Алексей Павлюц
Личный сайт
Дайвинг, газы. Понимание принципов за 10 минут (keynotes)
Хотелось бы обобщить информацию о принципах дайвинга в части газов для дыхания в формате keynotes, т.е. когда понимание нескольких принципов избавляет от необходимости запоминания множества фактов.
Итак, для дыхания под водой необходим газ. Как наиболее простой вариант — запас воздуха, представляющий собой смесь кислорода (∼21%), азота (∼78%) и других газов (∼1%).
Главным фактором является давление окружающей среды. Из всех возможных единиц измерения давления мы будем использовать «абсолютную техническую атмосферу» или АТА. Давление на поверхности составляет ∼1 АТА, каждые 10 метров погружения в воду добавляют к нему ∼1 АТА.
Для дальнейшего разбора важным является понимание, что такое парциальное давление, т.е. давление отдельно взятого компонента газовой смеси. Общее давление газовой смеси является суммой парциальных давлений её компонентов. Парциальное давление и растворение газов в жидкостях описываются законами Дальтона и имеют самое прямое отношение к дайвингу, ибо человек на большую часть состоит из жидкости. Хотя парциальное давление пропорционально молярному соотношению газов в смеси, для воздуха можно считать парциальное давление по объемной или весовой концентрации, погрешность составит менее 10% .
При погружении давление воздействует на нас всеобъемлюще. Регулятор поддерживает давление воздуха в системе дыхания, примерно равное давлению окружающей среды, меньшее ровно на столько, на сколько необходимы для «вдыхания». Так, на глубине в 10 метров вдыхаемый из баллона воздух имеет давление около 2 АТА. Аналогичное абсолютное давление будет наблюдаться во всем нашем организме. Таким образом, парциальное давление кислорода на этой глубине составит ∼0,42 АТА, азота ∼1,56 АТА
Воздействие давления на организм заключается в следующих ключевых факторах.
1. Механическое воздействие на органы и системы
Его мы рассматривать подробно не будем, вкратце — человеческий организм имеет ряд заполненных воздухом полостей и резкое изменение давления в любую сторону вызывает нагрузку на ткани, мембраны и органы вплоть до механических повреждений — баротравм.
2. Насыщение тканей газами
При погружении (увеличении давления) парциальное давление газов в дыхательном тракте — выше чем в тканях. Таким образом газы насыщают кровь, а через кровоток насыщаются все ткани организма. Скорость насыщения различна для разных тканей и характеризуется «периодом полунасыщения», т.е. временем, в течение которого при постоянном давлении газа разница парциальных давлений газа и тканей уменьшается вдвое. Обратный процесс называют «рассыщением», он происходит при всплытии (уменьшении давления). В этом случае парциальное давление газов в тканях выше, чем давление в газа в легких, идет обратный процесс — газ из крови выделяется в легких, кровь с уже меньшим парциальным давлением циркулирует по организму, из тканей газы переходят в кровь и снова по кругу. Газ всегда движется от большего парциального давления к меньшему.
Принципиально важно, что разные газы имеют разную скорость насыщения/рассыщения, обусловленную их физическими свойствами.
Растворимость газов в жидкостях тем больше, чем выше давление. В случае, если количество растворенного газа больше предела растворимости при данном давлении — происходит выделение газа, в том числе концентрация в виде пузырьков. Мы это наблюдаем каждый раз, как вскрываем бутылку газированной воды. Так как скорость выведения газа (рассыщения тканей) ограничена физическими законами и газовым обменом через кровь, слишком быстрое падение давления (быстрое всплытие) может привести к образованию пузырьков газа непосредственно в тканях, сосудах и полостях организма, нарушая его работу вплоть до летального исхода. Если давление падает медленно, то организм успевает вывести «лишний» газ за счет разницы парциальных давлений.
Для расчетов этих процессов используются математические модели тканей организма, наиболее популярной является модель Альберта Бюльмана, которая учитывает 16 видов тканей (компартментов) со временем полунасыщения/полурассыщения от 4 до 635 минут.
