Ciśnienie

Większość ludzi zdaje sobie sprawę, że zanurzający się płetwonurek jest wystawiony na działanie zwiększonego ciśnienia. Także osoby nie nurkujące zazwyczaj miały do czynienia ze zwiększonym ciśnieniem pod wodą – gdy podczas nurkowania na zatrzymanym oddechu na basenie odczuwały ucisk w uszach na głębokości dwóch czy trzech metrów (choć mogły nie wiedzieć, jak wyrównać ciśnienie w uszach i pozbyć się dyskomfortu). Ciśnienie to wielkość fizyczna opisująca siłę działającą na jednostkę powierzchni. Zgodnie z definicją fizyczną,

ciśnienie = siła ÷ powierzchnia

Ciśnienie atmosferyczne.

Ciśnienie może być wywierane na wiele sposobów, na przykład przez nacisk twojej dłoni na powierzchnię stołu. W nurkowaniu, zazwyczaj jesteśmy zainteresowani ciśnieniem gazów którymi oddychamy, i ciśnieniem otaczającej nas wody.

Na powierzchni, działa na ciebie ciśnienie wywierane przez atmosferę ziemską, wynikające z ciężaru powietrza. Galileusz, włoski badacz z epoki renesansu, pierwszy wykazał że powietrze ma ciężar, a Evangelista Toricelli, włoski matematyk, wywnioskował, że jeśli atmosfera otacza wszystko i człowiek żyje na dnie tego „morza powietrza”, jego ciało nieustannie wystawione jest na ciśnienie zewnętrzne. W jego klasycznym eksperymencie, zanurzona w zbiorniku z rtęcią menzurka, przy próbie wyjęcia jej ze zbiornika, „zasysa” rtęć. Ciężar rtęci powoduje powstanie próżni w górnej części menzurki, przy czym maksymalna wysokość słupa rtęci w menzurce może wynieść około 760 mm, co odpowiada ciśnieniu 1,03 kilograma na centymetr kwadratowy. Toricelli uznał, że wielkość ta odpowiada ciśnieniu wywieranemu przez atmosferę, które „próbuje” wepchnąć rtęć do środka menzurki. W każdym razie, dawniej ciśnienie oznaczano właśnie w milimetrach słupa rtęci (mm Hg).

Ciśnienie wody.

W trakcie nurkowania działa na ciebie ciśnienie wody, zwane też ciśnieniem hydrostatycznym. Jest ono spowodowane ciężarem wody naciskającej na ciebie, w taki sam sposób, w jaki ciężar powietrza wywołuje ciśnienie atmosferyczne. Kilkadziesiąt lat po Torricellim, w podobnym eksperymencie francuski naukowiec Blaise Pascal wykazał, że ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza jest równe ciśnieniu wywieranemu przez słup wody morskiej o wysokości 10 metrów. Można to wyliczyć przy użyciu prostej matematyki.

Litr – czyli sześcian o wymiarach 10 cm × 10 cm × 10 cm – wody morskiej waży około 1,03 kg. Powierzchnia dolnej części sześcianu wynosi 10 cm × 10 cm = 100 cm2. Aby wyliczyć ciśnienie dziesięciocentymetrowego słupa wody na jeden centymetr kwadratowy powierzchni dna, dzielimy 1,03 kg przez 100 cm2, otrzymując 0,0103 kg/cm2. Ciśnienie wywierane przez jednometrowy słup wody morskiej jest dziesięciokrotnie większe – wynosi 0,103 kg/cm2. Dzieląc wartość ciśnienia atmosferycznego przez tę wielkość, możemy wyliczyć ile metrów wody wywiera ciśnienie równe atmosferycznemu: 1,030 kg/cm2 ÷ 0,103 kg/cm2 = 10. Zatem, 10 metrów słonej wody wywiera ciśnienie równe atmosferycznemu.

Terminologia dotycząca ciśnienia.

W zależności od twoich potrzeb, możesz mierzyć i zapisywać ciśnienie na wiele różnych sposobów, przy czym wielu z nich nie stosuje się w nurkowaniu. Wśród płetwonurków najczęściej słyszy się o barach, atmosferach i psi (system imperialny – funty na cal kwadratowy, pounds per square inch). Nieco rzadziej wyraża się ciśnienie w metrach lub stopach wody słodkiej albo słonej. Omówimy tutaj różne zwroty używane przy obliczaniu cisnienia. Najbardziej podstawową jednostką ciśnienia jest atmosfera lub bar, zapisywane w skrócie jako atm lub bar. Jedna atm/bar jest wartością ciśnienia atmosferycznego na poziomie morza. Wprawdzie te dwie jednostki nie są dokładnie równoważne – jest pomiędzy nimi różnica ok. 1,3% - ale dla celów nurkowych możemy zignorować tę różnicę i przyjąć, że atm i bar są tym samym.

Ciśnienie absolutne (absolute pressure) to miara przyjmująca za zero ciśnienie w próżni. Jest to wartość całkowitego ciśnienia, którą zazwyczaj używasz do opisania wpływu ciśnienia na gazy nurkowe i na twoje ciało. Z kolei, ciśnienie względne (gauge pressure) przyjmuje za punkt zerowy wartość 1 atm/bar, jest więc różnicą pomiędzy ciśnieniem całkowitym a ciśnieniem atmosferycznym. Używasz tej wielkości przy określaniu przydatnego ciśnienia, ją własnie wskazuje większość manometrów i głębokościomierzy. Aby uzmysłowić sobie różnicę, wyobraź sobie, że manometr założony na pustą butlę nurkową wskazuje 0. Gdy odkręcisz zawór, gaz nie przepływa - ciśnienie na zewnątrz i wewnątrz butli jest takie samo, a ciśnienie względne wynosi 0 atm/bar. Jednak w butli jest powietrze – bezwzględne ciśnienie w tej butli wynosi 1 atm lub 1 bar, tyle samo co na zewnątrz. Aby podkreślić różnicę między ciśnieniem absolutnym i względnym, na manometrach wyskalowanych w systemie metrycznym są zazwyczaj dodane słowa absolute lub gauge - o ile nie wynika to z kontekstu. Z kolei, jednostki ciśnienia na manometrach wyskalowanych w systemie imperialnym często zakończone są na literę „a” (absolute) lub „g” (gauge): ciśnienie absolutne w atmosferach zapisuje się jako ata, a cisnienie wyrażone w funtach na cal kwadratowy może być zapisane jako psia (absolute) lub psig (gauge).

