Afþrýstifræði 1. hluti.

Af öllum þáttum köfunar er afþrýstifræðin líklega það sem erfiðast er að ná tökum á. Hún getur verið samansafn af þurrum vísindalegum frösum og flóknum reglum, sem skilur lesandann eftir með engin svör og spyrjandi sjálfan sig af hverju hann hafi haldið að það væri góð hugmynd að læra afþrýstifræði! Til að gera hlutina ennþá verri, eru þeir vísindamenn sem leggja stund á afþrýstifræði fyrstir að viðurkenna að þeir vita mjög lítið um hana. Auðvitað leggst það ekkert vel í okkur hin, venjulega kafara.

Engu að síður er þetta heilandi þáttur köfunar og undirliggjandi þáttur í öllu sem við reynum að gera og læra til að vera öruggari kafarar. Hér er því tilraun mín til að gera þetta efni aðeins aðgengilegra og vonandi skemmtilegra. Þetta er mjög stórt viðfangsefni og þó ég ætli aðeins að stikla á stærstu atriðunum mun það taka nokkrar greinar. Hér er sú fyrsta.

Það er algengur misskilningur innan sportköfunarheimsins að kenningar afþrýstifræðinnar séu hluti af ferli sem er vel þekkt. En þrátt fyrir að núverandi þekking á köfunum án afþrýstistopps og köfunum grynnri en 30 metrar virðist duga vel fyrir flesta (tilfelli köfunarveiki eru á milli 10-20 á hverja 100.000 kafanir), getur köfunarveiki komið fram þó kafarar séu varkárir og haldi sér vel innan allra marka fyrir köfun án afþrýstings. Sá sem kafar út fyrir þau mörk sem sportköfurum eru í raun sett er í raun og sanni tilraunardýr í afþrýstifræði.

Öndun

Áður en fjallað er um uppsöfnun og losun köfnunarefnis, er ekki úr vegi að fara aðeins yfir hvers vegna við þurfum að anda í kafi. Svarið er auðvitað augljóst því við þurfum alltaf að anda. En hvers vegna öndum við? Hvað er nákvæmlega að gerast meðan við öndum?

Alveg burtséð frá köfun, öndum við á landi lofti sem inniheldur um það bil 21% súrefni (O2) og 79% köfnunarefni (N2). Nákvæmar tölur eru 20,55% O2 og 78,88% N2 eftir rúmmáli og innan við 1% samanstendur af argoni, neoni, helíum, kryptoni, vetni, xenoni og koltvísýringi. Hins vegar, þar sem þessar auka-lofttegundir eru í svo litlum mæli, teljum við þau alltaf með N2 og þær teljast „óvirkar loftegundir“, sem þýðir að efnafræðilega og líffræðilega hafa þær ekki áhrif á starfsemi líkamans (meðan við erum á landi).

Öndun er sjálfvirk en við getum samt stjórnað henni að vissu marki. Þegar við öndum inn dragast ytri millirifjavöðvar saman og það slaknar á innri millirifjavöðum. Það hreyfir brjóstholið upp og út og þindina niður og frá lungunum. Þar með minnkar loftþrýstingur í lungunum og loft er dregið inn. Hið gagnstæða gerist svo þegar við öndum frá okkur, þá er lofti þrýst úr lungunum.

Við innöndun blandast loftið sem kemur inn í lungun saman við loftið sem er þar fyrir. Það veldur því að hlutfall hverrar lofttegundar í lungunum er aðeins annað en í andrúmsloftinu. Úr lungunum berst súrefnið út í blóðrásina og með slagæðum út í vefi líkamans þar sem það er notað til að búa til orku. Afurð þessa ferlis er svo koltvísýringur (CO2) sem berst svo aftur í lungun með bláæðum líkamans. Köfunarefnið (N2) í loftinu berst líka um líkamann með blóðrásinni, en þar sem það er að mestu leyti óvirk lofttegund, þá er það bara í blóðrásinni þar til það kemst aftur í lungun og er losað þar ásamt koltvísýringnum. Á landi er hlutfall köfunarefnis (N2) í líkamanum stöðugt. Fyrir þá sem aldrei kafa væri það endirinn á þessu ferli þess. En fyrir kafara er þetta ferli flóknara því að þegar við köfum og förum neðansjávar eykst þrýstingurinn.

