Jak se nezabít při potápění

Člověk je suchozemský tvor a nemůže žít ve vodním prostředí. Jeho plíce nedokáží získat kyslík z vody, a pokud chce člověk zůstat delší dobu pod vodou, musí použít dýchací přístroj. Ale ani takto není pro člověka pod vodou zcela bezpečno.

Rizika, kterým je člověk při potápění vystaven, souvisí s tlakem. I na souši žije lidské tělo pod vysokým tlakem. Atmosférický tlak při mořské hladině je přibližně 100 000 Pa, a tak na každý centimetr čtvereční naší kůže působí tlaková síla \(F=pS=10^{5}\ \mathrm{Pa}\cdot 10^{-4}\ \mathrm{m}^2=10\ \mathrm{N}\). Deset newtonů je tíhová síla působící na kilogramové závaží. Tedy například na plochu naší dlaně působí síla téměř 1000 N, tj. tíhová síla 100 kg závaží. Jak to, že to vůbec vydržíme?

Atmosférický tlak, stejně jako hydrostatický tlak pod vodou, působí silou všemi směry a naše tělo tvořené zejména vodou a tkáněmi je téměř nestlačitelné. Stlačitelné jsou pouze dutiny naplněné plynem – plíce, střední ucho, střeva.

Samotný stálý tlak, není-li extrémně vysoký, rizika nepřináší. Potápěč musí vdechovat z přístroje vzduch o stejném tlaku, jako je tlak okolní vody. V případě tlakové rovnováhy nehrozí žádné mechanické poškození. Problémy nastanou, pokud se tlak mění. A mohou být fatální!

Plicní barotrauma

Plicní barotrauma může nastat pouze v případě, kdy se potápíme s dýchacím přístrojem. Abychom se mohli s přístrojem pod vodou nadechnout, musí být tlak plynu přiváděný z tlakových nádob roven okolnímu tlaku prostředí. Například v hloubce pouhých 10 m je celkový tlak dvojnásobkem běžného atmosférického tlaku (každé zvýšení hloubky ponoru o 10 m zvětší okolní tlak o 10⁵ Pa, tedy o hodnotu přízemního atmosférického tlaku). Při každém nádechu tak naplníme stejný objem plic dvojnásobnou hmotností vzduchu. Při vynořování okolní tlak klesá, plyn se v plicích rozpíná a expandující plyn je nutné uvolnit výdechem. Je-li vynoření rychlé a potápěč nevydechuje s dostatečnou rychlostí, může přetlak v plicích vést k jejich poškození, plicnímu barotraumatu. Při volném potápění toto nebezpečí nehrozí. Potápěč má v plicích maximálně to množství vzduchu, které nadechnul nad hladinou, a tak i při velmi rychlém vynoření nemůže expanze vzduchu plíce poškodit.

Dekompresní (kesonová) nemoc

Další fatální poškození lidského těla může také nastat při poklesu tlaku – dekompresi. Název kesonová nemoc pochází od zvláštního zařízení – kesonu, které umožňovalo práci pod vodou se „suchou nohou“ a vyžívalo se například při budování podvodních základů mostů.

Keson si můžeme představit jako poklop přitisknutý na mořské nebo říční dno (viz obrázek). V dutině pod poklopem je vzduch, aby tam dělníci mohli volně pracovat. V kesonu se udržuje vyšší tlak vzduchu, právě takový, jaký je celkový tlak v okolní vodě. Na rozhraní keson–okolní voda je tedy tlaková rovnováha, a voda dutinu kesonu nezaplaví. Dělník v kesonu je tedy v podobné situaci jako potápěč pod vodou: pracuje a dýchá za zvýšeného tlaku. Vrátí-li se na hladinu, může zemřít.

