Повышенного давления окружающей газовой и водной среды

Организм человека сталкивается с факторами повышенного давления газовой и водной среды в процессе

водолазных спусков и кессонных работ, в подводных домах, при плавании с аквалангом, при лечении сжатым воздухом в камерах повышенного давления и барооперационных.

В России ежегодно работают под водой или пребывают в условиях повышенного давления газовой среды несколько десятков тысяч человек. Число аквалангистов (дайверов) систематически пребывающих под водой с каждым годом увеличивается.

Характеризуя изменения жизнедеятельности человека в условиях повышенного давления газовой и водной среды, необходимо учитывать следующие факторы:

1. Величина повышенного давления (Р). Напомним, что воздух имеет массу и оказывает определенное давление, называемое атмосферным, на поверхность земли. На широте 45° на уровне моря при температуре О°С атмосферное давление составляет 760 мм рт.ст. или 1 атм. Техническая атмосфера (кгс/см2) соответствует давлению 10 метров водного столба или 735,6 мм рт.ст. Давление сверх атмосферного называют избыточным и измеряют с помощью манометров. Сумма избыточного и атмосферного давления называют абсолютным давлением. Так, при плавании на глубине 20 метров на человека будет действовать избыточное давление 2 атм. или абсолютное давление 3 атм. На каждый квадратный сантиметр нашего тела давит атмосферное давление с силой 1 кг. Так как поверхность тела взрослого человека составляет в среднем 1,5-1,8 м2, то в обычных условиях на человека воздух давит с силой, равной 15-18 тонн. Это давление не только не ощущается нами, но является нормальным фактором окружающей среды. Чем глубже погружается человек, тем большее давление действует на его тело. На глубине20 м избыточное давление на поверхности тела составит примерно 30-36 тонн. Такое огромное давление раньше представлялось угрожающим жизни. С началом водолазных погружений (активное освоение глубин началось середины девятнадцатого века) была доказана сравнительная легкость, с которой переносилось такое давление. Это объясняется тем, что тело человека состоит на 62-65% из воды, которая практически не сжимается (на каждую атмосферу объем воды уменьшается приблизительно на 0,0004%). Однако при вертикальном положении давление воды более плотно обжимает ноги. У человека ростом 175 см величина добавочного давления на стопы по сравнению с верхней частью головы составит 0,175 кгс/см2. В ногах нарушается кровообращение из-за сдавления поверхностных кровеносных сосудов. Поэтому с физиологической точки зрения горизонтальное положение подводного пловца считается наилучшим, так как имеется практически одинаковое обжатие всех частей тела;
2. Парциальное (частичное) давление газов (рО2, рСО2, рN2). Под ним понимают долю (часть) общего давления, приходящегося на конкретный газ, входящий в газовую смесь. Парциальное давление зависит от процентного содержания газа в газовой смеси (напомним, что воздух – это естественная газовая смесь, состоящая из 78,1% азота, 20,9% кислорода, 0,9% аргона, 0,03% углекислого газа, а также водорода, гелия, неона и других индифферентных газов в очень малых количествах) и абсолютного давления, под которым находится эта смесь: р=Р•n/100, где n-процентное содержание газа в смеси по объему. Знание парциального давления того или иного газа важно потому, что физиологическое действие газа определяется не относительным процентным содержанием его в смеси, а величиной парциального давления. Например, мы уже знаем, что в атмосферном воздухе содержится около 21% кислорода. Парциальное давление его составляет 0,21 атм. Если человек будет дышать на поверхности смесью, в которой всего 5% кислорода, то он мгновенно потеряет сознание и погибнет от недостатка кислорода (это специфическое заболевание называют «кислородным голоданием»), так как рО2 будет в данном случае равно 0,05 атм. Если же человек будет вдыхать 5%-ную смесь на глубине 30 метров, где абсолютное давление равно 4 атм., он будет чувствовать себя хорошо. Ведь рО2 на глубине 30 м увеличилось в 4 раза и стало равно 0,20 атм.;
3. Быстрота повышения и понижения давления. При быстром погружении давление в воздухосодержащих полостях не успевает сравниваться с наружным давлением, что приводит к болезненным состояниям, получившим название «баротравмы уха и придаточных пазух». Реже встречается «баротравма кишечника» или «баротравма зуба». При быстром всплытии возможно развитие очень грозного заболевания «баротравмы легких».
4. Насыщение (сатурация) и рассыщение (десатурация) организма индифферентными газами.Игнорирование закономерностей процессов сатурации и десатурации приводит к развитию самой распространенной и опасной специфической патологии — «декомпрессионной болезни», которая возникает при всплытии с нарушением режима декомпрессии (встречаются случаи заболевания, возникающие при всплытии без нарушений режима декомпрессии, обусловленные низкой устойчивостью конкретного аквалангиста к декомпрессионной болезни) и характеризуется образованием газовых пузырьков в организме из-за возникающего пересыщения тканей индифферентным газом, прежде всего азотом;
5. Температура воды и дыхательной смеси. Недооценка этого фактора способствует развитию «переохлаждения». Ведь теплоемкость воды в 4 раза, а теплопроводность в 25 раз больше, чем у воздуха. Поэтому при подводном плавании (даже летом на юге!) происходит усиленная отдача тепла организмом. Значительно реже в водолазной практике наступает «перегревание» организма, связанное в основном с длительным нахождением в гидрокомбинезоне в жаркую погоду под прямыми лучами солнца;
6. Высокая влажность и плотность дыхательной смеси.(В случае применения снаряжения регенеративного типа);
7. Пониженная освещенность под водой;
8. Высокая плотность воды по сравнению с атмосферным воздухом;
9. Увеличенная, по сравнению с воздухом, скорость звука в воде;
10. Вид подводного снаряжения и качество дыхательной смеси;
11. Значительная физическая нагрузка;
12. Выраженное психо-эмоциональное напряжение. Оно вызывается необычностью окружающей водной среды, некоторым риском для здоровья и жизни при каждом спуске под воду, невозможностью обычного речевого общения с людьми, находящимися на поверхности. Временная изоляция от привычной природной и социальной среды также вызывает у водолазов и аквалангистов определенные переживания. Степень психо-эмоциональной напряженности зависит и от типа высшей нервной деятельности конкретного пловца, его опыта, особенностей данного погружения и т.д.

