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减压理论 – Part 2: 弯腰的山羊,在本系列减压理论的一开始我们试着描述身体对于气体进入与排出的处理。本篇文章将继续这个主题,并且更详细的介绍气体进出的关键因素与速率。 在我们开始之前,让我们花点时间来做个复习来暖暖身,首先专注在氮气(N2)的项目上。在水面上,氮气(N2)的分压是0.7
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减压理论 – Part 2: 弯腰的山羊

时间:2017-03-28 00:00

在本系列减压理论的一开始我们试着描述身体对于气体进入与排出的处理。本篇文章将继续这个主题,并且更详细的介绍气体进出的关键因素与速率。

在我们开始之前,让我们花点时间来做个复习来暖暖身,首先专注在氮气(N2)的项目上。在水面上,氮气(N2)的分压是0.79。我们的身体在这样的压力下呈现氮气饱和状态,透过正常的呼吸程序,氮气溶解在我们身体组织内的量没有增加或减少,在这个压力下不会有更多的改变 – 这就是饱和的意思。当潜水下潜时,围绕在我们身体周围的环境压力迅速增加。如果我们要下潜到20米深(3ATA)并停留在此深度,这意味着我们的组织会有2.37个氮分压(PPN2)。氮气在我们身上不会有任何的减少,因为氮气透过我们的肺进入我们身体同样也是在3ATA(同样是2.37氮分压),所以不会有任何扩散梯度产生。只有在进一步下潜后,我们组织内的氮气含量才会再进一步增加,也就是说,30米或4ATA(或是增加我们呼吸气体中氮气百分比)。这样的下潜会增加氮气在我们肺部的分压到3.16,并且透过扩散及灌注作用让我们身体组织融入更多的氮气,直到最后组织中的氮分压从2.37到3.16,并在该压力下达到饱和。在初始混合气体与组织张力之间分压上的差异被称之为惰性气体梯度(如果到目前为止你仍没有进入状况的话,其实也不用再看下去了!)。在此值得特别指出的一点是,我所使用的数字并不完全准确,因为在我们将空气吸入肺中时在肺中存在的气体已经稀释了进入的气体,因此气体分压会有略为的减少,但是拿来作为说明的目的期使已经足够了。

 

现在,让我们继续讲下去,如果我们的身体都是由同样的构造所组成,那么透过科学来解释将会更加的简单,那你可能也不会对本文章有什么兴趣了。在身体组织方面,我们有血液、大脑、韧带、软骨、骨骼、脂肪、肝脏、肾脏、眼球、脾脏等等。这些组织会吸收溶解各种不同速率的气体,并用不同的速率来灌注血液。这代表我们身体的众多组织在融入稀出气体都有着不同的速率。减压的研究从19世纪生物学家保罗.伯特(Paul Bert) 对他心爱的狗从事一系列有控制的实验试着去了解这些反复的程序。22只狗被暴露在介7~10个大气压力下,接着快速的减压。不可避免的悲剧发生了,其中的21只狗失去了生命。

 

bending-goats-300x236约翰.哈登(John Haldane)(照片中左侧的男子) 在20世纪初是第一个试图以严谨的科学方法来研究减压模式。哈登是一个非常有成就的科学家,而且在生活与工作上有点古怪。他曾在主办一场晚宴中,因为感到无聊而开始思考工作,便漫步到他的实验室而忘了他的客人。另一个令人难以置信的时刻是,当他妻子因为发现他的缺席而去找他时,她发现他在床上睡着了。他的解释是,因为他要更换适合晚宴的衣服,但他却发现自己的衣服被脱光了,所以唯一合理的推断是他换上了他的睡衣,并且爬上了床!尽管有这些古怪的行为,并不影响他被人称为减压理论之父的名号。他在1908年发表了第一份潜水表格,这是基于他将山羊及其家族放在减压舱中(不是同时放置),并记录来自不同的模拟深度被带回1ATA后发生了什么事情,他们的研究针对不同的时间- 缓慢卸压,或是快速卸压。猪有最接近人类的生理学构造,但是山羊在那个时间点的供给更为充足,它们的体重及心输出量在比例上是类似于一个瘦子的。他还协调了在苏格兰比特岛附近战舰上执勤的皇家海军潜水员进行一系列的实际潜水测试。作为这些测试的一部分,他想证明潜水员是可以快速下潜而不至于造成伤害。他决定要让自己成为第一位测试的潜水员。所以他穿上潜水装束及头盔并且携带了155磅的配重跃入水中,还好他忘记了他从没学过游泳这件事。

 

