从氮气到氢气,那些无用之用的潜水气体们

名词解释

O2 - Oxygen 氧气。

N2 - Nitrogen 氮气。

He - Helium 氦气。

Ar - Argon 氩气。

H2 - Hydrogen 氢气。

CO2 - Carbon dioxide 二氧化碳。

Nitrox 氮氧混合气 潜水中通常指高氧。

EANx - Enriched Air Nitrox 高氧气体,EANx + 数字 表示特定氧含量的气体,例如 EANx 32。

SafeAir(R) 符合ANDI标准的氧含量在22%-50%的氮氧混合气。

Heliox 氦氧混合气。

Trimix 氦氮氧三混气。

ata - atmosphere absolute 压力单位,绝对大气压。1 ata = 1.013 bar

分压 - partial pressure 混合气体中,单一一种气体成分的压强,本文中使用ata作为分压的单位。

气体的分压 等于 混合气体压力x气体百分比。本文中,用 PO2 表示氧分压,PN2表示氮分压,以此类推。

CNS - Central nervous system 中枢神经,在氧中毒的上下文里,表示中枢神经氧中毒,CNS% 表示达到曝露剂量极限的百分比。

OTU - Oxygen Toxicity Unit 氧中毒单位,用于管理肺部类型氧中毒。

HPNS -  高压神经综合症。

带个“氧气瓶”下水可好?

聊无用之气,不得不先说有用之气,所以我们先从氧气开始。

非潜水员对潜水的误解之一:潜水员总是带着氧气罐下水,一些大众媒体也常常报道水肺潜水员抄起氧气罐下水救人一类的新闻。此时,潜水员们的内心os应是:你咋不背煤气罐呢?

虽然大部分时候,这种基于直觉的陈述是错误的,但氧气潜水并非不存在。除了技术潜水使用纯氧作为减压气体之外,还有一些限制在浅深度的装具会使用纯氧。1879年,英国人开始使用闭合回路的自携式氧气潜水装置——可以理解为早期CCR。一战和二战期间,这种装置逐渐被用于军事潜水,在军用场景下沿用至今。

JFD 的 Divex Shadow 系统支持O<sub>2</sub>和 Nitrox。

氧气毒性

人类日常沐浴在氧含量约21% 环境压力约1 ata 氧分压约0.21 ata的大气环境中。长期的进化和适应的结果是,当有氧含量增加时,对人体的毒性就显现出来。高氧分压可导致中枢神经氧中毒、肺部类型氧中毒和眼氧中毒等。其中,中枢神经氧中毒带来的严重的惊厥反应,可导致潜水员溺水,有着致命的风险。

为了管理氧中毒的风险,ANDI 将氧分压极限设置1.6 ata,1.45 ata为工作氧分压上限,1.45-1.6 ata为警戒区间。同时使用氧曝露表格管理氧中毒风险。此外,OTU 也常用于管理肺部类型氧中毒风险。

上:ANDI 同等深度、最大工作深度表 下:氧曝露极限表

如果基于1.45 ata的最大工作氧分压或1.6的氧分压极限,携带氧气瓶潜水的深度将分别4.5米和6米。事实上,诸如Divex Shadow的现代军用装备,使用O2时的最大深度正是6米。

Trouble Gas - 氮气

N2为了抑制氧气的影响,安全下潜到更深的深度,潜水员不得不保留了看似无用的氮气。普通空气中氮气含量约78.09%。保留呼吸气体中的氮气,确实是下潜到更大深度的最经济的方法。

 

可以说氮气的存在压制了氧气的邪恶,但氮气本身也是负面情绪满满的气体。

减压病之源

作为生理惰性气体,不太参与人体代谢,但物理反应却是无法避免的,氮气会溶解、扩散到人体组织中。

气体的溶解度和分压相关,压力越大,溶解度越高,因此下潜过程中有更多的氮气会进入到血液并扩散至各个人体组织中。上升减压过程中,由于环境压力减小,人体组织中的氮气有可能处于超饱和状态。如果上升过快,多余的氮气来不及通过呼吸排除,而是原地在身体组织中形成足以产生症状的气泡,减压病(DCS)就随之而来。