W systemie metrycznym, ciśnienie w butlach zazwyczaj określane jest w barach. Z kolei, funty na cal kwadratowy - pounds per square inch (psi, psia, psig), to jednostki ciśnienia powszechnie stosowane w systemie imperialnym do określania ciśnienia w butlach. Płetwonurkowie rzadko stosują kilogramy na centymetr kwadratowy (kg/cm2), choć ta jednostka często stosowana jest przez naukowców. Zarówno w systemie metrycznym, jak i imperialnym, ciśnienie bywa wyrażane poprzez głębokość – metry słonej wody (metres of seawater, msw), metry słodkiej wody (metres of freshwater, mfw), stopy słonej wody (feet of seawater, fsw) lub stopy słodkiej wody (feet of freshwater, ffw). Ten sposób określania ciśnienia ma zastosowanie na przykład przy określaniu maksymalnego ciśnienia wytrzymywanego przez obudowy do aparatów i kamer podwodnych.

Ciśnienie a ciała stałe i ciecze

Materia we wszystkich stanach skupienia jest potencjalnie ściśliwa. Na poziomie atomowym, nawet w bardzo gęstych substancjach takich jak ołów czy uran, jest znacznie więcej pustej przestrzeni niż wypełniających ją cząstek elementarnych. Może się to wydawać zadziwiające, zważywszy na to, jak gęsta i ciężka wydaje się ołowiana sztabka. Jednak w gwiazdach neutronowych materia, ściśnięta przez niewyobrażalną siłę grawitacji, staje się tak gęsta, że przyniesiona na Ziemię łyżeczka od herbaty materii z jądra takiej gwiazdy ważyłaby około miliarda ton! Daje to pewne wyobrażenie na temat stopnia, w jakim kompresowalna jest materia otaczająca nas na Ziemi.

Oczywiście, siły niezbędne do skompresowania materii w takim – ani nawet w znacznie mniejszym – stopniu nie istnieją na Ziemi. Zatem mimo iż materia jest ściśliwa, w zakresie ciśnień występujących w nurkowaniu można przyjąć, że ciecze i ciała stałe są praktycznie nieściśliwe. Ciecze, choć nieściśliwe, mogą jednak przewodzić i wywierać ciśnienie – jak już się dowiedziałeś. Natomiast gazy są w dużym stopniu ściśliwe. Zgodnie z prawem Pascala, ciśnienie zewnętrzne wywierane na powierzchnię wody (lub innej cieczy) jest rozprowadzane równo we wszystkich kierunkach. Na tej właśnie zasadzie działają wszystkie urządzenia hydrauliczne. Pompy przenoszą ciśnienie na ciecz hydrauliczną w tłoku podnośnika; przekazywane ciśnienie sprawia, że tłok się unosi, podnosząc dźwigany obiekt. Podnośniki hydrauliczne mogą stosować ogromne siły tylko dzięki przykładaniu potrzebnego ciśnienia.

Zdolność przenoszenia ciśnienia przez ciecze dotyczy ciebie na dwa najważniejsze sposoby. Po pierwsze, na danej głębokości oddziałuje na ciebie ciśnienie atmosferyczne, plus ciśnienie wywierane przez całą wodę ponad tobą. Zatem, w celu określenia ciśnienia absolutnego na danej głębokości, musisz najpierw wyliczyć ciśnienie hydrostatyczne, a następnie dodać wartość ciśnienia atmosferycznego. Na przykład, na głębokości 10 metrów ciśnienie absolutne wynosi 2 bary:

1 bar ciśnienia hydrostatycznego + 1 bar ciśnienia atmosferycznego = 2 bary ciśnienia absolutnego

W miarę zanurzania, ciśnienie rośnie o 1 bar co 10 metrów w słonej wodzie, lub co 10,3 metra w wodzie słodkiej. Ponieważ woda jest nieściśliwa, ta wartość pozostaje stała bez względu na głębokość. Ponieważ ten związek między głębokością a ciśnieniem pozostaje niezmienny, łatwo możesz określić ciśnienie absolutne na dowolnej głębokości. Na przykład, ciśnienie na głębokości 30 metrów wynosi:

30 msw ÷ 10 msw = 3 bar
3 bary ciśnienia hydrostatycznego + 1 bar ciśnienia atmosferycznego = 4 bary ciśnienia absolutnego

Gdy znasz już ciśnienie absolutne w barach, możesz przeliczyć je na kilogramy na centymetr kwadratowy, mnożąc ciśnienie w barach przez 1,03 aby otrzymać wartość w kg/cm2. Tak więc, w słonej wodzie na głębokości 240 metrów ciśnienie absolutne wynosi 25 barów, czyli 25,75 kg/cm2:

(240 msw ÷ 10 msw) + 1 bar = 25 bar
25 bar × 1,03 = 25,75 kg/cm2

Ponieważ tkanki ciała składają się w większości z wody, a woda przewodzi ciśnienie, w trakcie nurkowania działajace na nas zewnętrzne ciśnienie jest rozprowadzane równomiernie i nie odczuwamy bezpośredniego nacisku wody. Dlatego nurkowie mogą wytrzymać duże ciśnienia panujące pod wodą. Odczuwasz wpływ ciśnienia jedynie w przestrzeniach powietrznych ciała – i dlatego w trakcie kursu na stopień podstawowy uczysz się wyrównywać ciśnienie pomiędzy nimi a środowiskiem zewnętrznym, co pozwala uniknąć dyskomfortu i urazów.