哈登的儿子约翰.伯顿.桑德森.哈登(J.B.S Haldane),一位知名且颇具成就的遗传学家(阿道斯.赫婿黎(Aldous Huxley)根据他的角色人物,撰写了他的著作:美丽新世界 )。他在参与了他父亲的研究计画,并且渴望能够让他自己进入减压舱进行实验。事实上,在1906年,他13岁的时候,他发现自己在船上穿着过大的潜水装备被丢入海中,因为老哈登希望能够证明他所设计的减压停留也能够让没受过潜水训练的人士使用!他在8月的苏格兰海底,在被水淹没的潜水装备中待了30分钟。当她回到船上,他被裹着棉被,并且给予威士忌让他取暖!如果不是他是如此有名的话真是无法理解他们的异常行为。

 

半时间(Half-times)

老哈登是第一个尝试将身体在潜水时所发生的情况模型化,他提出所谓的组织舱格可以使用来规范不同的身体组织。他使用了5个不同的舱格,全部都有不同的”半时间”。半时间是一般科学术语,通常使用在放射性物质上。它描述一个放射性物质衰变到原来一半数目的原子所需要花费的时间。但是它也可以适用在摄取气体方面,对于给定的组织舱格是意味着将需要它成为半饱和所需要的时间,或惰性气体的半去饱和时间。5分钟半时间的组织舱格被称为快组织舱格,例如血液,而240分钟的舱格属于慢组织舱格,例如骨头。5分钟舱格正如所述,因为下潜中需要花费5分钟来达到50%的气体饱和。再5分钟后将会达到75%饱和,然后15分钟后达到87.5%,再来96.88%、98.44%。每一次循环,组织舱格将会比前一次的循环增加一半的饱和。所以理论上它永远不会达到完全饱和,因为它总是增加一半的饱和。为了实用目的我们可以考虑在6个半时间后达到饱和。你可以看到,最大的气体融入速率是在第一个周期发生。然后每个连续的周期产生越来越少的额外饱和。当上升时气体排出也适用相同的原则在运作,只是在相反的方向。

 

过饱和 (Supersaturation)

一旦组织舱格是完全饱和的,这代表该组织张力与初始气体有着相同的分压。饱和时,组织在实际上无法在特定的环境压力下承受更多的气体。当我们上升时,我们减少了环境压力,这会减少初始气体的分压,反过来也会产生惰性气体梯度。虽然这些压力的削减会触发气体携出作用,但是半时间的概念告诉我们,在到达组织与肺部的平衡需要时间。因为这些延迟,组织张力会比初始分压还要大,并且也可能比环境压力还要高。这便称之为过饱和。我们需要一定数量的过饱和来驱使气体的压力梯度从组织扩散到肺部。

 

虽然这可能是在休闲潜水中快组织舱格趋近于饱和,慢舱格将不会饱和 – 除非你有办法做一个1,440分钟的滞底潜水来让240分钟的组职达到饱和。现在,如果组织张力变得比环境压力还要高,它将会在上升过程中变成“过饱和”。这需要花一些时间来描述与展示,各位可以参考TDI教练训练官“马克.包威尔(Mark Powell)”的大作, 潜水员的减压(Deco for Divers)

透过马克书中的例子,在30米时,组织1呈现饱和状态。组织2,作为一个慢舱格仍然在融入并且只达到2.50的组织张力。当我们上升到30米(3ATA),初始的氮气掉到2.37。组织1因为组织张力大于环境压力及初始的氮气分压而呈现过饱和状态,所以因为惰性气体梯度而开始携出气体。组织2也将开始携出气体,但是它尚未达到过饱和状态。当我们上升到10米,我们可以看到,组织1仍然是过饱和,但现在组织2,即使它不是在开始上升时处于过饱和状态。在过饱和的半时间下意味者组织将会从目前的过饱和等级中去一半掉,回来看看饱和状态。如果过饱和状态不严重那么释放出来的50%将是很小的数量。但是如果数量很高,那么释放出来的50%将会是很大的数量。对5分钟的组织舱格来说,如果我们将环境压力从4ATA减少至3ATA,然后在5分钟后组织将会变成3.5。但是如果我从4ATA上升到2ATA,那么对于组织张力与初始气体张力来说就会是比较大的距离。这会造成两边都产生一半的气体携出,但是对后者来说,这个50%产生了较大的差距。这意味着更快的携出速度。

 

临界过饱和与M值

虽然我们需要过饱和来让气体携出作用更为有效的发生,每个组织有着过压的理论极限,这被称为临界过饱和。当超过特定点时,随着环境压力的充分减少气体无法足够快速的从组织中被释放出来,这将会从溶液中被释放出来(记得亨利定律(Henry’s Law))并且产生气泡,这当然就造成了减压病(Decompression Sickness, DCS)。

 