氮气溶解和扩散给潜水带来的影响是:不能过快上升,当组织中累积的氮气达到一定程度就不能直接上浮至水面,需要减压后方能出水。

氧和氮这对欢喜冤家此消彼长,潜水员不得不时常改变双方的比例,适应不同形态的潜水,这就有了EANx - 高氧空气潜水。符合ANDI标准的EANx 则被称为SafeAir。

迷醉

氮的生理“惰”性,实际上是相对的。高氮分压下,迷醉效应会逐渐显现。

最早报告氮醉现象的是法国人Junod。他发现潜水作业时,脑功能被激活、想象生动逼真,想法特别有魅力…(此人可能嗜酒,不喝酒的我氮醉时智力是减退的-_-||)。

除了这种开发智力的功能外,氮醉的症状包括情绪改变、智力减退、感觉异常、运动协调和意识出现障碍等。有意思的是,酒精和氮气就像是迷幻二人组,除了症状有相通之处,有些研究者认为酒量好的潜水员氮醉耐受力也要更强。如果潜水前饮酒,麻醉效果还会叠加…(参考《潜水医学》P158)

轻度的氮醉就像酒精带来的微醺,未必全是负面的感受,也未必对潜水安全带来很大的威胁。但随着深度的增加,迷醉的症状会逐渐加重。在高负荷的潜水中,严重的迷醉带来安全风险,有时甚至是致命的。和氧气毒性管理一样,限制分压是有效的风险管理手段之一。ANDI在CSU课程中,将PN2限制为4.0 ata。这意味着,潜水深度同时受到氮醉的制约。

上表是不同气体,氮分压和氧分压随深度变化的数据。红色区域表示 氮分压超过 4.0 ata的警戒阈值,黄色区域则表示氧分压超过1.45 ata的最大工作分压。

PN2 4.0 ata并非不可逾越的极限,耐受和个体差异、训练和经验等有很大关系,否则那些氮醉管理课程和空气大深度的实践也就无从说起。但通常认为,普通空气潜水应该将深度限制在50-60m。

 少量有趣 - 二氧化碳

CO2这里插播一种有意思的气体CO2,普通空气中二氧化碳的含量很低,约0.033%。

比起N2,直觉告诉我们这是一种更“废”的气体——呼吸不就是吸入新鲜空气,呼出二氧化碳吗?但,人体恰恰离不开这种废气。快速连续的深呼吸可以降低人体二氧化碳的含量,过低的二氧化碳会导致麻痹、眩晕等一系列症状,甚至有可能失去意识——由此可见,二氧化碳是人体不可或缺的一种气体成分。

CO2 本身随着分压的升高会产生直接的毒性。供气设备故障、面罩通风不足、密闭回路系统CO2 吸附剂失效等因素都有可能导致CO2 分压异常升高。CO2 中毒的表现包括:呼吸急促、困难,皮肤潮红、出汗,肌肉协调不佳,严重的会出现呕吐、思维能力下降、精神错乱、肌肉痉挛等。

CO2 的有趣之处在于,它是一种调节剂。CO2 含量高,会刺激呼吸中枢增加通气量,增加重要器官的血液供应量的同时收缩末梢血管;反之亦然。在潜水时,工作负荷的变化就足以改变身体CO2 的量,进而引发一系列的生理变化。

CO2 分压增高的状况下,呼吸和循环加速,更多的惰性气体会进入人体组织,促进饱和过程;末梢血管收缩又限制了脱饱和过程惰性气体的排除。因此PCO2升高会增加减压病的风险。