Dekompresní nemoc vzniká v důsledku toho, že s rostoucím tlakem se zvyšuje rozpustnost plynů v kapalinách. Můžeme to dobře pozorovat, když otevřeme sycenou minerálku. Otevření uvolní přetlak, rozpustnost plynu – oxidu uhličitého – poklesne, a plyn se z vody uvolňuje v podobě bublinek. Při delším pobytu ve zvýšeném tlaku se v tělních tekutinách a tkáních rozpouští větší množství plynů, které se pak při poklesu tlaku mohou vyloučit jako bublinky. Nebezpečná je hlavně vzduchová embolie – ucpání cévy vzduchovou bublinkou. Rychlá a snadná prevence neexistuje. Návrat do normálního atmosférického tlaku musí být proveden pomalu s tzv. dekompresními přestávkami, aby při dýchání za postupně se snižujícího tlaku mohla koncentrace rozpuštěných plynů poklesnout na bezpečnou úroveň.

Ušní barotrauma

Ušní barotrauma nás sice na životě neohrozí, ale může být velmi bolestivé a vést k poškození sluchu. Z fyzikálního hlediska se opět jedná o expanzi či kompresi plynu v tělních dutinách při změnách okolního tlaku. Na rozdíl od dvou výše popsaných jevů hrozí při ponořování i vynořování. Dutina středního ucha je od okolního prostředí oddělena bubínkem a s okolním prostředím spojena Eustachovou trubicí, jejímž úkolem je vyrovnávat tlak mezi okolím a dutinou středního ucha. Pokud je špatně průchodná, například při nachlazení, anebo jsou tlakové změny příliš rychlé, způsobí tlakový rozdíl silnou bolest, případně i protržení bubínku. Potápěči mají vlastní techniky, jak vyrovnání tlaků při změnách hloubky ponoru podpořit.

Slabé ušní barotrauma můžeme zažít při stoupání nebo klesání letadlem, případně při jízdě automobilem s větším převýšením. Říkáme, že nám „zalehly uši“. Obvykle stačí polknout a přetlak se uvolní.

Hlubinné opojení a otrava kyslíkem

Přesto, že lidské tělo je v podstatě nestlačitelné a při vyrovnání tlaku v plynem naplněných dutinách nehrozí jeho mechanické poškození, jsou s pobytem ve vysokém tlaku spojena další rizika. Souvisí se složením dýchací směsi. Zvýšení koncentrace rozpuštěných plynů v krvi (viz odstavec o dekompresní nemoci) může mít halucinogenní účinky. Zvláště nebezpečný je dusík, kterého je v běžném vzduchu nejvíce. Dýchá-li potápěč vzduch, je hloubkový limit pro eliminaci rizika hlubinného opojení asi 40 m.

Kyslík je plyn, který nezbytně potřebujeme ke svému životu. Může však být nebezpečný a zabíjet. Důležitý je parciální tlak kyslíku v dýchaném plynu, při vyšších hodnotách hrozí otrava kyslíkem. Za běžných podmínek je ve vzduchu 21 % kyslíku, a tedy parciální tlak je 0,21 ⋅ 10⁵ Pa. S rostoucím tlakem plynu, který potápěč dýchá, rostou i parciální tlaky všech plynů v dýchané směsi. Tedy v hloubce 10 m bude parciální tlak kyslíku 0,42 ⋅ 10⁵ Pa, v hloubce 20 m pak 0,63 ⋅ 10⁵ Pa atd. Za limit pro běžné potápění se považuje parciální tlak O₂ roven 1,6 ⋅ 10⁵ Pa. Vezmeme-li do úvahy, že při rekreačním potápění se běžně používá dýchací směs obohacená o kyslík na 32 %, je hloubkový limit 40 m.

Při potápění do větších hloubek je nutné zmenšovat podíl kyslíku i dusíku, ideálně náhradou za helium, případně v kombinaci s vodíkem.

Otázky:

1. Vyjmenujte hlavní rizika, která hrozí člověku při potápění.
2. Jak odolává lidské tělo velkému tlaku?
3. Jaký je tlak vzduchu na hladině moře a jak roste s hloubkou?
4. Jaký je parciální tlak kyslíku v hloubce 50 m? Jaký je parciální tlak kyslíku v dýchací směsi obohacené na 32 % kyslíku v hloubce 50 m?