Ciśnienie a zachowanie gazów

Większość dotyczących nas pod wodą efektów ciśnienia ma związek z zachowaniem gazów. Gdy zmieniamy głębokość zanurzając się lub wynurzając, gaz w naszych przestrzeniach powietrznych i w naszym sprzęcie zmienia objętość, wpływając na naszą pływalność i fizjologię. Ciśnienie wpływa też na tempo absorbcji gazów przez nasze tkanki, przez co musisz ograniczać czas pobytu pod wodą, tak by mieścić się w limitach wyznaczanych przez tabele bądź komputery nurkowe. Również temperatura ma wpływ na ciśnienie gazów – w butli rozgrzanej na słońcu jest większe ciśnienie niż w tej samej butli po zanurzeniu w zimnej wodzie.

Kinetyczna teoria gazów

Zrozumienie zachowanie gazów i pojęcie ciśnienia jest możliwe dzięki kinetycznej teorii gazów. Zapewne pamiętasz, że energia kinetyczna to energia mechaniczna ruchu. Gazy zachowują się w określony sposób właśnie dzięki ruchowi swoich cząsteczek.

Energia kinetyczna cząsteczki gazu zależy od jej prędkości – powiązanej z temperaturą, oraz od masy – zależnej od rodzaju substancji. Większe i szybciej poruszające się cząsteczki cięższych gazów wywierają większą siłę przy uderzeniu. Jak dowiedziałeś się wcześniej, temperatura jest miarą prędkości poruszania się cząsteczek; im wyższa temperatura, z tym większą prędkością poruszają się cząsteczki, częściej uderzając w obiekty – i wywierając większe ciśnienie.

Co może wydawać się ciekawe, gazy o cząsteczkach o różnej masie, lecz o tym samym cieple wywierają takie samo ciśnienie na ścianki. Cząsteczki o większej masie cząsteczkowej poruszają się wolniej, więc sumarycznie wywierają takie samo ciśnienie na ścianki jak gazy o mniejszej masie cząsteczkowej, poruszające się z większymi prędkościami.Temperatury są różne (jak pamiętasz, ciepło to nie to samo co temperatura). Na przykład, w lekkim gazie takim jak hel, po dostarczeniu pewnej ilości ciepła, cząsteczki przyspieszają w większym stopniu niż w cięższym tlenie. Mimo to, zmiana ciśnienia byłaby taka sama. Cięższy tlen, którego cząsteczki poruszają się znacznie wolniej, wywiera takie samo ciśnienie dzięki zwiększonej masie cząsteczkowej.

Różne gazy, w tej samej temperaturze i ciśnieniu zachowują tą wzajemną relację między prędkością i masą molekuły. Cząstki w lżejszych gazach poruszają się szybciej. Z kinetycznej teorii gazów wynika, że porcja gazu w określonej temperaturze ma energię kinetyczną taką jak ta sama ilość molekuł innego gazu w tej samej temperaturze (mowa o tzw "gazach idealnych", ale to przybliżenie jest prawidłowe przy ciśnieniu i temperaturze z jakimi mamy do czynienia podczas nurkowania).

Wyobraź sobie piłkę do tenisa i piłkę do koszykówki. Jeżeli rzucisz jedną i drugą z taką samą siłą, lżejsza piłeczka do tenisa poruszać się będzie szybciej, zaś cięższa koszykowa - wolniej. Jednak obie piłki uderzą o ścianę z taką sama siłą, ponieważ obie piłki – lżejsza i szybciej poruszająca się tenisowa oraz ciężka, wolno lecąca koszykowa – będą mieć taką samą energię. Poza temperaturą i ciśnieniem, zachowanie gazu jest zależne od jego objętości. Wyobraź sobie balon wypełniony gazem. Po ściśnięciu jego objętość maleje, i cząsteczki gazu zbliżają się do siebie. Częściej zderzają się ze sobą nawzajem i ze ściankami balonu, a tę zwiększoną częstość zderzeń postrzegamy jako zwiększone ciśnienie. Analogicznie, jeżeli rozciągamy ten balon (bez dodawania gazu), jego objętość przy rozprężaniu zwiększa się. Powoduje to, że średnie odległości między cząsteczkami zwiększają się, maleje częstość zderzeń, i przez to zmniejsza się ciśnienie. Ten związek pomiędzy prędkością a masą sprawia, że wszystkie gazy odpowiadają w ten sam sposób na zmiany temperatury, objętości i ciśnienia. Oznacza to, że bez względu na to, z jakim gazem masz do czynienia, zachowuje się on w ten sam sposób co inne gazy z punktu widzenia najważniejszych praw gazowych.

No dobrze, prawie. Zasada, według której wszystkie gazy mają takie same właściwości w odniesieniu do relacji między zmianą ciśnienia a zmianą temperatury, to prawo gazów idealnych. Stwierdza ono, że wszystkie gazy zachowują się zgodnie z tymi samymi, idealnymi prawami. Jednak w rzeczywistości tak nie jest – dzięki indywidualnym właściwościom cząsteczek różnych gazów, związanych np. z ich kształtem, zachowanie gazów nieco odbiega od modelu. Na przykład, niektóre gazy w większym stopniu ulegają sprężeniu przy wzroście ciśnienia niż wynikałoby to z prawa gazów idealnych. Z tego powodu fizycy często stosują prawo gazów rzeczywistych, uwzględniające indywidualne cechy różnych gazów.

