La trazione di coesione-tensione

Una foglia di sequoia a 100 m di altezza ha bisogno dell’acqua che è partita dal suolo. Come ci arriva l’acqua? In un albero non c’è nessun cuore e non c’è nessuna pompa. La risposta, proposta dagli scienziati irlandesi Henry Dixon e John Joly nel 1894, è la teoria della coesione-tensione: l’acqua viene tirata dall’alto, non spinta dal basso.

Ecco la sequenza degli eventi:

• Evaporazione. All’interno di una foglia, l’acqua evapora dalle pareti umide delle cellule e passa nei minuscoli spazi d’aria, poi esce attraverso gli stomi (nella prossima lezione). L’energia per questa evaporazione proviene dal Sole, non dal metabolismo dell’albero.
• Tensione. Quando l’acqua esce, quella rimasta sulle pareti cellulari forma minuscole superfici curve (menischi) nei pori larghi solo una frazione di micrometro. La tensione superficiale fa sì che queste superfici curve tirino l’acqua dietro di loro, quindi l’acqua si trova sotto pressione negativa, chiamata tensione.
• Coesione e adesione. Le molecole d’acqua aderiscono le une alle altre (coesione, grazie ai legami a idrogeno) e alle pareti di cellulosa dei tubi dello xilema (adesione). In questo modo la trazione si trasmette verso il basso, attraverso colonne continue e ininterrotte d’acqua, fino alle radici.
• Assorbimento. L’acqua entra dalle radici per sostituire quella che è stata tirata fuori.

I numeri mostrano perché questo è l’unico meccanismo che può funzionare per un albero alto.

Pressione idrostatica. Per tenere una colonna d’acqua sollevata contro la gravità serve una differenza di pressione ΔP = ρ g h. Con ρ = 1.000 kg/m³ e g = 9,81 m/s², servono circa 0,098 MPa ogni 10 m di altezza (1 MPa = 1.000.000 Pa, circa dieci volte la pressione atmosferica).

• 10 m d’acqua: 0,098 MPa.
• 30 m: circa 0,29 MPa.
• 100 m: circa 0,98 MPa, solo per equilibrare la gravità.

L’acqua deve anche scorrere attraverso gli stretti tubi dello xilema, e questo attrito richiede una trazione di circa la stessa intensità. Le misurazioni effettuate alla sommità di sequoie molto alte hanno rilevato potenziali idrici fogliari a metà giornata di circa −1,5 to −2 MPa, in accordo con questo modello.

La capillarità (l’acqua che risale in un tubo sottile) è troppo debole. L’altezza è h = 2γ cosθ ÷ (ρ g r). Con una tensione superficiale γ = 0,072 N/m, un angolo di contatto di 0° e un raggio del tubo dello xilema r = 20 µm, h = 2 × 0,072 ÷ (1.000 × 9,81 × 0,00002) ≈ 0,7 m.

La pressione radicale (le radici pompano attivamente gli ioni all'interno, così l'acqua le segue per osmosi) è in genere solo di circa 0,1 to 0,2 MPa. In teoria potrebbe sostenere circa 10 to 20 m d'acqua e, in molti alberi, in estate è ancora più bassa o assente. Spiega le gocce di linfa sui bordi delle foglie in una mattina tranquilla e umida, non l'acqua in cima a una sequoia.

Perché la colonna d'acqua non si spezza? L'acqua in un tubo sottile, pulito e chiuso rimane ben coesa, quindi può sopportare una forte trazione. Questo stato è metastabile: rimane stabile finché qualcosa non lo rompe. Se in un tubo si forma e si espande una bolla di gas (cavitazione, l'argomento della lezione 4), quel tubo smette di trasportare acqua. Un albero ha milioni di tubi in parallelo, quindi il guasto di uno o di alcuni tubi non interrompe il flusso.

Un confronto utile è una pompa aspirante o una cannuccia. Riducono la pressione in cima alla colonna, così l'atmosfera spinge l'acqua verso l'alto dal basso. L'atmosfera può equilibrare al massimo circa 10 m d'acqua (0,101 MPa). Un albero supera i 10 m perché l'acqua non viene spinta verso l'alto dall'aria: viene tirata dalla coesione dall'alto e la pressione nello xilema scende sotto lo zero.