Наибольшую опасность представляет инертный газ, имеющий максимально большое абсолютное давление, чаще всего это — азот, который составляет основу воздуха и не участвует в метаболизме. По этой причине основные расчеты в массовом дайвинге проводятся по азоту, т.к. воздействие кислорода в плане насыщения на порядки меньше, при этом оперируют понятием «азотная нагрузка», т.е. остаточное количество растворенного в тканях азота.
Таким образом, насыщение тканей зависит от состава газовой смеси, давления и продолжительности его воздействия. Для начальных уровней дайвинга практикуются ограничения по глубине, продолжительности погружения и минимальному времени между погружениями, заведомо не допускающие ни при каких условиях насыщения тканей до опасных уровней, т.е. бездекомпрессионные погружения, и даже в этом случае принято выполнять «остановки безопасности» .
«Продвинутые» дайверы используют дайв-компьютеры, которые динамически рассчитывают насыщение по моделям в зависимости от газа и давления, в том числе рассчитывают «компрессионный потолок» — глубину, всплытие выше которой потенциально опасно исходя из текущего насыщения. При сложных погружениях компьютеры дублируются, не говоря уже о том, что одиночные погружения как правило не практикуются.
3. Биохимическое воздействие газов
Наш организм максимально адаптирован к воздуху при атмосферном давлении. При увеличении давления газы, даже не участвующие в метаболизме воздействуют на организм самым разным образом, при этом воздействие зависит от парциального давления конкретного газа. Для каждого газа существуют свои пределы безопасности.
Кислород
Являясь ключевым участником нашего метаболизма, кислород — единственный газ, имеющий не только верхний, но и нижний предел безопасности.
Нормальное парциальное давление кислорода ∼0,21 АТА. Потребность в кислороде сильно зависит от состояния организма и физических нагрузок, теоретический минимально необходимый уровень для поддержания жизнедеятельности здорового организма в состоянии полного покоя оценивается в ∼0,08 АТА, практический — в ∼0,14 АТА. Снижение уровня кислорода от «номинального» в первую очередь сказывается на способности к физической активности и может вызвать гипоксию, или кислородное голодание.
В то же время высокое парциальное давление кислорода вызывает широкий спектр негативных последствий — кислородное отравление или гипероксию. Особую опасность при погружении имеет ее судорожная форма, выражающуюся в поражении нервной системы, судорогах, что влечет за собой риск утопления.
Для практических целей дайвинга принято считать пределом безопасности ∼1,4 АТА, пределом умеренного риска — ∼1,6 АТА. При давлении выше ∼2,4 АТА в течение длительного времени вероятность кислородного отравления стремиться к единице.
Таким образом, несложным делением предельного уровня кислорода 1,4 АТА на парциальное давление кислорода в смеси можно определить максимальное безопасное давление среды и установить, что абсолютно безопасно дышать чистым кислородом (100%, 1 АТА ) можно на глубинах до ∼4 метров (. ), сжатым воздухом (21%, 0,21 АТА) — до ∼57 метров, стандартным «нитрокс-32» с содержанием кислорода 32% (0,32 АТА) — до ∼34 метров. Аналогично можно посчитать пределы для умеренного риска.
Говорят, именно этому явлению обязан своим именем «нитрокс» , так как изначально это слово обозначало дыхательные газы с пониженным содержанием кислорода для работы на больших глубинах, «nitrogen enriched», и только потом оно стало расшифровываться как «nitrogen-oxigen» и обозначать смеси с повышенным содержанием кислорода.
Необходимо принимать во внимание, что повышенное парциальное давление кислорода в любом случае оказывает воздействие на нервную систему и легкие, причем это разные виды воздействия. Кроме того, воздействие имеет свойство накапливаться при серии погружений. Для учета воздействия на ЦНС используется понятие «кислородного лимита» как расчетной единицы, с помощью которой определяются безопасные лимиты для разового и суточного воздействия. Подробно с таблицами и расчетами можно ознакомиться здесь.