В физиологии подводного плавания принято выделять три периода воздействия на человека повышенного давления газовой и водной среды (спуска под воду):

— период повышения давления, компрессия, сжатие воздуха, спуск водолаза или аквалангиста на максимальную глубину погружения;

— период пребывания под максимальным давлением, «на грунте» (это не обязательно дно, а наибольшая глубина спуска), изопрессия;

— период снижения давления, декомпрессия, подъем с глубины, выход на поверхность.

Воздействие повышенного давления воздуха и искусственных газовых смесей на организм человека по-разному проявляются в каждом из этих периодов. Так, мы уже отмечали, что баротравма уха преимущественно возникает при компрессии, но может быть и при декомпрессии. А декомпрессионная болезнь возникает только при декомпрессии (отсюда и название заболевания) или уже после выхода из-под повышенного давления газовой и водной среды.

При медицинском обеспечении водолазов и аквалангистов следует учитывать не только их предстартовое состояние, но и характер работы, отдыха, питания и сна в предшествующие спускам сутки. Необходимо обращать особое внимание на динамику функций организма человека в периоде последействия повышенного давления, на сроки возвращения к исходному уровню деятельности различных органов и систем организма, другими словами, как происходит восстановление после погружения.

Современная физиология подводного плавания определяет следующие возможные специфические заболевания у людей под действием повышенного давления (гипербарии): декомпрессионная болезнь, отравление кислородом, отравление диоксидом углерода (углекислым газом, СО2) отравление оксидом углерода (СО), токсическое действие азота («азотный наркоз») и гелия («гелиевая дрожь»), острое кислородное голодание, баротравма легких, баротравма уха и придаточных пазух, барогипертензионный синдром, обжим водолаза местный и общий, переохлаждение, перегревание, утопление. Именно под таким расширенным углом зрения будет рассматриваться на страницах журнала проблема медицинского обеспечения подводных работ.