Prawo gazów rzeczywistych bardziej precyzyjnie opisuje zachowanie różnych gazów, ale jest nieporównanie bardziej złożone matematycznie. Na szczęście, w warunkach z którymi mamy do czynienia podczas nurkowania, prawo gazów idealnych wystarczająco dokładnie opisuje zachowanie gazów rzeczywistych. Różnice między gazami wynikające z ich indywidualnych właściwości nie mają większego zastosowania nawet w warunkach temperatury i ciśnienia jakich doświadczamy w trakcie nurkowań technicznych na głębokości przekraczające 100 metrów. Praktycznie, jedyną sytuacją związaną z nurkowaniem, w której różnice pomiędzy gazami rzeczywistymi a idealnym powodują mierzalne różnice, jest sporządzanie mieszanek gazowych – nitroksu i trimiksu (to mieszanka tlenu, azotu i helu, stosowana w nurkowaniach technicznych). Mimo tego, większość osób sporządzających mieszanki i tak stosuje prawo gazów idealnych, przedkładając prostotę obliczeń nad usunięcie niewielkich rozbieżności w składzie mieszanki.

Liczba Avogadra

W 1811 roku, włoski naukowiec i filozof Amadeo Avogadro stwierdził, że w określonej objętości gazu w stałych warunkach temperatury i ciśnienia zawsze znajduje się ta sama ilość cząsteczek gazu, niezależnie od rodzaju gazu. Wiele lat później fizycy obliczyli, że w temperaturze 0°C i przy ciśnieniu 1 bara, 22,4 litry gazu zawierają 602257 miliardów miliardów cząsteczek – czyli 6,023 × 1023. Tę wielkość nazywamy liczbą Avogadra, a ilość cząsteczek dowolnej substancji równa liczbie Avogadra jest w chemii określana jako mol. Zastosowanie liczby Avogadra doprowadziło do powstania Ogólnego Prawa Gazowego dla Gazów Idealnych, pojedynczego równania opisującego zachowanie dowolnego gazu przy zmieniającym się ciśnieniu, temperaturze i objętości:

pV = nRT

W powyższym równaniu, p to ciśnienie bezwzględne; V – objętość; n – liczba moli gazu; R – universalna stała gazowa, czyli 8,314 J/K (dżul/kelvin), a T – temperatura bezwzględna.

To jedno prawo łączy w sobie dwa prawa opisane w dalszej części rozdziału, czyli prawa Boyle’a-Marriotte’a oraz prawa Charlesa. Spojrzymy na każde z nich z osobna, a następnie na zastosowania uproszczonego Ogólnego Prawa Gazowego w nurkowaniu.

Prawo Daltona

Prawo Boyle’a-Moriotte’a, Charlesa i oba razem w postaci Ogólnego Prawa Gazowego opisują zachowanie dowolnego gazu bądź mieszanki gazów – czyli zarówno czystego tlenu, powietrza, nitroksu, jak i trimiksu. Prawa te umożliwiają określenia ilości posiadanego gazu i zmian jego objętości, są zatem bardzo istotne dla nurków.

Spójrzmy teraz na inne właściwości gazów, szczególnie odnoszące się do fizjologii. Gdy mówimy o oddychaniu mieszanką gazową, poszczególne gazy wchodzące w jej skład zaczynają mieć znaczenie. Gdy gazy mieszają się, ich cząsteczki rozprowadzane są równomiernie. Oznacza to, że chociaż mogą różnić się masą cząsteczkową i wielkością, to dzięki ich bezustannemu ruchowi będą wymieszane równomiernie. Jednak w obrębie tej jednorodnej mieszanki, każdy z gazów wykazuje swoje indywidualne zachowanie w odniesieniu do ciśnienia.

Pierwszą osobą, która zbadała to zjawisko był angielski naukowiec John Dalton – znany również jako ten, który pierwszy stwierdził, że materia złożona jest z atomów. Wyniki jego doświadczeń nad zachowaniem gazów w mieszankach opisuje prawo Daltona: całkowite ciśnienie mieszaniny gazów jest równe sumie ciśnień poszczególnych gazów wchodzących w skład tej mieszaniny – każdy gaz zachowuje się, jakby tylko on był obecny i zajmował całą przestrzeń. W skrócie oznacza to, że każdy z gazów wchodzących w skład mieszanki zachowuje się niezależnie od innych. Indywidualne ciśnienie wywierane przez każdy z gazów składowych jest proporcjonalne do ilości cząsteczek tego gazu w mieszaninie. To indywidualne ciśnienie wywierane przez każdy z gazów tworzących mieszaninę określane jest jako ciśnienie parcjalne (partial pressure, oznaczane jako pp lub z literą P przed nazwą gazu – np. PO2). Tak jak wskazuje nazwa, ciśnienie parcjalne gazu w mieszaninie jest częścią całkowitego ciśnienia wywieranego przez mieszaninę. Zrozumienie pojęcia ciśnienia parcjalnego jest ważne, ponieważ, jak wkrótce się dowiesz, zarówno rozpuszczalność, jak i dyfuzja gazów w tkankach ciała są proporcjonalne do ciśnienia parcjalnego tego gazu.