Lögmál Daltons og útskipting lofttegunda

Sú lofttegund sem við öndum að okkur á dýpi þarf að vera við sama umhverfisþrýsting og vatnið í kringum okkur, annars væri ómögulegt fyrir okkur að fylla lungun. Á 30 metra dýpi er þrýstingurinn í lungunum fjórum sinnum meiri en á yfirborðinu. Köfunarlungun munu þá gefa okkur loft sem er á 4 loftþyngdum (ATA) (fjórum sinnum þéttara í sér og fjórum sinnum meiri loftnotkun). Þar sem þrýstingur loftsins sem við öndum að okkur á dýpi eykst, þá eykst líka þrýstingur hverrar lofttegundar í blöndunni, það er að segja hlutþrýstingurinn eykst. Lögmálið um þrýsting í blöndu lofttegunda sem John Dalton uppgötvaði og við hann er kennt segir:

„Þrýstingur í blöndu lofttegunda, er jafn hlutþrýstingi þeirra lofttegunda sem mynda blönduna.“

Eða einfaldlega orðað, er hlutþrýstingur þrýstingur lofttegundar í blöndu lofttegunda. Með því að leggja saman þrýsting allra lofttegunda í blöndunni fæst heildarþrýstingurinn. T.d. er loft á 30 metra dýpi eða við 4 loftþyngdir með hlutþrýsting köfnunarefnis (N2) 0,79 sem væri þá margfaldað með 4 loftþyngdum og gæfi okkur 3,16. Að sama skapi myndi þrýstingur súrefnis vera 4 x 0,21 = 0,84. Samanlagt eru þessar tvær lofttegundir þá 4 loftþyngdir. Hlutfall hverrar lofttegundar er ávallt það sama, 79% fyrir N2 og 21% fyrir O2, en ef umhverfisþrýstingurinn er hærri þá verður hlutþrýstingurinn líka hærri. Þetta skiptir máli þegar gætt er að því hvað gerist í þeim lofttegundum sem eru á ferð í líkamanum á meðan við köfum. Í þessu samhengi er einnig notuð mælieiningin millimetri kvikasilfurs (mmHg).

Annað lögmál um lofttegundir sem skiptir máli er lögmál Henrys. En áður en við förum út í það skulum við skoða betur hvað gerist þegar við öndum.

Loft fer inn í lungun niður eftir barkanum sem skiptist í tvær berkjur sem síðan greinast í sífellt minni berkjur sem enda svo í lungnablöðrum. Til samans mynda berkjurnar mjög stórt yfirborð sem líkaminn notar til að skipta um lofttegundir. Í lungnablöðrunum er örþunnt yfirborð frumna sem gera kleift að flytja loft úr lungum inn í blóðrásina og öfugt. Í venjulegri manneskju eru yfir 600 milljónir lungnablaðra! Frumuhimnan í þeim er minni en einn þúsundasti af þykkt mannshárs og umkringd háræðum sem flytja blóðið til æðanna. Burt séð frá því hversu ótrúlegt þetta er þá er það en ótrúlegra að veggir milli lungnablaðra og háræða eru aðeins einn fruma á þykkt, flöt fruma sem heitir þekjufruma. Þannig er tryggt að loftið sem kemur inn í lungun eða fer út úr þeim á greiða leið, flýtir loftskiptum og gerir öndun jafn afkastamikla og hún er í heilbrigðum líkama. Það tekur eina sekúndu fyrir blóðið sem ferðast í gegnum háræðar lungnanna að verða 100% mettað af súrefni. Á sama tíma er koltvísýringurinn sem verður til við bruna í líkamanum losaður úr blóðrásinni og andað út.

