsa potenzialmente ricca per valutare la variazione dell'isolamento tra gli uccelli, in generale, il permesso di tagliare e ungere campioni di pelle nelle collezioni scientifiche è irraggiungibile. Inoltre, gli esemplari prelevati dall'ambiente naturale per misurazioni di piastre calde custodite non possono essere successivamente utilizzati come campioni museali. Il metodo qui presentato differisce dal metodo della piastra calda custodita in quanto può essere utilizzato con pelli di uccelli intere essiccate, senza 1) richiedere la distruzione del campione e 2) ungere la parte inferiore della pelle. Utilizza telecamere termiche, che sono sempre più convenienti (anche se ancora relativamente costose), precise e utilizzate per le misurazioni di relazioni termiche di uccelli vivi.

Questo metodo non misura il flusso di energia (e quindi la conduttività termica o il valore di isolamento) attraverso la pelle e le piume direttamente come fa il metodo della piastra calda protetta. Invece, misura la temperatura al confine esterno di un cappotto di piume usando una telecamera termica. I valori risultanti rappresentano una misura integrata del calore perso passivamente attraverso la pelle, le piume e l'aria intrappolata tra di loro (rispetto a una fonte di calore sottostante). I campioni preparati come pelli piatte e misurati utilizzando la tecnica descritta possono essere conservati in collezioni e fornire indefinitamente valore per la ricerca futura. Questo metodo fornisce un modo standardizzato, comparabile e relativamente semplice per misurare le prestazioni termiche del mantello di piuma in qualsiasi campione dalla pelle piatta, che è particolarmente utile nei confronti inter- e intra-specifici.

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Protocollo

Questo lavoro non ha comportato alcun lavoro con animali vivi ed è stato quindi esentato dalla revisione della cura degli animali.

1. Allestimento e materiali (Figura 1)

1. Se le pelli piatte della specie di interesse non sono disponibili, utilizzare il protocollo²⁹ di Spaw per creare pelli da esemplari freschi o congelati. Preen piume in una posizione ordinata, naturale e asciutta per ottenere un peso costante prima di procedere con le misurazioni.
2. Impostare un bagno di acqua calda a temperatura costante.
   NOTA: Questo set-up è piuttosto alto, quindi è più facile posizionare il bagno di acqua calda sul pavimento.
3. Posizionare un foglio di vetro acrilico trasparente(Tabella dei materiali)sulla superficie del bagno di acqua calda a temperatura costante. Il vetro consente la trasmissione del calore alla parte inferiore della pelle senza bagnare il campione.
   NOTA: Questo studio pilota ha utilizzato una lastra di vetro acrilico (0,125 di spessore). Lo spessore del vetro non influenzerà l'emissività³⁰ del materiale (sarà sempre 0,86), ma influenzerà la temperatura assoluta sulla superficie del vetro (cioè, il vetro più spesso si tradurrà in una temperatura più bassa). Pertanto, tutte le misurazioni devono essere prese utilizzando una lastra di vetro acrilico dello stesso spessore.
4. Posizionare un pezzo di cartone di schiuma (1 di spessore) con un foro circolare (0,5 di diametro) sul vetro acrilico.
   NOTA: La dimensione dell'uccello dovrebbe guidare la dimensione del foro e quindi la dimensione della piuma ininterrotta che riceve calore dalla fonte. Qui, viene utilizzato un foro di 0,5 di diametro, perché questa dimensione è abbastanza grande da ottenere una sufficiente trasmissione del calore al campione pur essendo abbastanza piccola da centrare il calore sotto i tratti di piume del seno (di tutti gli uccelli ad eccezione di quelli più piccoli). Indipendentemente dalle dimensioni dell'apertura termica, per ottenere un valore comparabile e replicabile per ogni uccello, assicurarsi di eseguire misurazioni con fori della stessa dimensione.
5. Collegare una termocamera a un treppiede direttamente sopra la configurazione alla distanza minima di messa a fuoco della telecamera.
   NOTA: qui viene utilizzata una termocamera FLIR SC655 (risoluzione 680 px x 480 px, ±2 °C o ±2% di precisione di lettura, distanza minima di messa a fuoco di 40 cm). Altre fotocamere possono differire in grado di risoluzione.
6. Calibrare la telecamera inserendo quanto segue nel software della termocamera:
   1. Trova la temperatura riflessa posizionando un foglio di alluminio (lato lucido rivolto verso l'alto) sopra la schiuma con il valore di emissività impostato su 1,0 nel software di calibrazione della fotocamera. Scatta un'immagine termica. La temperatura sulla superficie del foglio di alluminio è la temperatura riflessa, che dovrebbe essere simile alla temperatura ambiente della stanza.
   2. Impostare il valore di emissività³¹ su 0,95.
      NOTA: 1) L'emissività è la quantità relativa di calore che un oggetto emette³² e varia da 0 a 1. Un oggetto con un alto valore di emissività emette una grande quantità di calore, mentre un oggetto con un basso valore di emissività irradia poco calore³². Questo valore rappresenta l'emissività delle piume. 2) Questo valore (0,95) è contestato. Cossins e Bowler hanno affermato che le piume hanno un valore di emissività compreso tra 0,90-0,95, ma non hanno incluso alcuna prova^31. Hammel ha riportato un valore di 0,98, ma ha ottenuto questo valore da un campione congelato, quindi potrebbe non essere accurato³³. Nonostante la mancanza di prove, l'emissività di 0,95 è il valore più spesso utilizzato nella letteratura delle termocamere (come evidenziato da Cossins e Bowler³¹).
   3. Assicurarsi che la temperatura ambiente e l'umidità nella stanza siano costanti. Questi valori devono essere misurati prima di ogni misurazione e aggiornati nel software di calibrazione della telecamera. La temperatura e l'umidità di tutte le stanze interne fluttueranno leggermente, quindi registrare questi valori e aggiornarli nel software riduce l'errore di misurazione.
      NOTA: qui viene utilizzato il software FLIR ResearchIR Max. Questo software non salva i dati per tutte le immagini, quindi è fondamentale registrare tutti questi valori per ogni immagine.