Jako przykład, weźmy powietrze. Dla uproszczenia, zignorujemy gazy śladowe zakładając, że powietrze składa się z 21% tlenu i 79% azotu. Zatem, zgodnie z prawem Daltona, 21% całkowitego ciśnienia będzie wywierane przez cząsteczki tlenu, a 79% całkowitego ciśnienia będzie wywierane przez cząsteczki azotu w mieszaninie. Jeśli całkowite ciśnienie wynosi 1 bar (ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza), to ciśnienie parcjalne tlenu wyniesie 0,21 bara, a ciśnienie parcjalne azotu – 0,79 bara. Zamiast barów, można w analogiczny sposób użyć dowolnych innych jednostek, np. psi bądź kg/cm2, jednak w zastosowaniach nurkowych ciśnienia parcjalne zazwyczaj podaje się w barach.

Zjawisko to jest szczególnie ważne zarówno w nurkowaniu rekreacyjnym, jak i technicznym ze względu na fakt, że tlen staje się toksyczny w chwili, gdy jego ciśnienie parcjalne przekracza 1,4 bara. Chociaż nie przekroczysz tego limitu nurkując z powietrzem w granicach nurkowania rekreacyjnego, to w trakcie nurkowania z użyciem nitroksu (mieszanki tlenu z azotem, o zawartości tlenu wyższej niż w powietrzu) może się to zdarzyć. Mieszanki nitroksowe różnią się zawartością tlenu, i w związku z tym mają różną maksymalną głębokość operacyjną – czyli głębokość, na której ciśnienie parcjalne tlenu osiągnie wartość 1,4 bara. W nurkowaniu technicznym, nawet powietrze zawiera zbyt wiele tlenu w trakcie nurkowania poniżej 67 metrów. Dlatego nurkowie techniczni, schodzący na duże głębokości, używają gazów oddechowych zawierających hel – pozwalający na zmniejszenie ciśnienia parcjalnego tlenu, jak i ciśnienia parcjalnego wywołującego narkozę azotu. Nurkowie techniczni zwykle biorą ze sobą na nurkowanie jedną lub więcej mieszankę oddechową do użycia w trakcie dekompresji – każda z nich o określonej zawartości tlenu, i o wyznaczonej maksymalnej głębokości operacyjnej w oparciu o PO2. Prawo Daltona może być również wykorzystane przy rozpatrywaniu zanieczyszczeń gazów oddechowych. Stosując prawo Daltona, możesz porównać efekt oddychania gazem o określonym stężeniu parcjalnym w mieszance używanej na określonej głębokości z efektem oddychania mieszanką zawierającą większą ilość tego gazu na powierzchni. Jest to tak zwany ekwiwalent powierzchniowy (surface equivalency).

Na przykład, wyobraź sobie, że na skutek awarii sprężarki przy nieefektywnym systemie filtracji, butla nurkowa została nabita gazem zawierającym 0,05% tlenku węgla (CO). Chociaż jest to wysoce niepożądane, kilkugodzinne oddychanie tlenkiem węgla o takim stężeniu na powierzchni – czyli pod ciśnieniem parcjalnym PCO = 0,0005 bara – nie będzie stanowić zagrożenia dla życia. Jednak na głębokości 40 metrów, przy ciśnieniu absolutnym równym 5 bar, sytuacja się zmienia. Teraz PCO wyniesie 0,0025 bara, i ilość molekuł CO wdychanych przez nurka jest taka, jakby na powierzchni oddychał mieszanką zawierająca 0,25% CO. Jest to śmiertelnie niebezpieczne. Dlatego ekwiwalentem powierzchniowym opisanej mieszanki podczas nurkowania na 40 m jest mieszanka oddechowa zawierająca 0,25% tlenku węgla. W składzie mieszanki w butli nic się oczywiście nie zmieniło, ale inne są fizjologiczne konsekwencje oddychania mieszaniną na skutek wzrostu ciśnienia parcjalnego gazu toksycznego.

Prawo Henry’ego

Codziennie mamy do czynienia z roztworami różnych substancji – na przykład wtedy, gdy mieszamy cukier z kawą. Cząsteczki substancji rozpuszczonej (w powyższym przykładzie, cukru) zostają równomiernie wymieszane i rozmieszczone wśród cząsteczek rozpuszczalnika (wody). Chociaż substancja rozpuszczona i rozpuszczalnik współwystępują, obie substancje wciąż wykazują cechy indywidualne.

Ciekawą cechą gazów rozpuszczonych w wodzie jest to, że zachowują one własności typowe dla gazów. Chociaż są całkowicie otoczone przez cząsteczki cieczy – rozpuszczalnika, cząsteczki gazu wciąż wywierają ciśnienie. Takie ciśnienie wywierane przez cząsteczki danego gazu rozpuszczonego w cieczy nazywane jest prężnością gazu (gas tension). William Henry, angielski chemik i fizyk, współpracownik Johna Daltona, był jedną z pierwszych osób badających zachowanie gazów rozpuszczonych w cieczach. Wnioski, do których doszedł w trakcie swoich eksperymentów, ujmuje prawo Henry’ego: ilość gazu, która rozpuszcza się w cieczy w danej temperaturze, jest wprost proporcjonalna do ciśnienia parcjalnego tego gazu. Istnieją zatem dwa podstawowe czynniki wpływające na rozpuszczalność gazu w cieczy: ciśnienie parcjalne gazu i temperatura. Także ciecze różnią się rozpuszczalnością wobec konkretnych gazów.