Lögmál Henrys, uppleysni og gegnumflæði

Manstu eftir köfunarefninu (N2) sem er uppleyst í líkamanum á landi? Mest af því er leyst upp í blóðinu og öðrum vefjum, svipað og sykur sem er setur í tebolla, sama ferli bara ekki eins sætt. Súrefni binst blóðinu með hemoglobíni og þegar við köfum leysist það líka upp í blóðvökvanum. Það magn N2 sem er uppleyst í vefjum okkar fer eftir lögmáli Henrys, sem heitir eftir J. William Henry sem setti lögmálið fram árið 1800:

„Lofttegundir leysast upp í vökva í hlutfalli við hlutþrýsting þeirra, eftir flæði þeirra í vökvanum og eftir hitastigi vökvans.“

Eða á mannamáli, þá þýðir þetta að magn lofttegundar uppleyst í vökva mun aukast þegar hlutþrýstingur eykst. Þegar við köfum undir yfirborð vatns eykst hlutþrýstingur í lungum okkar og meira af þeim lofttegundum sem við öndum að okkur mun leysast upp í líkamann. Hins vegar hafa ólíkar lofttegundir misjafna eiginleika til að leysast upp í líkama okkar og ólíkir vefir líkamans taka upp loft með misjöfnum hætti. Þetta er ein af ástæðum þess að afþrýstifræði eru mjög flókin.

En hvernig kemst lofttegund inn í vefi líkamans ef ekki með blóðinu? Þetta er algeng spurning á námskeiðum um TDI afþrýstiköfun. Svarið eru flæði og gegnumflæði. Flæði verður þegar tvær tegundir efna sem eru ekki í föstu formi (lofttegund eða vökvi), í lokuðu kerfi þar sem annað efnið er í meiri styrk í hluta kerfisins. Fyrir tilstilli hreyfinga atómanna dreifast þau um allt kerfið frá þeim svæðum þar sem efnið eru í miklum styrk til þeirra svæða þar sem styrkurinn er minni eða þar til blanda efnanna er orðin einsleit.

Klassísk samlíking er þegar dropi af bleki eru látinn detta ofan í ílát með vatni (mynd að ofan). Sjá má blekið dreifa sér í vatninu og með tímanum tekur vatnið á sig fölbláan lit þegar blekið er jafn uppleyst í öllu vatninu. Grófari samlíking væri þegar einhver prumpar í lyftu. Sama ferli, erfiðara að sýna fram á undir opnum himni og alls ekki heima hjá sér.

Það magn lofttegunda sem er uppleyst í blóðinu hverju sinni ákvarðast af samspili lögmáls Daltons og lögmál Henry. Í tilfelli köfunarefnis (N2) er líkaminn mettaður á landi svo það er lítið flæði þess í lungunum, blóðinu og allir vefir líkamans innihalda jafnt magn af því. Einu umskiptin sem eiga sér stað eru upptaka súrefnis, flutningur þess út til vefjanna, brennsla á því og síðan flutningur á koltvísýring og útlosun hans í lungunum. Þegar súrefnissnautt blóðið (sem líkaminn hefur notað súrefnið úr) er flutt aftur í lungun er hlutþrýstingur þess minni í lungnablöðrunum en loftsins sem andað er að sér og því á sér stað upptaka súrefnis. Sömuleiðis er koltvísýringurinn sem varð til við brennslu í líkamanum í meiri styrk í blóðinu en í loftinu í lungnablöðrunum. Hraði skiptanna er lýst með lögmáli Fick en við skulum ekki fara út í það hér. Í grunninn vinna lungun og æðakerfið saman að því að tryggja að styrkur súrefnis sé slíkur að það flytjist úr loftinu inn í blóðið á meðan koltvísýringur flyst úr blóðinu og út úr líkamanum. Þegar við förum niður í köfun fer köfnunarefni (N2) að skipta máli (við sleppum helíum í bili) þar sem flæðistigull þess er hærri, lungu okkar eru við umhverfisþrýsting (miðað við dýpið sem við erum á) og hlutþrýstingur hverrar lofttegundar er hærri.

Það er vert að nefna að aukinn hlutþrýstingur þrýstir ekki lofttegund inn í vefina eins og það sér verið að setja loft í dekk. Þetta er ferli þar sem sams konar atóm ferðast af tilviljun frá meiri styrk yfir í minni. Það þýðir að hraði flæðis einnar lofttegundar er ekki háð öðrum lofttegundum í vefjunum. Þannig er hreyfing á einni lofttegund algjörlega óháð flæðistiguls annarrar lofttegundar. Þetta útskýrir hvernig súrefni fer yfir frumuhimnu lungnablaðrana inn í blóðið á sama tíma og koltvísýringur fer í hina áttina. Þannig er hreyfing þeirra í sitthvora áttina algjörlega óháð hvor annarri (þetta á reyndar ekki við um köfnunarefni og helíum í því sem kallað er gagnflæði við jafnþrýsti (isobaric counter diffusion), en það er efni í aðra grein).

