قوة السحب الناتجة عن التماسك والشد

تحتاج ورقة شجرة الخشب الأحمر، على ارتفاع 100 m، إلى ماء بدأ في التربة. كيف يصل الماء إلى هناك؟ لا يوجد قلب ولا مضخة في الشجرة. الإجابة، التي اقترحها العالمان الأيرلنديان Henry Dixon وJohn Joly في عام 1894، هي نظرية التماسك والشد: الماء يُسحب من الأعلى، ولا يُدفَع من الأسفل.

إليك تسلسل الأحداث:

• التبخر. داخل الورقة، يتبخر الماء من الجدران الرطبة للخلايا إلى فراغات هوائية صغيرة، ويخرج عبر الثغور (في الدرس التالي). تأتي الطاقة اللازمة لهذا التبخر من الشمس، وليس من أيض الشجرة نفسها.
• الشد. عندما يغادر الماء، يشكّل الماء المتبقي في جدران الخلايا أسطحًا منحنية صغيرة (أغشية مقعّرة) في مسام لا يتجاوز عرضها جزءًا من الميكرومتر. يجعل التوتر السطحي هذه الأسطح المنحنية تسحب الماء الذي خلفها، لذلك يكون الماء تحت ضغط سالب يُسمى الشد.
• التماسك والالتصاق. تلتصق جزيئات الماء بعضها ببعض (التماسك، الناتج عن الروابط الهيدروجينية) وبجدران السليلوز لأنابيب الخشب (الالتصاق). لذلك تنتقل قوة السحب إلى الأسفل، عبر أعمدة مستمرة وغير منقطعة من الماء، وصولًا إلى الجذور.
• الامتصاص. يدخل الماء عند الجذور ليحل محل الماء الذي سُحب إلى الخارج.

توضح الأرقام سبب كون هذه الآلية هي الوحيدة التي يمكن أن تعمل في شجرة طويلة.

الضغط الهيدروستاتيكي. يتطلب إبقاء عمود من الماء مرفوعًا في مواجهة الجاذبية فرق ضغط ΔP = ρ g h. باستخدام ρ = 1,000 kg/m³ وg = 9.81 m/s²، يكون الفرق نحو 0.098 MPa لكل 10 m من الارتفاع (1 MPa = 1,000,000 Pa، أي نحو عشرة أضعاف الضغط الجوي).

• 10 m من الماء: 0.098 MPa.
• 30 m: نحو 0.29 MPa.
• 100 m: نحو 0.98 MPa، لمعادلة الجاذبية فقط.

ويجب أن يتدفق الماء أيضًا عبر أنابيب الخشب الضيقة، ويتطلب هذا الاحتكاك قوة سحب تعادل هذا المقدار تقريبًا مرة أخرى. وقد وجدت القياسات عند قمم أشجار الخشب الأحمر الطويلة جدًا أن جهود الماء في الأوراق وقت الظهيرة تبلغ نحو −1.5 إلى −2 MPa، وهو ما يتوافق مع هذه الصورة.

الخاصية الشعرية (تسلل الماء إلى أعلى أنبوب رفيع) ضعيفة جدًا. الارتفاع هو h = 2γ cosθ ÷ (ρ g r). ومع التوتر السطحي γ = 0.072 N/m، وزاوية تماس 0°، ونصف قطر أنبوب الخشب r = 20 µm، يكون h = 2 × 0.072 ÷ (1,000 × 9.81 × 0.00002) ≈ 0.7 m.

ضغط الجذور (تضخ الجذور الأيونات بنشاط، فيتبعها الماء بالتناضح) يبلغ عادةً نحو 0.1 إلى 0.2 MPa فقط. ويمكن لهذا الضغط من حيث المبدأ أن يدعم عمودًا من الماء ارتفاعه نحو 10 إلى 20 m، وفي كثير من الأشجار يكون أقل من ذلك أو غير موجود في الصيف. وهو يفسر قطرات العصارة على حواف الأوراق في صباح ساكن ورطب، لكنه لا يفسر وصول الماء إلى قمة شجرة السيكويا الحمراء.

لماذا لا ينقطع عمود الماء؟ يتماسك الماء جيدًا داخل أنبوب رفيع ونظيف ومغلق، لذلك يمكنه تحمّل سحب قوي. وتُسمى هذه الحالة شبه مستقرة: تظل مستقرة حتى يحدث ما يخلّ بها. فإذا تكونت فقاعة غاز وانتشرت داخل أنبوب (التجويف، وهو موضوع الدرس 4)، يتوقف ذلك الأنبوب عن نقل الماء. ولدى الشجرة ملايين الأنابيب المتوازية، لذلك لا يؤدي تعطل أنبوب واحد أو بضعة أنابيب إلى توقف التدفق.

ومن المفيد تشبيه ذلك بـ مضخة شفط أو شفاطة للشرب. فهما تخفضان الضغط عند أعلى العمود، لكي يدفع الغلاف الجوي الماء إلى أعلى من الأسفل. ويمكن للغلاف الجوي أن يوازن عمودًا من الماء ارتفاعه نحو 10 m (0.101 MPa) كحد أقصى. وتتجاوز الشجرة ارتفاع 10 m لأن الماء لا يدفعه الهواء إلى أعلى، بل يسحبه التماسك من الأعلى، ويصبح الضغط في الخشب أقل من الصفر.