Jako nurkowie, zainteresowani jesteśmy przede wszystkim rozpuszczalnością gazów w wodzie, która jest rozpuszczalnikiem stanowiącym większą część masy naszych ciał. Wyobraź sobie teoretyczne wiadro wody, nie zawierającej żadnych rozpuszczonych gazów. W takim wiadrze, prężność gazów wynosi zero. Gdy tylko woda wejdzie w kontakt z gazem, jego cząsteczki zaczną przenikać do cieczy – przepływając ze strefy wysokiego ciśnienia do strefy niskiego ciśnienia, podobnie jak wówczas, gdy otworzysz zawór napełnionej butli i sprężone powietrze wypływa na zewnątrz. Gaz będzie się rozpuszczał w wodzie aż do momentu, gdy prężność tego gazu (ciśnienie) osiągnie taką samą wartość, jak jego ciśnienia parcjalne ponad wiadrem.

Zjawisko to przebiega w ten sam sposób wówczas, gdy w kontakcie z wodą znajdzie się mieszanina gazów – na przykład powietrze. Zgodnie z prawem Daltona, każdy z gazów znajdujących się w kontakcie z wodą będzie się w niej rozpuszczał aż do chwili, gdy jego prężność w roztworze będzie miała taką samą wartość, jak jego ciśnienie ponad roztworem. Każdy z gazów w mieszaninie będzie się zachowywał niezależnie od innych. Jeśli więc włożysz do komory ciśnień zawierającej czysty azot wspomniane wyżej wiadro wody pozbawione wszelkich gazów, N2 będzie rozpuszczał się w roztworze aż do chwili, gdy jego prężność w roztworze zrówna się z PN2 w kontakcie z cieczą. Teraz wyobraź sobie, że zwiększamy całkowite ciśnienie poprzez dodanie do komory pewnej ilości tlenu. Chociaż ciśnienie bezwzględne wzrosło, PN2 w kontakcie z wodą jest takie samo, i azot już nie przechodzi do roztworu. Natomiast zacznie się w niej rozpuszczać tlen, aż do chwili, gdy jego prężność zrówna się z PO2 w atmosferze komory.

Różnica pomiędzy ciśnieniem parcjalnym gazu w kontakcie z cieczą a prężnością gazu w cieczy nazywana jest gradientem ciśnień (pressure gradient). Gdy gradient ciśnień jest duży, tempo wnikania cząsteczek gazu do wody jest wysokie. W miarę rozpuszczania gazu w wodzie maleje gradient ciśnień, i spada tempo przenikania cząsteczek gazu do wody.

Gdy prężność gazu w cieczy osiągnie równowagę z ciśnieniem parcjalnym gazu pozostającego w kontakcie z cieczą, nie następuje już przyrost ani spadek całkowitej ilości rozpuszczonego gazu w cieczy. Poszczególne cząsteczki będą rozpuszczać się w cieczy i jednocześnie opuszczać ją – niemniej całkowita ilość cząsteczek rozpuszczonych będzie pozostawać na stałym poziomie. Ciecz zawierającą taką stałą ilość cząsteczek gazu określamy jako wysyconą tym gazem.

Wyobraź sobie, że poprzednio opisane wiadro pozostało w komorze rekompresyjnej wypełnionej azotem i tlenem wystarczająco długo, by nastąpiło wysycenie wody tymi dwoma gazami. Gdy podniesiesz ciśnienie poprzez dodanie do komory azotu, woda przestanie być wysycona azotem, który będzie rozpuszczać się w niej aż do chwili zrównania prężności azotu w wodzie z ciśnieniem parcjalnym tego gazu ponad roztworem. Jednak w odniesieniu do tlenu, woda pozostaje wysycona tym gazem, jako że PO2 pozostaje stałe. Tylko podniesienie ciśnienia parcjalnego tlenu przez dodanie O2 do komory może spowodować zwiększenie ilości tego gazu w roztworze. Zatem, im większe ciśnienie parcjalne gazu w kontakcie z wodą, tym więcej gazu rozpuści się w niej – i gaz będzie się rozpuszczał aż do chwili zrównania prężności gazu rozpuszczonego z jego ciśnieniem parcjalnym.

Wyobraźmy sobie teraz, że umieściłeś to wiadro z wodą w komorze rekompresyjnej w atmosferze azotu i tlenu pod ciśnieniem dwóch barów na czas wystarczająco długi, by nastąpiło wysycenie wody obydwoma gazami. Co się stanie, gdy obniżysz ciśnienie do jednego bara? Obniżenie ciśnienia w takim układzie oznacza, że prężność gazów rozpuszczonych w cieczy jest wyższa niż ciśnienia parcjalne tych samych gazów znajdujących się w kontakcie z powierzchnią. Woda będzie przesycona gazami, czyli zawierać będzie więcej rozpuszczonych gazów niż mógłby ich pomieścić roztwór pod tym ciśnieniem. Znowu pojawi się gradient ciśnień, i gazy będą przepływać z układu o wyższym ciśnieniu do układu o niższym ciśnieniu. Tym razem układem o wyższym ciśnieniu będzie roztwór – zatem gazy będą się wydzielać z roztworu (desaturacja) aż do chwili osiągnięcia stanu równowagi z ciśnieniami parcjalnymi tych gazów w kontakcie z roztworem. Jeśli przed obniżeniem ciśnienia woda miała PN2 równe 1,58 bara i PO2 równe 0,42 bara, po obniżeniu ciśnienia do 1 bara oba gazy będą wydzielać się z roztworu aż do chwili, gdy PN2 wyniesie 0,79 bara a PO2 – 0,21 bara – tyle, ile w wynoszą one w mieszaninie w kontakcie z powierzchnią wody.