Помимо этого, повышенное давление кислорода негативно воздействует на легкие, для учета этого явления используются «единицы кислородной выносливости», которые рассчитываются по специальным таблицам, соотносящим парциальное давление кислорода и количество «единиц в минуту». Для примера, 1.2 АТА дает нам 1.32 OTU в минуту. Признанный лимит безопасности составляет 1425 единиц в сутки.
Из вышесказанного в частности должно быть понятно, что для безопасного пребывания на больших глубинах требуется смесь с пониженным содержанием кислорода, которая непригодна для дыхания при меньшем давлении. Например, на глубине 100 метров (11 АТА) концентрация кислорода в смеси не должна превышать 12%, а на практике будет еще ниже. Дышать такой смесью на поверхности невозможно.
Азот не метаболизируется организмом и не имеет нижней границы. При повышенном давлении азот оказывает отравляющее воздействие на нервную систему, сходное с наркотическим или алкогольным опьянением, известное как «азотный наркоз«.
Механизмы воздействия точно не выяснены, границы воздействия сугубо индивидуальны, и зависят как от особенностей организма, так и от его состояния. Так, известно, что усиливает воздействие состояние усталости, похмелья, все виды угнетенного состояния организма типа простудных заболеваний и т.д.
Незначительные проявления в виде состояния, сравнимого с легким опьянением возможны на любых глубинах, действует эмпирическое «правило мартини», согласно которому воздействие азота сравнимо с бокалом сухого мартини натощак на каждые 10 метров глубины, что не представляет опасности и добавляет хорошего настроения. Накопленный при регулярных погружениях азот так же влияет на психику сродни легким наркотикам и алкоголю, чему автор сам свидетель и участник. Проявляется в ярких и «наркотических» снах, в частности, действует в пределах нескольких часов. И таки да, дайверы — немного наркоманы. Азотные.
Опасность представляют сильные проявления, которые характеризуются стремительным нарастанием вплоть до полной потери адекватности, ориентации в пространстве и времени, галлюцинаций, что может привести к гибели. Человек может запросто рвануть на глубину, потому что там клево или он там что-то якобы увидел, забыть, что он под водой и «вдохнуть полной грудью», выплюнув загубник и т.д. Само по себе воздействие азота не летально и даже не вредно, однако последствия в условиях погружения могут быть трагичны. Характерно, что при снижении давления эти проявления так же стремительно проходят, иногда достаточно подняться всего на 2..3 метра чтобы «резко протрезветь».
Вероятность сильного проявления на глубинах, принятых для рекреационного дайвинга начального уровня (до 18 м, ∼2,2 АТА ) оценивается как очень низкая. По имеющейся статистике случаи тяжелого отравления становятся довольно вероятны с 30 метров глубины (∼3,2 АТА), и далее вероятность растет по мере роста давления. В то же время люди с индивидуальной устойчивостью могут не испытывать проблем и на куда больших глубинах.
Единственным способом противодействия является постоянный самоконтроль и контроль напарника с немедленным уменьшением глубины в случае подозрения на азотное отравление. Использование «нитрокса» снижает вероятность азотного отравления, естественно, в пределах ограничений по глубинам, обусловленных кислородом.
Гелий и другие газы
В техническом и профессиональном дайвинге используют и другие газы, в частности, гелий. Известны примеры использования в глубинных смесях водорода, и даже неона. Эти газы отличаются высокой скорость насыщения/рассыщения, отравляющие эффекты гелия наблюдаются при давлении более 12 АТА и могут быть, как ни парадоксально, компенсированы азотом. Однако широкого применения они не имеют за счет высокой стоимости, поэтому столкнуться с ними дайверу средней руки фактически невозможно, а уж если читателя действительно интересуют такие вопросы — то ему уже надо использовать профессиональную литературу, а не этот скромный обзор.
При использовании любых смесей логика расчетов остается такой же, как описано выше, только используются специфические для каждого газа лимиты и параметры, а для глубоких технических погружений обычно используются несколько разных составов: для дыхания на пути вниз, работы внизу и поэтапного пути вверх с декомпрессией, составы этих газов оптимизируются исходя из описанной выше логики их движения в организме.
