Глубоководные спуски, или Немного о газовых смесях
В своей повести «Черный принц» Михаил Зощенко писал: «В середине прошлого столетия (1854-1856 гг.) проходила так называемая Восточная война... [1]. И вот в ноябре 1854 года в Бакалавру прибыл с ценным грузом новый английский пароход «Принц», и, как говорят, он вез тридцать бочонков золота в английской и турецкой валюте на сумму свыше двух миллионов рублей для уплаты жалованья войскам…
И после этого в течение нескольких минут все было кончено… Вместе с «Принцем» погибло 150 человек команды… И вот через несколько лет после крымской войны начались поиски этого золота…»
Далее в повести рассказывается, какими трудностями сопровождались эти глубоководные работы.
«Глубоководные спуски были почти не по силам. Специальные ныряльщики не могли находиться под водой более одной-двух минут… Корабль искали на глубине тридцати-сорока сажень. По рассказам того времени, когда водолазов поднимали из воды, у них кровь капала из глаз, ушей и даже просачивалась сквозь кожу рук и груди… [1].
Зададимся извечным Почему? И попытаемся проникнуть вглубь этого вопроса.
Вода тяжелее воздуха почти в 800 раз и при погружении человек испытывает дополнительное давление, увеличивающееся с глубиной. Уже на глубине трех метров, даже помощью трубки, выведенной на поверхность, дышать практически невозможно, так как при этом надо преодолеть давление воды на грудную клетку, равное почти двум тоннам.
Но в той же повести М. Зощенко есть описание того как японцы в маске (без скафандра) могли спускаться на глубину пятидесяти сажень… «Весь секрет этой маски заключается в умелом и особом дыхании… Причем поразительно было то, что подъем и спуск водолаза происходит без всяких изменений…» [1]
Есть такое понятие — гипервентиляция [2]. Это усиленная вентиляция легких, достигаемая частым и глубоким дыханием. При этом происходит дополнительное насыщение организма кислородом более полное удаление из него двуокиси углерода. Профессиональные японские ныряльщики — «ама» — после предварительной гипервентиляции, могут оставаться под водой более четырех минут. Если дышать чистым кислородом, гипервентиляционный эффект увеличивается в несколько раз и позволяет задерживать дыхание до 15 минут.
Как утверждают ученые, эволюция человеческого индивидуума закончилась, поэтому надеяться на совершенствование нашего дыхательного аппарата не приходиться. Здесь уже требуются искусственные приспособления.
«…Однако, после того как появился первый водолазный костюм (скафандр), начались более энергичные поиски «Принца»…»
Вот как описывается этот аппарат в «Листригонах»: «Это был страшный футляр, отдаленно напоминающий человеческую фигуру без головы и без рук. Футляр сделан из красной меди и покрыт голубой эмалью… Водолаз боком втиснулся в него… Голубой шар с тремя стеклами скрывал голову… Снаружи свободными оставались только руки…» [3].
Подъем и спуск в таком аппарате продолжался полтора часа. На этом этапе развития водолазного дела это была огромная длительность автономного пребывания под водой. И хотя идея подводного аппарата с замкнутым циклом дыхания и поглощения двуокиси углерода в специальном патроне была предложена еще в 1879 году, практическое применение она нашла только в 1911 году в гидростате американского инженера Г. Гартмана [4]. Он использовал полностью автономную систему для дыхания, состоящую из кислородных баллонов и химического поглотителя двуокиси углерода. Гартману сразу же удалось побить все рекорды погружения, достигнув глубины 458 метров.
Но еще в те годы было выяснено, что наш обычный воздух пригоден для дыхания только в определенном интервале давлений. С изменением давления компоненты воздуха становятся смесью «недобрых» газов. И тогда стала проблема подборки таких газовых смесей, которые при любом давлении не вредили бы нашему организму.
