У першому розділі цієї серії про теорію декомпресії, автор намагався описати процеси, які визначають те, як наше тіло поглинає і віддає газ. Ця стаття продовжує цю тему і переходить в фазу де трохи більш докладно описано які фактори регулюють кількість і швидкість газообміну.
Але перш ніж продовжувати, було б непогано трохи нагадати, що у першій частині робиться акцент на азот (N2). На поверхні парціальний тиску N2 є 0.79. Наше тіло насичене N2 на цей тиск, і через звичайний процес дихання, немає чистого збільшення або зменшення кількості, що розчинено в тканинах нашого тіла, вони не можуть прийняти більше при цьому тиску-це означає, що є насиченість. Під час занурення швидко збільшується навколишній тиск навколо нашого тіла. Якби ми спускалися до 20 м (3ATA) і залишалися там, в кінці кінців наші тканин були б рівномірно насичені на цій глибині, це означає, що в 3ATA наших тканин б мали PPN2 2.37. Ми не втрачаємо будь-який N2, тому що N2 наших легенях також буде в 3ATA (PPN2 2.37 також), тому немає градієнта дифузії що відбувається. Єдиний спосіб збільшення кількості N2 в наших тканинах це спускатися далі, скажімо, 30 м або 4ATA (або збільшити відсоток N2, яким ми дихаємо). Такий спуск збільшив б парціальний тиску N2 в наших легенях до 3.16, дозволяючи дифузії і перфузії працювати разом, щоб пропустити більш N2 в наші тканини, поки врешті-решт тканини перейдуть від 2.37 до 3.16 і стануть насиченими на цей тиск. Різниця парціального тиску надходячої газової суміші та напруги тканин відома як градієнт інертного газу (якщо ви не в цій зоні, читати нічого додатково не потрібно!). Варто також відзначити на даний момент що чисел, які я використовую не є абсолютно точними , оскільки гази, які ми вдихаємо в легені послаблюється газами, які вже є в легенях, присутній ефект злегка зниження тиску , але числа працюють достатньо добре, тому що вони використані в ілюстративних цілях.
Тепер, рухаємось далі, якщо б наші тіла були всі зроблені з одного і того ж матеріалу, наука була б набагато простіше, і ви, ймовірно, не турбувалися читати це. З точки зору типів тканин у нас кров, мозок, хрящі, кістки, жир, печінка, нирки, очні яблука, зв’язки, селезінка. Ці тканини вбиратимуть розчинені газ з різною швидкістю в залежності від газу, різні гали розчиняються в крові з різною швидкістю. Це означає, що наші різні тканини вбирають і віддають гази , різною швидкістю. Дослідники декомпресія намагалися зрозуміти ці процеси, які перекриваються, починаючи з 19го століття фізіолог Пол Берт (Bert) здійснили ряд контрольованих експериментів на улюблених собаках. 22 собаки були схильні до тиску з між 7 і майже 10-ти атмосфер, а потім швидка декомпресія. Неминуче і, на жаль, 21 з них помер.
Джон Халдейн (Haldane) (на фото… Він є зліва на фото) був першою людиною, щоб намагалася ретельно застосовувати науковий метод до вивчення декомпресії на початку ХХ століття. Халдейн (Haldane) був дуже ретельним вченим, але також мало ексцентричним в роботі і житті. На хостинг обідах, він як повідомляється нудьгував, починав думати про роботу і блукав свою лабораторію, забувши про своїх гостей. На одному пам’ятному приводу після того, як він був відсутній деякий час його дружина пішла шукати його. Вона знайшла його, що спав в ліжку. Поясненням було що як він зняв формальний одяг для обіду, він опинився роздягнутим і тому єдиним логічним кроком було лізти в ліжко! Незважаючи на (або через) ці вигадливі характеристики, він вважається батьком теорії декомпресії. Це був він, хто розробив перший таблиці занурення в 1908 році, на основі його досліджень на козах і членах сім’ї в гіпербаричній камері (не в той же час), і запису, що з ними сталося після повернення до 1ATA з різних глибин змодельованих для різного часу – повільно і швидко. Свині найближчі по фізіології до людини, але кози мають більше швидкий обіг речовин, та їх відношення маси тіла до серцевого викиду подібний до людського. Він також координував серію реальних занурень дайверів з Королівського флоту на борту HMS Spanker, поблизу Isle of Bute в Шотландії. У рамках цих випробувань він хотів довести, що водолаз може швидко спускатися без якихось негативних наслідків. Він вирішив, що перший дайвером для цього повинен бути він сам. Так він надів костюм і шолом, вагою 155 фунтів і пішов під воду, сподіваюся, забувши, що він не потрудився навчитися плавати.