Каждое из этих заболеваний имеет свои особенности, встречается на той или иной глубине, приводит к незначительному недомоганию или к развитию хронического процесса, на длительный период ухудшающего здоровье аквалангиста. Знание каждым водолазом и аквалангистом основ физиологии и патологии подводных погружений обеспечит профилактику возможных заболеваний и сделает плавание с аквалангом не только приятным, но и безопасным.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

Мясников Анатолий Петрович, кандидат медицинских наук, врач-спецфизиолог, автор ставшей сейчас библиографической редкостью монографии «Медицинское обеспечение водолазов, аквалангистов и кессонных рабочих», издательство «Медицина», Ленинград, 1977. – 208 с.  В течение 50 лет занимается проблемами гипербарической физиологии и медицины. Преподавал на кафедрах «Физиологии подводного плавания и аварийно-спасательного дела» Военно-медицинской академии и  «Морской и подводной медицины» Медицинской академии последипломного образования.

Мясников Алексей Анатольевич, доктор медицинских наук. Доцент  кафедры «Физиологии подводного плавания» Военно-медицинской академии.

Чтобы крепче запомнить немудреные, но жесткие правила поведения под водой при плавании с аквалангом и автоматически выполнять их в любой ситуации, надо понимать механизмы воздействия окружающей среды на организм человека. Все внешние проявления состояния организма, его жизнь и смерть описываются законами физики. Поэтому для начала придется кое-что вспомнить из школьного курса физики газов и жидкостей. Знаете, кто самый страшный враг аквалангиста? Вода! 

Законы действующие под водой, гидростатическое давление, поведением газов и жидкостей в организме человека под водой, плавучесть, температура, свет и цвет, звук.

В этой старой как мир водолазной шутке есть немалая доля истины, поскольку в принципе вода — враждебная человеку среда обитания. Она имеет значительно большую плотность, нежели воздух, к которому приспособлены все наши жизненно важные системы органов. Поэтому ее воздействие вызывает неприятные, а часто и болевые ощущения. Самое очевидное следствие повышенной плотности воды — мощное гидростатическое давление, которое нельзя не почувствовать, погружаясь на глубину.

Гидростатическое давление под водой.

Напомним, что давление зависит от силы, приложенной к поверхности определенной площади. Поэтому, если при той же силе площадь удваивается, давление уменьшается вдвое. На поверхности моря человек испытывает давление воздушного столба высотой 150 км. Атмосферное давление равно по величине тому, которое оказывает столбик ртути высотой 760 мм или столбик пресной воды высотой 10,33 метра.

Для простоты расчетов на практике за единицу давления принимают условную техническую атмосферу — давление 10 — метрового водного столба. Таким образом, гидростатическое давление — т.е. давление водного столба — увеличивается в морской воде на 1 атм при опускании на каждый десяток метров. Сумма атмосферного и гидростатического давлений называется абсолютным давлением. Например, на глубине 30 метров оно равно Р абс = Р атм + Р гидр = 1+3 = 4 атм.

Необходимо учитывать, что морская и пресная вода имеют разные плотности. Поскольку все рекомендации и методики написаны для морской воды, для рек и озер следует делать поправку на разность плотностей. Гидростатическое давление пресной воды увеличивается на 1 атм через каждые 10,3 метра. Например, в озере Байкал на той же глубине 30 метров Р абс составит лишь 3,9 атм.

Каждый подводник должен подстраивать свое поведение под внешнее давление, знать его величину и чутко реагировать на его изменения, уравновешивая внутреннее давление в полостях организма и в снаряжении.

Поведением газов и жидкостей в человеческом организме под водой.

Для безопасной подводной деятельности подводнику требуется постоянно поддерживать баланс между внешним и внутренним давлением. Его нарушение моментально регистрируется органами чувств, проявляясь в болевых ощущениях.

Чтобы не допустить последних и не привести собственный организм к катастрофе, надо знать и понимать законы внутреннего давления, определяемые поведением газов и жидкостей в человеческом организме. Газовые законы Генри, Шарля, Дальтона, Бойля — Мариотта и Гей — Люссака описывают процессы, определяющие многие аспекты плавания с аквалангом под водой.

1. Первый газовый закон (сумма законов Бойля — Мариотта, Гей — Люссака и Шарля): давление газа обратно пропорционально его объему и прямо пропорционально температуре.