Na skutek twoich doświadczeń z napojami gazowanymi, mógłbyś oczekiwać, że w wodzie pojawią się pęcherzyki w trakcie wydzielania azotu i tlenu z roztworu. W praktyce, takich pęcherzyków raczej nie zobaczysz: ciecze mogą tolerować znaczne przesycenie gazami bez formowania pęcherzyków. Zamiast tego, gaz będzie dyfundował z roztworu przez jego powierzchnię. Jeśli jednak prężność rozpuszczonego gazu będzie zbyt duża – a właściwie, jeśli gradient ciśnień będzie zbyt duży – gaz będzie wydzielać się z roztworu szybciej niż może dyfundować przez powierzchnię cieczy. Wtedy dojdzie do powstania pęcherzyków. Inne czynniki, takie jak wstrząśnięcie cieczy, mogą także ułatwić powstawanie pęcherzyków.

W ten właśnie sposób prawo Henry’ego odnosi się do nurkowania i dekompresji. Podczas nurkowania jesteś poddany zwiększonemu ciśnieniu, i oddychasz gazami oddechowymi – powietrzem bądź nitroksem – pod ciśnieniem równym otaczającemu cię. W związku z tym, PN2 jest wyższe w twoich płucach niż w twojej krwi i w pozostałych twoich płynach ustrojowych. Zgodnie z prawem Henry’ego, azot rozpuszcza się w twoich tkankach (to samo dzieje się z tlenem – ale ponieważ procesy metaboliczne powodują jego szybkie zużycie, nie ma on wpływu na dekompresję). Kiedy się wynurzasz, twoje tkanki są przesycone azotem. O ile pozostałeś w granicach limitów bezdekompresyjnych tabel bądź komputera, gradient PN2 będzie na tyle niski, że nie dojdzie do tworzenia się pęcherzyków azotu odpowiadających za wystąpienie choroby dekompresyjnej.

Jeżeli przekroczysz limity bezdekompresyjne (w sposób nieplanowany podczas nurkowania rekreacyjnego, bądź zgodnie z planem – nurkując technicznie), musisz wykonać przystanek dekompresyjny. Pisząc bardzo skrótowo, przystanki są tak zaplanowane, aby po twoim wyjściu na powierzchnię nie wystąpił zbyt duży gradient ciśnień pomiędzy twoimi tkankami a otoczeniem, mogący skutkować wystąpieniem choroby dekompresyjnej. Podczas przystanku dekompresyjnego, część nadmiernie rozpuszczonego azotu dyfunduje z twoich tkanek do płuc, i następnie na zewnątrz organizmu. Gdy gradient ciśnienia obniży się wystarczająco, możesz wynurzyć się do następnego przystanku, gdzie następuje wydalenie z organizmu części pozostałego azotu – aż do chwili, gdy prężność N2 w tkankach obniży się wystarczająco, byś mógł bezpiecznie wynurzyć się na powierzchnię.

Zmienność cech ludzkiego organizmu sprawia, że fizjologia dekompresji i modelowania dekompresji są znacznie bardziej skomplikowane niż mogłoby się to wydawać na podstawie krótkiego opisu zachowania wiadra z wodą. Po pierwsze, nie wszystkie twoje tkanki pochłaniają azot w tym samym tempie, co wynika z różnic w ich przepuszczalności (zdolności do przechodzenia przez rozpuszczony azot między tkankami). Tempo pochłaniania zależy też od unaczynienia tkanek, na które z kolei mogą wpływać takie zmienne jak intensywność ruchu podczas płynięcia bądź temperatura wody, mogąca ograniczyć krążenie w kończynach.

Inną ważną różnicą pomiędzy wiadrem wody a twoim ciałem jest zróżnicowana rozpuszczalność gazów w różnych tkankach. Na przykład, w takich samych warunkach w określonej objętości tkanki tłuszczowej może się rozpuścić znacznie więcej azotu niż w tej samej objętości krwi, pomimo iż prężności azotu w stanie równowagi w obu tkankach będą takie same. W trakcie nurkowań technicznych na trimiksie (mieszanka tlenu, azotu i helu) niektóre tkanki mogą szybciej ulegać nasyceniu helem niż azotem ze względu na mniejszą gęstość i większe tempo dyfuzji He niż N2. Ze względu na te zmienne, podczas nurkowania twoje tkanki pochłaniają i uwalniają azot (i inne gazy) w niejednakowym tempie. Po wystarczająco długim czasie pobytu na danej głębokości, wszystkie tkanki osiągnęłyby stopień wysycenia (saturacji); jednak ze względu na relatywnie krótki czas trwania nurkowań, także nurkowań technicznych, w czasie pobytu pod wodą niektóre części ciała nurka ulegają nasyceniu w dużym stopniu, podczas gdy inne nie. Pomimo wszystkich tych zmiennych, zachowanie gazów w roztworze zgodnie z prawem Henry’ego tworzy podstawę teorii dekompresji. Fizjologowie ciągle odkrywają zachodzące w naszych ciałach procesy wpływające na zachowanie rozpuszczonych gazów, jednak wiemy już wystarczająco, by z dużym prawdopodobieństwem przewidzieć efekt dekompresyjny danego profilu nurkowego. Dlatego twoje zapadnięcie na chorobę dekompresyjną jest bardzo mało prawdopodobne, pod warunkiem że przestrzegasz podstawowych zasad bezpiecznego nurkowania i pozostajesz w granicach bezpieczeństwa tabel lub komputera nurkowego.