Практическое заключение
Понимание этих тезисов позволяет придать осмысленность многим даваемым на курсах ограничениям и правилам, что совершенно необходимо как для дальнейшего развития, так и для правильного их нарушения.
Нитрокс рекомендован к использованию при обычных погружениях, ибо он снижает азотную нагрузку на организм даже если Вы остаетесь полностью в пределах ограничений рекреационного дайвинга, это лучшее самочувствие, больше удовольствия, легче последствия. Однако, если Вы собираетесь нырять глубоко и часто — надо помнить не только о его преимуществах, но и о возможной кислородной интоксикации. Всегда лично проверяйте уровни кислорода и определяйте свои лимиты.
Азотное отравление — наиболее вероятная из проблем, с которыми можно столкнуться, всегда будьте внимательны к себе и партнеру.
Отдельно хотелось бы обратить внимание, что прочтение данного текста не означает, что читатель освоил полный набор информации для понимания работы с газами при сложных погружениях. Для практического применения этого совершенно недостаточно. Это только стартовая точка и базовое понимание, не более того.
Всегда оставайтесь в пределах своих знаний и физических возможностей! Удачи!
Источник
Чем дышит дайвер под водой
Здравствуйте, дорогие читатели!
В этой статье расскажу как и чем дышит дайвер под водой во время погружения. Ответ на этот вопрос для профессионала или для человека однажды пробовавшего себя в роли аквалангиста весьма прост. Однако, зачастую обывателю кажется, что дайвер при погружении дышит каким то особенным составом, закачанным в баллон за его спиной.
В современном дайвинге существуют стандарты по глубине, времени и технике погружений с аквалангом. Я буду рассказывать о самом простом варианте — так называемом любительском дайвинге. Это когда глубина погружения не превышает 40 метров.
Итак, в баллон для дайвинга под давлением закачивается обычный воздух. Тот самый, которым мы дышим с вами каждый день. Единственное отличие в том, что воздух «забиваемый» в баллон проходит через фильтры, чтобы избежать попадания механических примесей.
Воздух является смесью Азота (N₂) -78% , Кислорода (O₂) — 21% , Углекислого газа (CO₂) — 0,03%, других примесей и загрязнений — 1%. Именно большое содержание азота в воздухе, является причиной ограничения глубины погружений без использования специальных техник и оборудования 40 метрами. Азот, при дыхании человека на поверхности, никак не участвует в обмене веществ в организме. А на глубине под действием давления начинает растворяться в крови и других тканях организма. Его переизбыток в крови может стать причиной азотного наркоза на глубине и кессонной болезни при всплытии.
Давление воздуха в баллоне составляет 200-300 бар, поэтому для доставки его в организм используется регулятор давления.
За появление регулятора мы обязаны быть благодарны Эмилю Ганьяну и Жаку Иву Кусто .
Регулятор состоит из двух частей (ступеней): редуктора (1 ступень) и лёгочного автомата (2 ступень). Воздух из баллона подаётся в редуктор, который понижает давление до так называемого промежуточного или среднего , которое на 6-11 атм больше, чем давление окружающей среды, и далее по шлангу среднего давления подаётся в лёгочный автомат (загубник которого берётся в рот), который понижает давление до давления окружающей среды, обеспечивая комфортное дыхание при любом положении тела.
В среднем, при начальном давлении в баллоне 250-280 бар, погружение с достижением глубины в 35-40 метров может продолжаться 40-50 минут. Именно столько времени можно провести под водой созерцая мир рыб, моллюсков и водорослей, а также исследуя затонувшие корабли и самолеты.
Существует большое количество направлений в дайвинге (технический, глубоководный, пещерный, подлёдный и т.д.). Основные принципы и физика едины для всех них, но оборудование может значительно отличаться. Поэтому я описал лишь малую часть того, что Вы можете узнать попробовав в своей жизни дайвинг. Будь то пробное погружение в бассейне или начальный курс при отдыхе на море.
Источник