Син Халдейн JBS Haldane, був відомий і досконалий генетик в своєму праві (Олдос Хакслі на основі його знаменитих робіт, створив «Чудовий новий світ»). Він став брати участь у дослідженнях свого батька і було більше, ніж хотілося б дозволено був у барокамері. Дійсно, в 1906 році, у віці 13 років він опинився кинутим за борт HMS Spanker у водолазному костюмі, який був занадто великим для нього, тому що Haldane старший побажав, щоб довести, що декомпресійні зупинки, які він розробив також працюють на непідготовлених людях! Він провів 30 хвилин у водолазному костюмі на морському дні в Шотландії в серпні. Після повернення назад на борт він був загорнутий в ковдри і йому було дано віскі для розігріву! Іноді риси і витівками вчених, є як, якщо не більш дивними і цікавими, ніж відкриття, які зробили їх знаменитими.
Половинний час
Старший Халдейн був першою людиною, що спробувала зробити модель, що відбувається з тілом під час занурення, пропонуючи, так звані відсіки тканин, що використовуються для моделювання з тіла різних тканин. Він використовував 5 відсіків, всі, хто має різний “половинний час”. Половинний час — загальний науковий термін, найбільш часто використовуваний в радіоактивності. Він описує час, необхідний для радіоактивних матеріалів до гниття до половини за початкову кількість атомів. Але він може застосовуватися також для поглинання газів і для відсіку даної тканини це означає час, який потрібен йому щоб стати половину насиченим або половина розсиченим інертним газом. Відсік тканини з половиною часу 5 хвилин відомий як швидкий відсік тканини, і він може моделювати кров, тоді як відсік тканини з половиною часу 240 хв повільний відсік тканин і може представляти кістки. 5 хвилинний відсік, так зветься, тому що на спуску займе 5 хвилин для того, щоб стати 50% насиченим газом. Після ще 5 хвилин буде 75% насиченості і потім 87.5% після 15 хвилин, а потім 96.88%, а потім 98.44%. З кожного циклу відсік стає 50% більш насиченим в порівнянні з його попереднім рівнем насиченості і так до повної насиченості. Так в теорії він ніколи не буде повністю насиченим так як він завжди переслідує цю точку на півдорозі. Для практичних цілей однак вважаємо це насичення після 6 половину часових періодів. Ви можете бачити, що найбільша норма насичення газами настає протягом першого періоду. Потім кожен послідовний період виробляє менш додаткової насиченості. При підйомі має місце розсичення газами, застосовується той же принцип, але в зворотному напрямку.
Перенасичення
Після того як відсік тканини повністю насичений це означає , що напруженість тканини дорівнює парціальному тиску газу, що надихається. Коли тканини насичені, фізично вони не можуть тримати будь-яку більшу кількість газу для цього конкретного навколишнього тиску. Якщо ми піднімаємся, ми зменшуємо навколишній тиск, що знижає парціальний тиск газу, який ми вдихаємо, що свою чергу, буде призводити до виникнення градієнту інертного газу. Хоча це скорочення тиску буде провокувати дегазацію, концепція половини часу розповідає нам, що для досягнення рівноваги між тканинами і легенями потрібен час. Через затримку напруга тканин буде більше, ніж парціальний тиску газу, який ми вдихаємо, а також може бути вищою, ніж навколишній тиск. Це відомо як перенасичення. Ми повинні мати певне перенасичення для того, щоб спровокувати градієнт тиску для дифузії газів з тканин назад в легені.
В той час як існує імовірність того, що під час рекреаційних занурень відсіки швидких тканини можуть стати насиченими, повільніші відсіки не будуть насиченими- якщо ви не в змозі зробити 1440 хвилин донного часу для насичення 240 хв. тканин. Тепер якщо напруга тканини стає вище зовнішнього тиску, вона стає “перенасиченою” під час підйому. Це вимагає трохи опису і таблиць, запозичених з відмінної книги TDI інструктор тренера Марк Пауелла, «Деко для дайверів».
