Kohezyon-gerilim kuvveti

100 m yüksekteki bir sekoya yaprağının, toprakta başlayan suya ihtiyacı vardır. Su oraya nasıl ulaşır? Bir ağaçta kalp de pompa da yoktur. 1894 yılında İrlandalı bilim insanları Henry Dixon ve John Joly tarafından öne sürülen cevap, kohezyon-gerilim teorisidir: su aşağıdan itilmez, yukarıdan çekilir.

Olaylar zinciri şöyle gerçekleşir:

• Buharlaşma. Bir yaprağın içinde su, hücrelerin ıslak duvarlarından küçük hava boşluklarına buharlaşır ve stomalardan (bir sonraki ders) dışarı çıkar. Bu buharlaşma için gereken enerji ağacın kendi metabolizmasından değil, Güneş'ten gelir.
• Gerilim. Su dışarı çıktıkça hücre duvarlarında kalan su, genişliği bir mikrometrenin yalnızca bir kesri olan gözeneklerde küçük, kıvrımlı yüzeyler (menisküsler) oluşturur. Yüzey gerilimi, bu kıvrımlı yüzeylerin arkalarındaki suyu çekmesini sağlar; böylece su negatif basınç altına girer. Buna gerilim denir.
• Kohezyon ve adezyon. Su molekülleri birbirlerine (kohezyon, hidrojen bağlarından kaynaklanır) ve ksilem tüplerinin selüloz duvarlarına (adezyon) yapışır. Böylece çekme kuvveti, sürekli ve kopmamış su sütunları boyunca köklere kadar aşağıya iletilir.
• Su alımı. Çekilip alınan suyun yerini doldurmak için köklerden su girer.

Sayılar, bunun uzun bir ağaç için işe yarayabilecek tek mekanizma olduğunu gösteriyor.

Hidrostatik basınç. Bir su sütununu yerçekimine karşı yukarıda tutmak için ΔP = ρ g h kadar bir basınç farkı gerekir. ρ = 1.000 kg/m³ ve g = 9,81 m/s² olduğunda, bu değer her 10 m yükseklik için yaklaşık 0,098 MPa olur (1 MPa = 1.000.000 Pa; bu, atmosfer basıncının yaklaşık on katıdır).

• 10 m su: 0,098 MPa.
• 30 m: yaklaşık 0,29 MPa.
• 100 m: yalnızca yerçekimini dengelemek için yaklaşık 0,98 MPa.

Suyun dar ksilem tüplerinden de akması gerekir ve bu sürtünme yaklaşık aynı büyüklükte bir çekiş daha gerektirir. Çok uzun sekoyaların tepesinde yapılan ölçümlerde, öğle vakti yaprak su potansiyellerinin yaklaşık −1,5 ila −2 MPa olduğu bulundu; bu da bu açıklamayla uyuşuyor.

Kılcallık (suyun ince bir tüpte yavaşça yukarı çıkması) çok zayıftır. Yükseklik h = 2γ cosθ ÷ (ρ g r) olur. Yüzey gerilimi γ = 0,072 N/m, temas açısı 0° ve ksilem tüpü yarıçapı r = 20 µm olduğunda, h = 2 × 0,072 ÷ (1.000 × 9,81 × 0,00002) ≈ 0,7 m olur.

Kök basıncı (köklerin iyonları aktif olarak içeri pompalaması ve suyun ozmoz yoluyla bunu takip etmesi) genellikle yalnızca yaklaşık 0,1 ila 0,2 MPa kadardır. Bu, ilke olarak yaklaşık 10 ila 20 m yüksekliğinde suyu destekleyebilir; ayrıca birçok ağaçta yaz aylarında daha düşük olur veya hiç görülmez. Durgun ve nemli bir sabahta yaprak kenarlarında özsu damlalarının oluşmasını açıklar, ancak bir sekoyanın tepesindeki suyu açıklamaz.

Su sütunu neden kopmaz? İnce, temiz ve kapalı bir tüpteki su birbirine iyi tutunur; bu nedenle güçlü bir çekmeye dayanabilir. Bu durum metastabildir: Bir şey onu bozuncaya kadar sorunsuzdur. Bir tüpte bir gaz kabarcığı oluşup yayılırsa (kavitasyon, 4. dersin konusu), o tüp artık su taşıyamaz. Bir ağacın içinde milyonlarca paralel tüp bulunur; bu yüzden bir ya da birkaç tüpün arızalanması akışı durdurmaz.

Yararlı bir karşılaştırma olarak emme pompasını veya bir pipeti düşünebiliriz. Bunlar bir su sütununun üst kısmındaki basıncı düşürür; böylece atmosfer suyu aşağıdan iter. Atmosfer en fazla yaklaşık 10 m suyu dengeleyebilir (0,101 MPa). Bir ağaç 10 m sınırını aşabilir; çünkü su hava tarafından yukarı itilmez, yukarıdan gelen kohezyonla çekilir ve ksilemdeki basınç sıfırın altına iner.