聪明如哈登在1905年便瞭解了这样的原理,并且表示惰性气体张力与环境压力的限制比例。他将它设定在2:1,即潜水员可以从2ATA的深度上升到1ATA而不会得到神秘的DCS病症。罗伯特.沃克曼(Robert Workman)在1960年代修正了这个比例。在我们只讨论氮气的前提下,他修改为1.58:1。他检阅了以往从哈登开始的减压研究,他意识到这对于潜水安全方面来说是不够的。他意识到,快组织舱格相对于慢舱格可以容忍更高阶层的过压,也就是所有的舱格在深度增加的情况下可以容许有更大的过压。他想出了一个由经验所得出的风城市来描述在不同深度不同组织的过压,并将其称为M值。

 

控制组织的压力是否在M值范围内的是深度、停留时间及上升速率。更大的深度代表在我们的肺与组织在刚到大最大深度时有着更多的惰性气体阶梯,这意味着更多的气体融入液体中。较长的滞底时间意味着越接近饱和状态,反过来说,这意味着需要更多的时间在上升时携出气体。上升速率可以举例想像着有一个有着小洞的气球充满着空气,在10米深的水中漂浮。如果气球缓慢的上升,膨胀的空气将会有足够的时间透过小洞排出,而气球的体积将不会有所改变。但是如果上升速度过快,膨胀的空气将无法快速透过气球的小洞排出,而气球将会一直变大直到爆炸 – 临界过饱和 – 到达M值- #DCS。

 

休闲潜水员大多是关心快组织和免减压潜水限制(No Decompression Limit,NDL)以及深度限制,目的在防止太多的气体融入慢组织。这些限制,结合了最大上升速率代表潜水员可以直接上升到水面并且维持那些领先组织(那些最接近M值的组织)仍然在M值的范围内。但是对于减压潜水来说它就变得更加的复杂了。

 

减压潜水

还记得哈登想出了5个组织舱格的理论吗?它们分别式5、10、20、40和75分钟。现今大多数的潜水电脑表都有16个舱格,每个舱格各自都有自己的M值,根据深度而呈现线性变化,而最慢的舱格可能是240分钟。一个典型的一般空气减压潜水在50米潜25分钟代表会比免减压潜水在40米时有更大的气体融入发生,现在我们不只要关心快组织。在上升时,快组织与慢组织舱格在给定的深度会有超过各自M值的危险。所以我们需要进行停留来争取时间让组织内的压力减少。我们称之为减压停留。16个舱格中的任何一个接近M值时都需要一个给定深度的停留来争取时间让足够的气体携出,之后才能继续上升直到另一个组织舱格趋近于限制值,如此这般的进行了一系列不同时间的停留,直到我们回到水面为止。如果我们使用氦氮氧来进行潜水,那么我们需要追踪到32个舱格 – 16个是针对氮气(N2),额外的16个是针对氦气(He)。上升速率同样也是要被考虑的一部分。在下潜到最深处,如果我上升的速度太慢,那么我的慢组织将会继续进行气体融入作用,这意味着到达减压极限可能会更快(取决于上升时是否导致过饱和),或是延长我的减压停留,或者是两者皆是。我需要在容许范围内尽快的移动直到我到达第一次气源交换深度,透过这样来最小化我身体慢组织的气体融入,但是同样以前面气球的例子来比喻那些领先组织,我将需要在较浅的水中上升时放慢上升速度。更多关于上升速率的讨论会在下一篇讨论,并且随着更加复杂的泡沫力学一起。

 

M值的观念已经被潜水界广泛使用,并且基于沃克曼的研究,他们被不同的研究人员修改与调整,其中最着名的是亚伯特.波曼博士(Dr Albert Buhlmann)的减压研究。你可以在几乎每间潜水教学机构的潜水表格及各个潜水电脑表制造商的计算公式中发现他的踪影。

 

关于M值及使用一堆图表来解释气体在个别组织的携出可能会是令人灵魂出窍的无聊话题,尤其是强调如何减少惰性组织压力及环境压力并且在上升阶段身体组织的M值线。如果你有兴趣,你可以很容易便在网际网路上找到一大堆相关的文章。如果你能跟你的潜水伙伴或是在课堂上与你的教练一起讨论将会有更好的效果。TDI减压程序理论课程则是一个很好的机会。不过现在让你的眼睛与大脑稍作休息吧,请期待第三部分也就是最后一篇减压理论发表。

 

参考书目及建议阅读:

– Powell, M. (2008). Deco for divers, published by Aquapress.

– Goodman, M. (2007). Suffer and survive: The extreme life of JS Haldane.

原文出处:https://www.tdisdi.com/decompression-theory-part-2/

 

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