Розглянемо приклад у книзі Марка, на 30 м тканина 1 насичена. Тканини 2, будучи повільнішим відсіком продовжує насичуватись газами; і досягла тільки 2,50 напруженості тканини, як ми піднялися до 20 м (3ATA), натхненний N2 впав до 2.37. Тканина 1 перенасичена напруженість тканини є вищою, ніж навколишній тиск і парціального тиск N2, що вдихається, тому він починає дегазуватися через градієнт інертного газу. Тканина 2 також почне дегазацію, але вона ще не є перенасиченою. Як ми піднялися до 10 м ми бачимо, що тканина 1 ще перенасичена, а тепер такою є і тканина 2, незважаючи на те, що вона не була перенасиченою на початку підйому. Пов’язуючи половину часу з перенасиченням робимо висновок, що тканина піде на півдорозі між поточним рівнем перенасичення, назад до насичення. Якщо перенасичення низьке буде на50% коротша відстань. Якщо високим буде на 50% довша відстань. Для відсіку 5 хвилинної тканини при зниженні навколишнього тиску від 4ATA до 3ATA, то в 5 хвилинній тканині буде напруженість 3.5. Але якщо замість цього піднімаємось від 4ATA до 2ATA, то є більша відстань між напругою тканини і напругою газу, що вдихається. Дегазація в обох випадках на 50%, але для останнього випадку це 50% більша різниця. Це означає, що дегазація відбувається швидше .
Критичне перенасичення і M-значення
Хоча ми повинні намагатися, щоб дегазація була найбільш ефективною перенасичення кожної тканини має теоретичні межі надмірного тиску, і це відомо як критичне перенасичення. Існує певна точка, в якій навколишній тиск зменшується достатньо а газ не може бути звільнений досить швидко з тканини, він буде виходити з розчину (пам’ятаємо Закон Генрі) і створювати міхур газу, який, звичайно призводить до декомпресійної хвороби (DCS) і інших незручностей.
Халдейн був досить розумний, щоб зрозуміти цей принцип в 1905 році, і він висловив це обмеження, як співвідношення між напругою інертного газу і навколишнього тиску. Він поставив його до 2:1, тобто водолаз міг зробити сходження від 2ATA до 1ATA без отримання загадкові хвороби DCS, як вона називалася в той час. Це співвідношення було переглянуто Робертом Воркменом (Workman), приємним дядьком теорії декомпресії, в 1960-х. Він змінив його на 1.58:1 до тих пір, як ми тільки говоримо про N2. Він перевірив попередні дослідження декомпресії Халдейна і зрозумів, що вони були досить недостатніми, коли справа дійшла до таких речей як безпечність дайвінгу. Він зрозумів, що відсіки швидших тканин могли миритися вищими рівнями надлишковому тиску ніж повільні відсіки, а також що всі відсіки могли впоратися з більшим перенасиченням як глибина зростає. Він придумав емпірично отримані рівняння для опису надлишкового тиску в різних тканинах на різних глибинах і назвав це М-значення.
Так що змінні, які контролюють щоб напруження тканин залишалися в межах М-значень, це глибина, час на глибині і темп сходження. Більша глибина означає більший градієнт інертного газу між нашими легенями і нашими тканинами, коли ми спочатку отримати максимальну глибину, це означає більше газу треба приймати до обліку. Більш тривалі терміни на дні означає більше часу для насичення, що навпаки означає більше часу потрібно для дегазації на сходженні. Темпи сходження це, як уявляючи повітряну кулю з невеликим отвором в ній наповнену повітрям, що висить ногами вниз на висоті 10 м. Якщо куля повільно піднімається, повітря розширюється і є час, щоб дати вихід через отвір надлишковому повітрю, куля не буде збільшуватися в розмірах. Але якщо вона піднімається занадто швидко, повітря не може вийти досить швидко і повітряна куля буде рости і в кінцевому підсумку лопне – критичне перенасичення досягне M-значення #DCS. Важко уявити, що повітряна куля має ноги хоча.