Þetta er allt gott og blessað að lofttegund sé að flæða inn í og út úr vefjum líkamans en slíkt getur aðeins átt stað yfir stutta fjarlægð. Hvernig fer allur líkaminn þá að því að verða hluti af þessum loftskiptum? Það gerist með gegnumflæði. Í okkar samhengi er þetta orð notað um blóðrásina og blóðflæðið. Ömurleg myndlíking fyrir hvernig flæði og gegnumflæði virkar væri að líkja því við það að fara út með ruslið. Að fara út með ruslið svo að sorpbílinn gæti sótt það væri uppleysni hlutinn. Þá má fara eins oft út með ruslið og og maður vill og jafnvel skilja það eftir á götunni en ef það er ekki sótt fylgir því vond lykt og allt fyllist af rusli. En ef ruslið er sótt reglulega kemur ekki nein fýla og umhverfið helst hreint. Á svipaðan hátt virkar blóðið eins og „ruslabílinn“, það tekur upp lofttegundir í lungunum og flytur út í líkamann í smærri og smærri háræðar eða þar til háræðarnar eru ein frumþykkt en þá getur súrefnið flust yfir í vefina í kring (ruslahauginn). Meðan við köfum kemst köfnunarefni (N2) sem er uppleyst í blóðinu einnig inn í vefi líkamans í gegnum sömu háræðar, því vefjunum er stöðugt að berast loftríkt blóð. Mismunandi vefir líkamans taka upp efni með misjöfnum hraða. Heilinn, blóðið, hjartað og vöðvar gera það hratt en aftur á móti eru bein, fita og brjósk seinni til. Fyrir hvern vef ræður mismunur á þrýstingi (hlutþrýstingur) köfnunarefnis (N2) í blóðinu og þess þrýstings sem er í vefnum hvort köfnunarefnissöfnun muni eiga sér stað í vefinn. Þetta gerist í köfun meðan farið er niður og meðan dvalið er niðri. Þegar farið er upp getur þrýstingur í vefjum líkamans orðið hærri en í blóðinu sem þýðir að köfnunarefnið fer að leysast upp en í þetta skiptið úr vefjunum í blóðið og þaðan í lungun sem hafa þá lægri hlutþrýsting en vefirnir.

Afþrýstifræði eða sá hluti hennar sem snýr að því að fara að kafa snýst aðallega um að stjórna flæði þessara tveggja lofttegunda (söfnun og losun köfnunarefnis) og tryggja að þrýstingur í vefjum líkamans verði ekki of mikil. Hvernig við stjórnum þessum mörkum snýr aðallega að leyfilegum botntíma, hámarksdýpi og hraða á leið upp. Þetta verður enn flóknara í tækniköfun, sérstaklega þegar farið er dýpra, dvalið lengur eða hvort tveggja, notaðar ólíkar lofttegundir svo sem trímix (blanda helíums, köfnunarefnis og súrefnis) eða heliox (blanda helíums og súrefnis) fyrir botnhluta köfunarinnar og jafnvel súrefnisríkar lofttegundir til að flýta fyrir losun með flæði og hafa stjórn á stærð og fjölda loftbóla sem myndast í líkamanum til viðbótar við uppleyst loft í vefjum líkamans.

Í þessari grein er setur tóninn fyrir næstu grein, þar sem ég mun fjalla nánar um söfnun og losun köfnunarefnis. Þar verður einnig farið yfir mettun, ofmettun, markmettun, M-gildi, helmingunartíma og stigul óvirkra lofttegunda. Allt mjög vísindaleg hugtök sem verða skiljanlegri þegar ég hef útskýrt þau.

Richard Devanney
References and further reading:
Powell, M. (2008). Deco for divers, published by Aquapress. Available on Amazon.
Edmonds, C. McKenzie, B, Thomas, R. Pennefather, J. (2013), Diving medicine for scuba divers, 5th edition.
Vorosmarti, J, & Vann, R. Physics, physiology and medicine of diving.