2. Esecuzione delle misurazioni

1. Impostare il bagno di acqua calda a temperatura costante su una temperatura target (40 °C è un proxy per la temperatura interna media interna della maggior parte degli uccelli passeriformi)³⁴.
   NOTA: Se si lavora con una specie la cui temperatura interna a riposo è più alta (ad esempio, colibrì³⁴) o inferiore (ad esempio, pinguini³⁴ o^{ratiti 34,35}), può essere opportuno regolare il bagno di acqua calda di conseguenza. La Figura 3 mostra la relazione tra la temperatura del bagno di acqua calda e la temperatura sulla superficie del vetro acrilico (ad esempio, la temperatura effettiva della fonte di calore a cui è esposta la pelle piatta).
   1. I risultati ottenuti da questo protocollo (vedi Figura 5) suggeriscono che ottenere misurazioni su un intervallo di temperature è anche informativo sulle differenze di prestazioni termiche. Per fare ciò, seguire il protocollo utilizzando incrementi di 5 °C da 30-55 °C.
2. Nel software della termocamera, disegnare un cerchio/ellisse sopra il foro nella schiuma in cui fuoriesce il calore. Ciò consente di visualizzare quest'area quando si posiziona la pelle sulla schiuma per garantire che venga misurata l'area corretta sulla pelle piatta.
3. Posizionare il campione di pelle piatta sulla schiuma con l'area di interesse sopra il foro.
   NOTA: Qui, viene misurata la regione del ventre di ciascun uccello, perché non è ostruita da altre parti del corpo come l'ala ed è posizionata abbastanza centralmente da non essere soggetta a effetti di bordo. Il posizionamento della pelle sopra il foro di calore varierà a seconda della domanda sperimentale. In generale, si consiglia il posizionamento direttamente su un tratto di piume e il più lontano possibile dal bordo della pelle. Assicurati di non appiattire o disordinare le piume quando si posiziona la pelle. Se necessario, preen loro in una posizione naturale una volta che la pelle è posizionata.
4. Attendere 15 minuti per consentire alla pelle di acclimatarsi alla fonte di calore. Se le misurazioni vengono effettuate troppo presto, il valore della temperatura sulla superficie del mantello di piume sarà troppo basso. Qui, la trasmissione della temperatura attraverso la pelle e le piume si è stabilizzata a 15 minuti, quindi aspettare più di 15 minuti non produrrà un risultato artificialmente alto.
5. Scattare un'immagine termica della pelle piatta.
   1. Impostare il valore di emissività³¹ su 0,95 prima di scattare l'immagine termica.
6. Rimuovere la pelle dalla schiuma e scattare immediatamente un'immagine termica del set-up senza la pelle piatta sulla schiuma. Questo quantifica la temperatura sulla superficie del vetro acrilico e calibra l'area della fonte di calore con l'area di misurazione sulla pelle piatta.
   1. Qui, l'emissività del vetro acrilico utilizzato³⁰ è 0,86. Assicurati di registrarlo nel software della termocamera prima di scattare la foto senza la pelle.
      NOTA: La temperatura visualizzata dal bagno di acqua calda non è necessariamente la temperatura sulla superficie del vetro acrilico (Figura 3), poiché la sua conduttanza termica non è perfetta. L'uso della temperatura del vetro riduce gli errori nella stima di quanto sia calda la parte inferiore della pelle, ed è quindi una stima combinata di quanto calore viene perso attraverso la pelle e le piume.
7. Rimettere la pelle sulla schiuma nella stessa posizione. Ripetere i passaggi 2.5–2.6 per un totale di cinque prove.
   1. Per posizionare correttamente la pelle del campione, toccare delicatamente le piume nell'area di misurazione target con un polpastrello, quindi rimuovere il dito e visualizzare l'immagine termica. Il calore residuo del dito rimarrà brevemente visibile sull'immagine termica. Verificare che l'area di campionamento si trova all'interno del cerchio visibile disegnato nel software, che rappresenta l'area di calore irradiata attraverso la pelle dal bagno di acqua calda. In caso contrario, spostare la pelle fino a quando non lo è. Questo processo è illustrato nella Figura 2.
      NOTA: Mentre le pelli fresche (quando disponibili) possono rappresentare più da vicino le prestazioni termiche naturali della pelle in un uccello vivente, l'uso di pelli secche per queste misurazioni consente risultati comparabili e ripetibili su un pool molto più ampio di campioni. Pertanto, tutte le misurazioni devono essere effettuate utilizzando pelli essiccate a peso costante o sia sulla pelle fresca che su quella secca dei campioni.