Вспомним закон Дальтона [5], утверждающий, что давление смеси газов, химически не взаимодействующих друг с другом, равно сумме парциальных давлений этих газов. Так вот, при изменении общего давления смеси парциальное давление каждого входящего в него газа тоже изменится. И искусство составления газовых смесей в том и состоит, чтобы подобрать такие газы, которые при определенном парциальном давлении были бы безвредными.
Как же ведут себя при изменении давления основные компоненты воздушной смеси — азот и кислород?
Если парциальное давление кислорода во вдыхаемом воздухе ниже 1540 Па, наступает кислородное голодание. Человек теряет сознание. Но и высокое парциальное давление очень вредно. Если дышать чистым кислородом при нормальном давлении, через несколько суток наступает тяжелое кислородное отравление.
С увеличением глубины погружения необходимо снижать парциальное давление кислорода и, следовательно, его содержание в дыхательной смеси (на глубине 100 метров — 26% от общего давления). Основная часть должна приходиться на долю инертного газа, не оказывающего вредного воздействия на организм. В обычном воздухе — это азот. Но в условиях повышенного давления, при погружении примерно на глубину 50 метров азот начинает оказывать наркотическое действие. У водолазов давние счеты с азотом, который повинен в кессонной болезни, возникающей при быстром подъеме с глубины.
Во время быстрого подъема возникает резкое уменьшение давления и растворенный в крови и тканях организма азот выделяется в виде пузырьков. У медиков это явление носит название газовой эмболии [6].
Кессонную болезнь предупреждают очень просто: водолаза поднимают медленно. Период декомпрессии определяется по специально разработанным таблицам в зависимости от глубины погружения.
В 1919 году профессор Массачусетского технологического института Э. Томпсон предложил в дыхательной смеси заменить азот гелием. Эксперименты с гелиево-кислородными смесями широко велись в 40-х годах прошлого столетия. Но даже с глубины 120 метров водолаз, дышащий этой смесью, должен подниматься не менее трех часов. Но при сверхвысоких давлениях большим недостатком гелия является его плотность, которая все же велика для заданных условий. И, следовательно, водород в этом отношении мог бы выступить как конкурент гелия. Но в 1945 году обнаружилось, что при больших давлениях и водород становится биологически активным, и нарушает обмен веществ в организме.
Поиски подходящего заменителя не прекращаются, и взоры исследователей все чаще обращаются к неону, хотя он пока еще очень дорог. Неоново-кислородная смесь, в которой содержание инертного газа составляет 75%, никакого вредного влияния на организм не имела. И речь в такой атмосфере (в отличии от гелиевой, где человеческая речь совершенно не разборчива, похожа на кряканье) была вполне разборчива. И что самое удивительное, во время экспериментов в барокамере — не влияла на самочувствие испытуемых.
А, может быть, никаких смесей и не надо? Ведь Жак Ив Кусто как-то сказал, что человек будущего, а это будет гомоакватикус — человек подводный — сможет извлекать необходимый для дыхания кислород прямо из воды…
[1] Михаил Зощенко - Собрание сочинений в 7 томах Т.6 Издательство: Время 2008 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://rutracker.org/forum/viewtopic.php?t=2802477
[2] Синдром гипервентиляции [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://health.mail.ru/disease/sindrom_giperventilyatcii/
[3] Александр Иванович Куприн ЛИСТРИГОНЫ Издательство: «Таврия», Симферополь, 1984[Электронный ресурс].
[4] Батискафы, батисферы и гидростаты [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.seapeace.ru/underwater/diving/57.html
[5] Закон Дальтона [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://frutmrut.ru/zakon-daltona
[6] Газовая эмболия [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/%C3%E0%E7%EE%E2%E0%FF_%FD%EC%E1%EE%EB%E8%FF
Об авторе: Воевудская Ольга Игоревна, учитель химии и биологии высшей категории, ГБОУ Центр образования №80 Центрального района города Санкт-Петербурга, Россия.
Фото: Википедия, участник Yoruno
0