Для подводника наиболее важные следствия данного закона таковы :

При спуске с увеличением гидростатического давления объем воздуха в полостях организма и подмасочном пространстве уменьшается. Поэтому приходится компенсировать его, добавляя в эти полости некоторое количество воздуха.

При подъеме на поверхность внешнее давление падает, и объем воздуха в полостях организма и в маске растет. Поэтому избыток воздуха нужно своевременно удалять. Так, задержка выдоха при всплытии приводит к разрыву легких.

При слишком быстром подъеме микропузырьки газа в крови разрастаются в большие пузыри и блокируют кровообращение, вызывая декомпрессионную болезнь. Если оставить заполненный под избыточным давлением акваланг на жарком солнце, раскалившийся баллон может взорваться из-за повышения давления сжатого воздуха.

2. Давление смеси газов равно сумме парциальных давлений отдельных газов, ее составляющих (закон Дальтона).

Таким образом, парциальное давление каждого газа пропорционально процентной доле газа в смеси и величине абсолютного давления последней, т.е.

где n — процентная доля газа в смеси.

Это положение необходимо для определения воздействия воздуха или другой газовой смеси на организм человека под водой, поскольку в любом процессе участвуют конкретные газы, эту смесь составляющие.

3. Количество газа, растворенного в жидкости (например, в крови или морской воде), прямо пропорционально его парциальному давлению на поверхность жидкости (закон Генри).

При увеличении внешнего давления создается градиент диффузии газа в жидкость, и он поступает в нее до тех пор, пока его парциальное давление в жидкости не сравняется с внешним. Это состояние называется насыщением. При понижении внешнего давления создается перенасыщение газа в жидкости, и тот начинает выходить наружу. Иными словами, степень насыщения газом жидкости прямо зависит от окружающего давления.

Положения 2 и 3 позволяют правильно оценить воздействие каждого газа на организм человека под водой. Ведь под повышенным давлением они сильнее насыщают кровь и ткани человека. При достижении определенного парциального давления газ может вызвать весьма отрицательную и даже смертельную реакцию.

Например, на поверхности моря в тканях человека растворено примерно 1 литр азота. При погружении подводник потребляет воздух под давлением, что ведет к росту парциального давления азота. На глубинах свыше 50 метров оно достигает пороговой величины, вызывая наркотическое опьянение, а при всплытии — уменьшается, и азот выходит из кровеносной системы через легкие.

Рассуждая о газовых законах, мы имеем ввиду не абстрактные, а вполне реальные газы, составляющие атмосферный воздух: кислород (20,94%), азот (78,09%), углекислый газ (0,04%), инертные газы (менее 1%).

Кислород.

Принимает непосредственное участие в окислительных процессах организма. Потребление газообразного кислорода и выделение углекислого газа и есть собственно функция дыхания. При уменьшении его доли в воздухе до 18 % (т.е. до парциального давления 0,18 атм) наступает кислородное голодание с потерей сознания и даже летальным исходом.

При парциальном давлении свыше 2,8 атм кислород вызывает кислородное отравление, что ничуть не лучше. Но можете не волноваться, ведь такое давление кислорода возникает на глубине… впрочем, рассчитайте сами, это нетрудно.

Азот.

Не усваивается тканями организма, но растворяется в крови, вызывая различные неприятности. Неприятность первая: при парциальном давлении в 5-6 атм азот может вызывать наркотическое опьянение. Неприятность вторая: при стремительном подъеме на поверхность, с быстрым падением внешнего давления, азот возвращается в газообразное состояние в виде пузырьков, которые не успевают выходить через легкие и остаются в тканях организма. Они блокируют и замедляют кровообращение, вызывая декомпрессионную болезнь.

Углекислый газ.

Выводится из человеческого организма с выдыхаемым воздухом, где составляет 5%. При парциальном давлении 0,03 атм. (т.е. при содержании 3% в воздухе) вызывает отравление, при 0,1 атм. — потерю сознания. Если баллоны заряжены чистым воздухом, отравления нечего опасаться даже на глубинах 50 — 60 метров, но если компрессор установлен в душном, плохо проветриваемом помещении, то уже на средних глубинах аквалангист может почувствовать головную боль.