3. Raccolta di dati da immagini termiche

1. Ogni misurazione è costituita da due immagini termiche: una della pelle piatta e una del vetro acrilico. Innanzitutto, apri l'immagine del vetro acrilico. Allineare il cerchio disegnato nel software con il foro nella schiuma visibile nell'immagine. Registrare il valore della temperatura al centro del cerchio.
   NOTA: Per maggiori dettagli sull'estrazione di dati da immagini termiche, vedere Senior et al.³⁶.
   1. Assicurarsi di calibrare la fotocamera con i valori corretti. Impostare l'emissività^{da 30} a 0,86 e impostare la temperatura ambiente e l'umidità in modo che corrispondano alle condizioni attuali in laboratorio, prima di registrare il valore della temperatura.
2. Aprire l'immagine termica della pelle piatta. Senza spostare il cerchio, registrare il valore della temperatura al centro del cerchio.
   NOTA: poiché il cerchio non è registrato nell'immagine, è importante calibrare il posizionamento del cerchio con l'immagine del vetro acrilico scattata nella sezione 2.6.
   1. Assicurarsi di calibrare la fotocamera con i valori corretti. Impostare l'emissività^{da 31} a 0,95 e assicurarsi di impostare la temperatura ambiente e l'umidità in funzione delle condizioni correnti in laboratorio, prima di registrare il valore della temperatura.
3. Ripetere i passaggi 3.1–3.2 per tutte le misurazioni di tutti i campioni.

4. Calcolo delle prestazioni termiche

1. Sottrarre la temperatura della superficie del rivestimento di piume dalla temperatura del vetro acrilico. Questo valore rappresenta il calore trattenuto dal mantello di piume.

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Risultati

I risultati rappresentativi di una serie di un individuo di ciascuna delle cinque specie, misurati a sei temperature, sono presentati nella Figura 4 e nella Figura 5. Questi mostrano che piccole variazioni nel posizionamento della pelle possono comportare variazioni nelle letture fino a 1,7 °C. La Figura 4 mostra come la formazione di un investigatore aumenta la ripetibilità delle misurazioni. Ad esempio, lo stesso passero domesti...

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Discussione

Questo documento fornisce un protocollo per misurazioni termografiche ripetibili e standardizzate di campioni di pelle piatta aviaria. Questo metodo consente di confrontare le prestazioni termiche del mantello di piume tra specie, all'interno di specie, tra individui comparabili e in diverse posizioni sui corpi degli individui, il tutto senza distruzione del campione.

La disponibilità di materiali e attrezzature necessari può essere una limitazione di questo metodo. Sebbene le telecamere ter...

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Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
Aluminum Foil	Reynolds Wrap	109000831	30 square ft.; this exact model need not be used.
Foam Core Board	Foamular	20WE	1 in. x 4 ft. x 8 ft; this exact model need no be used.
General Purpose Water Bath	PolyScience	WB02	Ambiet +5 °C to 100 °C; ±.01 °C
PDF Data logger	Elitech	RC-51H	Built in temperature and humidity sensor
Plexiglass	AdirOffice	1212-3-C	Acrylic glass; 12 in. x 12 in. x 1/8 in.; this exact model need not be used.
Thermal Image Analysis Software	FLIR	ResearchIR Max v4.40.7.26 (64-bit)	Allows collection of precise, quantitative thermal data
Thermal Imaging Camera	FLIR	SC655	680x480-pixel resolution, ±2 °C or ±2% accuracy, 40 cm minimum focusing distance
Tripod	The Audubon Shop	The Birder Tripod with Manfrotto 700RC2 Rapid Release Head	65" maximum height; this exact model need not be used.