Oprócz ciśnienia, temperatura wpływa na roztwory gazów w cieczach. Nie ma to bardzo dużego znaczenia w odniesieniu do dekompresji, jako że temperatura twojego ciała waha się w minimalnym stopniu. Natomiast zmiana rozpuszczalności gazów wraz z temperaturą ma duże znaczenie dla podwodnych organizmów. Przykładowo, temperatura ma duży wpływ na ilość rozpuszczonego tlenu, niezbędnego rybom i innym wodnym organizmom do oddychania. Gdy woda (lub inna ciecz) jest ogrzewana, tempo ruchów cząsteczek rośnie. Im szybciej cząsteczki rozpuszczalnika poruszają się, tym więcej miejsca potrzebują – pozostawiając mniej miejsca na cząsteczki rozpuszczonych gazów. W związku z tym, im wyższa temperatura, tym w stanie nasycenia mniejsza ilość gazu mieści się w danej objętości cieczy. Być może zauważyłeś, że otwarty ciepły napój gazowany pieni sie znacznie intensywniej niż zimny.Także gdy podgrzewasz wodę, niewielkie bąbelki powietrza tworzą się na długo przedtem, nim woda zacznie się gotować. Przyspieszone ruchy cząsteczek wody powodują zmniejszenie ilości miejsca dostępnego cząsteczkom rozpuszczonego gazu, który będzie dyfundował do niewielkich kieszonek gazowych umiejscowionych na ściankach naczynia, w których utworzy pęcherzyki odrywające się następnie od ściany i wypływające na powierzchnię cieczy. Dowiesz się więcej na temat procesów zachodzących w twoim ciele pod wpływem rozpuszczonych gazów, choroby dekompresyjnej i modeli dekompresyjnych w rozdziale piątym – Płetwonurek od Wewnątrz.

Ciśnienie a nurkowanie na wysokości

Jak zapewne wiesz, obniżone ciśnienie atmosferyczne na wysokościach przekraczających 300 m n.p.m. wymaga odbycie osobnego szkolenia i wymusza nurkowanie z użyciem specjalnych zasad. Przy użyciu zwykłych tabel, konieczne jest stosowanie specjalnych poprawek. Prawa Boyle’a-Marriotte’a, Charlesa i równanie stanu gazu doskonałego obowiązują tak samo, jak na poziomie morza – chociaż przy wykonywaniu obliczeń musisz wziąć pod uwagę obniżone ciśnienie atmosferyczne na wysokości. Ponieważ powietrze jest ściśliwe, zmiana ciśnienia przy zmianie wysokości o określoną wartość nie jest stała, jak to ma miejsce w wodzie. W wodzie morskiej, zmiana głębokości o 10 metrów zawsze powoduje zmianę ciśnienia o 1 atmosferę. Jednak powietrze jest ściskane przez powietrze powyżej, i im niżej, tym jest gęstsze – w związku z czym różnica ciśnień pomiędzy wysokościami 0 i 300 m n.p.m. jest większa niż między wysokościami 3000 i 3300 metrów.

Możesz określić bezwzględne ciśnienie na danej wysokości w metrach słupa wody morskiej, stosując następujący wzór:

ciśnienie = 10 ÷ 2,718(0,000125 × wysokość n.p.m.)

Jednak dla celów nurkowych, wystarczająca jest zgrubna metoda obliczania ciśnienia, polegająca na odejmowaniu 0.035 atm na każde 300 metrów wysokości n.p.m., aż do wysokości 3000 m. Niektórzy odejmują 0.1 atm na każde 1000 m, co daje zbliżone wyniki. Żadne z tych dwóch przybliżeń nie jest precyzyjne, ale oba są wystarczająco dokładne dla celów nurkowych. Poniżej użyjemy pierwszej z metod. Wyobraź sobie nurkowanie w górskim jeziorze położonym na wysokości 1800 metrów. Twój głębokościomierz został ustawiony na tę wysokość, i wskazuje głębokość 10 m (został skalibrowany na wodę morską, zatem w rzeczywistości znajdujesz się nieco głębiej niż 10 m. Nie ma to jednak znaczenia, gdyż interesuje nas ciśnienie, a nie sama głębokość). Jeżeli wypuścisz bojkę zawierającą 1 litr powietrza, jaką objętość będzie mieć to powietrze na powierzchni?

Ciśnienie na powierzchni, P2, wynosi 0,79 atm (1800 m ÷ 300 = 6; 6 × 0,035 = 0,21 atm; 1,00 atm – 0,21 atm = 0,79 atm). 
Całkowite ciśnienie pod wodą, P1, wynosi 1,79 atm (1,00 atm ciśnienia hydrostatycznego + 0,79 atm ciśnienia atmosferycznego = 1,79 atm). 
Objętość powietrza pod wodą, V1, to 1 l.
P1 × V1 = P2 × V2
V2 = P1 × V1 ÷ P2
V2 = 1,79 atm × 1 l ÷ 0,79 atm
V2 = 2,26 l

Na skutek obniżonego ciśnienia atmosferycznego na wysokości, wzrost objętości gazu podczas wynurzania z głębokości 10 m do powierzchni jest większy niż na poziomie morza – zgodnie z prawem Boyle’a-Mariotte’a.

Jednostki

1 bar = 0,987 atmosfery
1 bar = 14,5 psi
1 bar = 10 metrów słonej wody
1 bar = 1,02 kg/cm2
1 atm = 1,013 bar
1 atm = 14,7 psi
1 atm = 33 stopy słonej wody
1 atm = 34 stopy słodkiej wody
1 atm = 1,03 kg/cm2
1 metr słonej wody = 0,100 bar
1 metr słodkiej wody = 0,097 bar

Uwagi: 1 bar i 1 atmosfera to wartości na tyle zbliżone, że zazwyczaj – również tutaj – traktowane są jako równoważne. Powyższe wartości i przeliczniki podane są w przybliżeniu. Na przykład, 1 atm to dokładnie 33,8995 stopy słonej wody – jednak przedstawiona dokładność w zupełności wystarcza dla celów nurkowych.