Использование длинной дыхательной трубки, в которой после выдоха остаются «выхлопные» газы с повышенным содержанием углекислого газа, также может привести к легкому отравлению.

Угарный газ.

Попадающий в воздух с выхлопными газами из двигателей внутреннего сгорания, даже в мизерных количествах (около 0,05 %) вызывает потерю сознания и смерть. Помните, что правильный выбор места для компрессора и времени для забивки баллонов жизненно важен!

Для глубоководных погружений используются газовые смеси, в которых наркотический азот полностью или частично заменен газами, не оказывающими наркотического воздействия: гелием, водородом и некоторыми другими.

Плавучесть аквалангиста под водой.

Возвращаемся к особенностям водной среды и их воздействию на жизнь, здоровье и душевное спокойствие аквалангиста. Значительная плотность воды, в особенности морской, создает необычную среду, в которой человек может почувствовать, что такое невесомость. Архимед в крике «Эврика!» первым высказал то, о чем, наверное, догадывались и наши прародители.

Объект, находящийся в воде, значительно легче чем на суше, а потеря его веса равна весу жидкости, которую он вытеснил. Если последний больше, чем вес тела, объект плавает на поверхности воды; если меньше — тонет. А если же их вес одинаков, объект находится во взвешенном состоянии, т.е. в состоянии нейтральной плавучести.

Таким образом, на пловца под водой действуют сила тяжести, зависящая от массы тела, и сила плавучести, зависящая от его объема. Их равновесие и определяет положение человека в воде. В среднем, удельный вес человеческого тела около единицы, т.е. почти как у пресной воды. У мужчин — чуть больше единицы, а у женщин — немного меньше.

В пресных водоемах средний мужчина имеет слабую отрицательную плавучесть, а в море — нейтральную. Подкожная жировая прослойка у женщин на 25% толще, чем у мужчин, и поэтому даже самые тонкие и стройные представительницы слабого пола обладают небольшой положительной плавучестью не только в морской, но и в пресной воде.

С одной стороны, это очень хорошо — милые дамы никогда не утонут, если сами не постараются себя утопить. С другой стороны, им приходится затрачивать дополнительные усилия для заныривания и плавания под водой — архимедова сила постоянно выталкивает их, словно поплавок.

Температура под водой.

Температура тела живого и здорового человека, которая колеблется около 36,6 градусов, выше температуры воды. Возникает теплоотдача — мощный поток тепловой энергии из организма в окружающую воду. Кстати, у воды теплоемкость в 4 раза, а теплопроводность в 25 раз выше, чем у воздуха, а, кроме того, в естественных условиях вода еще и постоянно куда-нибудь течет или завихряется.

Все это ведет к большим теплопотерям организма и переохлаждению, что может закончиться потерей сознания и даже смертью. Поэтому время пребывания человека в воде, даже в тропически теплой, ограничено. Как правило, температура воды постепенно понижается с глубиной, достигая в глубоководных зонах примерно 3—4 градусов, а в полярных областях опускается до нуля уже на глубине 30 метров. Нередко поверхностные водные массы, прогретые солнышком, в силу разных свойств отделены от холодных масс четкой видимой границей — термоклином.

Термоклин в виде тонкого (1-2 метра высотой), мутного слоя — явление достаточно забавное. Иногда случается, что голова подводника под водой наслаждается теплом в 10-12 градусов, а пальцы ног немеют в ледяной воде под термоклином. Сезонный термоклин четко выражен в озере Байкал и наших северных морях.

Иногда водные массы имеют мозаичное распределение, и тогда холодные и теплые слои чередуются. Для уменьшения тепловых потерь подводники создают прослойку воздуха или нагретой воды между телом и окружающей водой при помощи защитной спецодежды — гидрокостюма.

Свет и цвет под водой.

Откройте глаза под водой. Что увидели? Лишь неясные очертания и тени. К сожалению, наши глаза в водной среде менее эффективны, чем на суше. Чтобы понять причину, вновь обратимся к физике — к разделу оптики. Явление рефракции заключается в преломлении и отражении световых лучей на границе двух сред с различными плотностями.