CO2 和 O2在氧中毒这项事业上相互促进、携手奋进:PCO2 升高会促使脑血管扩张,脑部血液供应增加带来更多的O2,增了中枢神经氧中毒的风险;而高PO2 曝露时,血红蛋白被O2占据,CO2代谢能力下降,导致CO2潴留进而促使脑血管扩张… 这也是虽然潜水界把氧分压极限设定为1.6 ata,但在工作状态下只使用 1.4 或 1.5 ata的工作氧分压的原因。

在迷醉问题上,PCO2增高导致的脑部血液供应增加同样增加了氮气的供应量,从而提升了氮醉发生的速度和严重程度。同时,PCO2自身也有迷醉效果。 

CO2几乎在加速和加剧每一种气体的潜水毒副反应,这是一位催化剂般的神助攻选手。

麻烦的替代品有点贵 - 氦气 He

如前所述,高PO2带来氧中毒问题,而高PN2 则导致气体迷醉,这两种气体无法将潜水员带到最大的深度,于是,潜水界开始扫视元素周期表,将生理惰性气体拿过来一一尝试,然后锁定了氦气-He。

氦气的优点

He 几乎没有麻醉效果,因此一举解决了氮醉问题。PO2的问题完全可以通过大深度使用贫氧的混合气来解决。例如100米使用氧含量11%的气体,氧分压达到1.21 ata,远高于0.21 ata的水面正常氧分压,又略低于警戒线1.45 ata。氦气的使用将常规水肺潜水作业深度拓展至120米。

He的密度只有N2的1/7,使用He取代N2可以让呼吸更轻松,特别是大深度的时候,一方面可以减轻身体的负担,也可以让CO2更顺利的排出,减少顽皮的催化剂气体CO2的影响。扩散速度快,让气体容易通过狭小的空间,降低了空腔平衡的难度。

He优势明显,但不代表它没有缺点…

价格昂贵,童叟无欺

He 在低空大气层是稀有气体,在整体大气中的比例也只有1/25万-1/5万,目前生产He的方式,主要靠开采天然气并从其副产物中分离。比起大气中大比例的O2和N2,可谓物以稀为贵。

氦气减压

减压方面:氦气作为惰性气体,He和N2一样面临溶解、扩散和排出的问题,同样要面对减压病的问题。He分子小,扩散速度快。因此饱和和脱饱和速度要比N2要快。容易扩散意味着:组织对过饱和状态的耐受能力会下降。基于Haldane模型,He的过饱和安全系数通常采用1.4、1.2,低于N2采用的1.8、1.6。使用M值的模型如Buhlmann等,也为He定义了更保守的M值系数。低耐受意味着更深的减压站,更慢的上升速率。

我们不妨做一个对比,用 SafeAir 28(EANx 28)和  Heliox 28/72来做潜水计划,深度40米,底部时间30分钟,使用Buhlmann ZHL-16C模型,GF值为 40/85。

Heliox 28/72 的减压计划:

SafeAir 28 的减压计划:

使用SafeAir 28所需的Runtime是65分钟、减压时长31分钟,而使用Heliox 28/72 的计划Runtime长达136分钟,减压时长102分钟。可见,He的引入给减压来说带来了更大的负担。

散热快

He的导热能力强,比热容大,比N2更容易带走身体的热量,因此使用氦气潜水,更容易导致失温,而失温又是减压病的诱因。如果使用

变声

呼吸氦气时,声音会变尖,清晰度下降,这个说不上是太大的缺点吧,如果不使用水下语音设备的话。

高压神经综合症 HPNS

高氦气分压下,神经细胞也会受到影响,会产生肌肉震颤痉挛、嗜睡、眩晕、恶心等一系列症状,这就是高压神经综合症-HPNS。HPNS需要较高的分压,因此在较大深度才会发生。虽然都是高压气体作用于神经细胞,但机理上和氮醉并不相同。一定程度上,氮气会削弱氦气带来的HPNS的影响。

