Siła kohezji i napięcia.

Liść sekwoi znajdujący się 100 m nad ziemią potrzebuje wody, która zaczęła swoją drogę w glebie. Jak woda się tam dostaje? W drzewie nie ma serca ani pompy. Odpowiedzią jest teoria kohezji i napięcia, zaproponowana przez irlandzkich naukowców Henry’ego Dixona i Johna Joly’ego w 1894 roku: woda jest ciągnięta z góry, a nie wypychana z dołu.

Oto ciąg wydarzeń:

• Parowanie. W liściu woda paruje z wilgotnych ścian komórek do maleńkich przestrzeni powietrznych i wydostaje się przez aparaty szparkowe (w następnej lekcji). Energia potrzebna do tego parowania pochodzi ze Słońca, a nie z metabolizmu drzewa.
• Napięcie. Gdy woda opuszcza liść, pozostała woda w ścianach komórek tworzy maleńkie zakrzywione powierzchnie (meniski) w porach o szerokości zaledwie ułamka mikrometra. Napięcie powierzchniowe sprawia, że te zakrzywione powierzchnie ciągną znajdującą się za nimi wodę, więc woda znajduje się pod ciśnieniem ujemnym, zwanym napięciem.
• Kohezja i adhezja. Cząsteczki wody przylegają do siebie (kohezja, dzięki wiązaniom wodorowym) oraz do celulozowych ścianek rurek ksylemu (adhezja). Dzięki temu siła ciągnąca jest przekazywana w dół przez ciągłe, nieprzerwane słupy wody, aż do korzeni.
• Pobieranie. Woda wnika przez korzenie, aby uzupełnić tę, która została wyciągnięta.

Liczby pokazują, dlaczego jest to jedyny mechanizm, który może działać w przypadku wysokiego drzewa.

Ciśnienie hydrostatyczne. Utrzymanie kolumny wody w górę wbrew grawitacji wymaga różnicy ciśnień ΔP = ρ g h. Przy ρ = 1 000 kg/m³ i g = 9,81 m/s² daje to około 0,098 MPa na każde 10 m wysokości (1 MPa = 1 000 000 Pa, czyli w przybliżeniu dziesięć razy więcej niż ciśnienie atmosferyczne).

• 10 m wody: 0,098 MPa.
• 30 m: około 0,29 MPa.
• 100 m: około 0,98 MPa, tylko po to, by równoważyć grawitację.

Woda musi też przepływać przez wąskie rurki ksylemu, a to tarcie wymaga dodatkowego pociągania o mniej więcej takiej samej sile. Pomiary wykonane w koronach bardzo wysokich sekwoi wykazały w południe potencjał wodny liści wynoszący około −1,5 do −2 MPa, co pasuje do tego obrazu.

Kapilarność (woda wspinająca się wąską rurką) jest zbyt słaba. Wysokość wynosi h = 2γ cosθ ÷ (ρ g r). Przy napięciu powierzchniowym γ = 0,072 N/m, kącie zwilżania 0° i promieniu rurki ksylemu r = 20 µm, h = 2 × 0,072 ÷ (1 000 × 9,81 × 0,00002) ≈ 0,7 m.

Ciśnienie korzeniowe (korzenie aktywnie pompują jony, dzięki czemu woda podąża za nimi na drodze osmozy) wynosi zazwyczaj tylko około 0,1 do 0,2 MPa. W zasadzie mogłoby ono podtrzymać słup wody o wysokości około 10 do 20 m, ale u wielu drzew latem jest mniejsze lub nie występuje wcale. Wyjaśnia ono krople soku na brzegach liści w spokojny, wilgotny poranek, a nie wodę na szczycie sekwoi.

Dlaczego kolumna wody się nie urywa? Woda w cienkiej, czystej i zamkniętej rurce dobrze trzyma się razem, więc może wytrzymać silne rozciąganie. Ten stan jest metastabilny: wszystko działa, dopóki coś go nie przerwie. Jeśli w rurce powstanie i rozprzestrzeni się pęcherzyk gazu (kawitacja, temat lekcji 4), ta rurka przestaje przenosić wodę. Drzewo ma miliony równoległych rurek, więc awaria jednej lub kilku z nich nie zatrzymuje przepływu.

Przydatnym porównaniem jest pompa ssąca albo słomka do picia. Obniżają one ciśnienie na górze kolumny, dzięki czemu atmosfera wypycha wodę do góry od dołu. Atmosfera może równoważyć najwyżej około 10 m wody (0,101 MPa). Drzewo przekracza 10 m, ponieważ woda nie jest wypychana do góry przez powietrze, lecz jest ciągnięta przez siły kohezji z góry, a ciśnienie w ksylemie spada poniżej zera.