В роговице, хрусталике и стекловидном теле глазного яблока лучи преломляются таким образом, что фокусируют изображение видимого объекта на сетчатой оболочке задней стенки глазного яблока. Сетчатка же, состоящая из чувствительных клеток — палочек и колбочек, преображает световые сигналы в нервные, которые проходят по глазному нерву в анализирующий центр мозга.

Коэффициент преломления солнечных лучей в воде приблизительно равен таковому в глазах человека. Поэтому они слабее преломляются в роговице, и изображения предметов фокусируются где-то за сетчаткой, оставляя на ней лишь неясные образы. Для устранения дефекта мнимой дальнозоркости, используют маску, которая создает воздушную прослойку между глазом и окружающей водной средой.

Теперь лучи перед попаданием на глаз проходят через слой воздуха, что возвращает эффективность зрению. Однако проходящие через стеклянную маску лучи преломляются еще перед рефракцией в глазных структурах, искажая действительность. Все предметы кажутся крупнее и ближе приблизительно на 25%.

Начинающим подводникам приходится привыкать к постоянному обману зрения под водой. Световые лучи, входящие в воду, не только отражаются и поглощаются, но и частично рассеиваются. Чем больше взвешенных частиц в воде, тем сильнее световое рассеивание и тем хуже видимость под водой.

Так, высокая прозрачность в открытом океане обусловлена скудостью планктона и отсутствием органической донной взвеси. А вот видимость в устьях рек, воды которых несут в море громадную массу взвешенной органики, близка к нулю. Во многих морях и озерах прозрачность имеет сезонную динамику.

Обман зрения под водой.

Например, часто можно услышать в разговоре выражение «вода зацвела» — это значит, что она прогрелась до определенной температуры, и одноклеточные водоросли стали бурно размножаться, создавая взвесь и уменьшая прозрачность.

Рассеяние световых лучей приводит к постепенному понижению освещенности с глубиной. Скорость затемнения зависит от прозрачности воды. В тропических морях с хорошей видимостью так светло, что глубину в 40 метров под водой можно не заметить, если не следить по приборам. В Белом море сумерки наступают на 20 метрах, а на 40 уже черно, как в фотокомнате.

Мы с вами живем в мире белого света, который на самом деле состоит из многих цветовых составляющих, обусловленных волнами разной длины. Вода поглощает их неодинаково, поэтому цветовой спектр под водой сильно изменяется. Так, в чистой океанской воде красные лучи поглощаются на первом же метре, оранжевые — на пятом, а желтый цвет исчезает на глубине 10 метров.

Подводный мир видится нам зелено—голубым. Для того, чтобы ваш партнер или страхующий лучше вас видел, рекомендуется использовать гидрокостюмы и снаряжение ярких расцветок. Только помните, что многие цвета, ласкающие глаз ядовитой тональностью на земле, в воде теряют яркость.

Например, красный становится темно-фиолетовым уже под поверхностью, а вскоре вообще превращается в черный. Поэтому многие предметы легководолазного снаряжения окрашены желтым. Полосы на гидрокостюмах, баллоны многих аквалангов, дополнительные легочные автоматы.

Звук под водой.

На суше мы нередко ориентируемся в пространстве по звукам, поскольку расположение их источника определить, как правило, нетрудно. Подводники под водой, увы, этим похвастаться не могут. Если источник звука находится над поверхностью воды, звуковые волны отражаются от нее, не проникая на глубину.

Бесполезно что-либо сверху кричать пловцу, который уже погрузился под воду. Зато в водной среде звуковые волны распространяются во всех направлениях, а их скорость увеличивается в 4 раза. Это создает массу неудобств. Например, аквалангист не сможет определить по шуму мотора, где и на каком расстоянии движется лодка.

Потеряв из виду партнера в мутной воде, можно слышать вблизи его дыхание и клокотание выдыхаемых пузырей из легочного автомата, но так и не обнаружить того, кто их пускает. Щелканье и пронзительные крики дельфинов наполняют собой все окружающее пространство под водой, но сами животные могут появиться с самой неожиданной стороны.

По материалам книги «Акваланг и подводное плавание».
Орлов Д.В., Сафонов М.В.