Tarikan kohesi-tegangan

Daun redwood pada tinggi 100 m memerlukan air yang bermula dari tanih. Bagaimanakah air itu sampai ke sana? Pokok tidak mempunyai jantung dan tiada pam. Jawapannya, yang dicadangkan oleh saintis Ireland Henry Dixon dan John Joly pada tahun 1894, ialah teori kohesi-tegangan: air ditarik dari atas, bukan ditolak dari bawah.

Inilah rangkaian peristiwanya:

• Penyejatan. Di dalam daun, air menyejat dari dinding sel yang basah ke ruang udara kecil dan keluar melalui stoma (dalam pelajaran seterusnya). Tenaga untuk penyejatan ini datang daripada Matahari, bukan daripada metabolisme pokok itu sendiri.
• Tegangan. Apabila air keluar, air yang tinggal di dalam dinding sel membentuk permukaan melengkung kecil (meniskus) dalam liang yang lebarnya hanya sebahagian daripada mikrometer. Tegangan permukaan menyebabkan permukaan melengkung ini menarik air di belakangnya, jadi air berada di bawah tekanan negatif, yang dipanggil tegangan.
• Kohesi dan lekatan. Molekul air melekat antara satu sama lain (kohesi, melalui ikatan hidrogen) dan pada dinding selulosa tiub xilem (lekatan). Jadi tarikan itu diteruskan ke bawah, melalui turus air yang malar dan tidak terputus, hingga ke akar.
• Pengambilan. Air masuk melalui akar untuk menggantikan air yang telah ditarik keluar.

Nombor-nombor ini menunjukkan sebab mekanisme inilah satu-satunya yang boleh berfungsi untuk pokok yang tinggi.

Tekanan hidrostatik. Menahan turus air supaya tidak jatuh akibat graviti memerlukan perbezaan tekanan ΔP = ρ g h. Dengan ρ = 1,000 kg/m³ dan g = 9.81 m/s², nilainya kira-kira 0.098 MPa bagi setiap 10 m tinggi (1 MPa = 1,000,000 Pa, kira-kira sepuluh kali tekanan atmosfera).

• 10 m air: 0.098 MPa.
• 30 m: kira-kira 0.29 MPa.
• 100 m: kira-kira 0.98 MPa, hanya untuk mengimbangi graviti.

Air juga perlu mengalir melalui tiub xilem yang sempit, dan geseran itu memerlukan tarikan yang lebih kurang sama besar. Pengukuran di bahagian atas redwood yang sangat tinggi mendapati keupayaan air daun pada tengah hari kira-kira −1.5 hingga −2 MPa, selaras dengan gambaran ini.

Kapilariti (air merayap naik dalam tiub nipis) terlalu lemah. Tingginya ialah h = 2γ cosθ ÷ (ρ g r). Dengan tegangan permukaan γ = 0.072 N/m, sudut sentuhan 0° dan jejari tiub xilem r = 20 µm, h = 2 × 0.072 ÷ (1,000 × 9.81 × 0.00002) ≈ 0.7 m.

Tekanan akar (akar mengepam ion masuk secara aktif, lalu air mengikutinya melalui osmosis) biasanya hanya sekitar 0.1 hingga 0.2 MPa. Secara prinsip, tekanan ini boleh menyokong kira-kira 10 hingga 20 m air, dan bagi banyak pokok, tekanannya lebih rendah atau tiada pada musim panas. Tekanan ini menerangkan titisan sap pada hujung daun pada pagi yang tenang dan lembap, bukan air di puncak pokok redwood.

Mengapa turus air tidak terputus? Air dalam tiub yang nipis, bersih dan tertutup kekal bersatu dengan baik, jadi air itu boleh menahan tarikan yang kuat. Keadaan ini ialah metastabil: ia kekal baik sehingga sesuatu memecahkannya. Jika gelembung gas terbentuk dan merebak dalam tiub (peronggaan, topik pelajaran 4), tiub itu tidak lagi membawa air. Pokok mempunyai berjuta-juta tiub yang tersusun selari, jadi kegagalan satu atau beberapa tiub tidak menghentikan aliran.

Perbandingan yang berguna ialah pam sedutan atau penyedut minuman. Kedua-duanya mengurangkan tekanan di bahagian atas turus supaya atmosfera menolak air ke atas dari bawah. Atmosfera boleh mengimbangi paling banyak kira-kira 10 m air (0.101 MPa). Pokok boleh melepasi 10 m kerana air bukan ditolak ke atas oleh udara, tetapi ditarik oleh kohesi dari atas, dan tekanan dalam xilem menjadi kurang daripada sifar.