Рекреаційні дайвери значною мірою пов’язані з швидкими тканинами, і NDL і межі глибини призначені для запобігання занадто багатого нас насичення газами повільніших тканин. Ці обмеження, в поєднанні з обмеженням темпу підйому означає, що дайвери можуть зробити пряме сходження на поверхню і залишитися в межах М-значення для провідних тканин (ті, найближчі до М-значення). Але для декомпресійного дайвінгу все набагато складніше.
Декомпресійні занурення
Запам’ятайте, що Халдейн придумав 5 теоретичних відсіків тканин? Вони були 5, 10, 20, 40 і 75 хвилин. Більшість комп’ютерів для занурення тепер модель з 16 відсіками тканин. Кожен відсік має своє власне M-значення, яке лінійно змінюється в залежності від глибини і повільний відсік може бути 240 хвилин. Типове декомпресійне занурення на повітрі, щоб сказати, що 50 м на 25 хвилин буде означати набагато більшу кількість газів, якими насичуються тканини в порівнянні з без декомпресійним занурення на 40 м, і зараз ми не просто стурбовані швидким тканинами. На сходження обидві відсіки швидких і повільніших тканин знаходяться в небезпеці. Переходячи власно до конкретного M-значення, для даної глибини. Таким чином, ми повинні призупинятися дозволяючи цим тканина зменшити напругу. Це декомпресійні зупинки. Який би з 16 відсіків наближався до М-значення це вимагатиме перебування на даний глибині, дозволяючи йому достатню дегазацію, далі підйом може тривати, поки інший відсік тканини знову стає ближче до межі і так далі і так далі. Врешті-решт ми досягаємо поверхні після проведення серії зупинок різних по кількісті часу на шляху вгору. Якщо ми занурюємось на trimix тепер доводиться відслідковувати 32 відсіки-16 для гелію (He) і 16 для N2. Темпи сходження вступають в гру тут теж. Якщо я піду на глибину і з глибини занадто повільно, я буду довше продовжувати насичення газами моїх повільніших тканин, це означає, потенційно раннього досягнення декомпресійної стелі (в залежності від чи підйом викликає перенасичення), або розширення моїх деко зупинок і/або. Мені потрібно рухатися так швидко, як дозволено через глибокі зупинки поки не досягну мого першого перемикання газу, так що я мушу мінімізувати кількість насичення газами моїх повільних тканин, а також перебувати в межах аналогії з повітряною кулею для провідних тканин. Потім я потрібно буде підніматися повільніше під час зупинок на малій глибині. Докладніше про темпи сходження у наступній статті, поряд з додатковими ускладненнями бульбашкової механіки.
Концепція M-значень широко прийнята в межах дайвінгу і з тих пір як Воркмен провів свої дослідження, вони були змінені і уточнені різними дослідниками, перш за все, д-р Альбертом Бульманом –«Дослідження декомпресії» . Вони як і раніше є невід’ємним компонентом майже кожного відомства по зануренням таблиць і різних виробників комп’ютерних алгоритмів для занурень.
Було б дуже легко дризжчати про M-значення і малювати багато графіків, які показують, поведінку газів в окремих тканинах і ілюструвати як зниження напруження тканин і навколишнього тиску стосується лінії M-значень для цієї тканини під час сходження. Якщо ви зацікавлені в цьому, то є багато статей в Інтернеті, які легко знайти. А навіть краще отримати в дискусію про це з друзями по зануренням або на заняттях з інструктором. TDI класи теорії декомпресійні процедур є прекрасною можливістю. На даний момент це все ,треба дати вашим очам та мозку заслужений відпочинок до третьої і останньої статті.
Richard Devanney
References and further reading:
- Powell, M. (2008). Deco for divers, published by Aquapress.
- Goodman, M. (2007). Suffer and survive: The extreme life of JS Haldane.
Richard Devanney is a TDI, PADI TecRec, and SSI XR instructor currently seeking a full-time tech instructor role. He currently lives in Reykjavik, Iceland, and works as a full-time instructor/dive guide for the busy summer season, predominantly taking divers through Silfra Fissure, where the European and American tectonic plates meet. He previously managed Big Blue Tech, a successful and well-respected TDI technical diving school in Thailand. After 4 years in Thailand, he left to continue pursuing his own technical diving ambitions.
He runs a Facebook tech diver information page called zenith diving, and will be running a technical diving consultancy of the same name when he is in a position to teach technical diving again. You can contact him at rdevanney@gmail.com or rich@zenithdiving.com.