三混气 Trimix

氦气辣么贵,减压时间长,还有HPNS,是不是一定要用纯氧兑纯氦做Heliox呢?留点氮气他不香吗? 事实上,保留一部分氮气,正是现代技术潜水的常规套路——氧 氦 氮三混气——Trimix。

用于潜水的Trimix 通常的标记习惯是 先记氧气比例,再记氦气比例,剩余的就是氮气。例如 Tx 28/30 表示 28%的O2、30%的He和42%的N2

Trimix 集各家缺点于一身:贵、氧中毒、氮醉、减压慢、变声、散热快…一个不落,不过好处是各方缺点都被削弱了,因此非常适用于60-120米的大深度水肺潜水,也可用于饱和潜水作业。

延续前面潜水计划的对比,我们可以看到同样深度和底部时间,使用三混气Tx 28/30 的Runtime减少至72分钟,减压时长减少至38分钟以内。

三混气可以根据氧含量的不同分为常氧、高氧和低氧三种类型,分别适用于不同的潜水场景。为了潜入更大的深度,O2的百分比有时会压到非常低的状态,那么,在上升过程中,就有可能出现PO2过低的情况,此时就需要引入“Travel Gas”进行切换衔接,保障上升过程不出现过低的PO2

 干衣填充物 - 氩气 Ar

使用Trimix潜水时,如果用呼吸气体直接填充干式潜水衣,一定是一个烧钱不讨好的行为。如前所述,氦气的导热性能极佳,是氮氧混合气的数倍,如果用含有氦气的混合气填充干式潜水衣,保暖性能会急剧下降。人们试图寻找一种安全、经济、保暖性能高的气体填充干衣,然后同为惰性气体的氩气 Ar浮现。氩气的导热系数比空气低约32%。经济性的角度,相对于He,Ar的制取要廉价的多,在空气中含有的0.932%的氩,通过分离提纯即可获得。也有研究对氩气相对于氮氧混合气带来的保暖性能的提升提出质疑,不过无论如何,Ar都是比He更加的干衣填充选择。

 易燃易爆品 - 氢气 H2氢在元素周期表排名第一,氢气 H2 是已知密度最小的气体。氢气相对于人体来说,也可以算作惰性气体,所以H2 同样出现在N2的替代物候选清单中。氢气的取得要比其他气体都容易,早在初中化学课上,你就可能已经get了电解法从水中制取H2,所以H2最大的优点就是廉价。

H2 具有 He几乎所有的优点:抗迷醉、呼吸阻力小。He的弊病亦有改善:廉价、可降低HPNS的影响。

不过,化学上意义,H2并非惰性气体,而是活跃的易燃易爆品——一般情况,氢氧混合物遇火源就会爆炸。相信没有潜水员愿意背着炸药包去潜水。事实上,氢氧混合物有一个爆炸极限,当氧含量低于4%的时候这方面的风险就解除了。

PO2 高于 0.16 ata 是维持人体机能的最低要求。4%的氧含量至少要下潜至 30米才能达到这个最低要求,因此,氢氧混合气并不是一种适合在浅水使用的气体,如果使用氢气潜水,travel gas 切换就成为必然的选项。1954年,瑞典工程师 Arne Zetterstrom 使用 4% O2/24% N2/72% H2的混合气体,成功下潜至161米大深度潜水,遗憾的是,水面支持人员操作错误,导致他最终死于减压病和急性缺氧。Arne并没有让氢气潜水的研究停滞,含氢混合气被更多的应用到饱和潜水实践中,H2-He-O2,H2-N2-O2 的不同组合均有被尝试和应用。

H2引入潜水气体尚未成为主流,但为打通大深度的迷墙提供了多一种手段。

Arne Zetterstrom

总结

越往深处潜去,越远离人类生活的正常环境,单一气体的束缚就越来越强,多种混合气体运用和切换,仿佛在无法通行的障碍物上开凿一条隧道 ——

go deep,dive the future.

参考资料:

ANDI 完全安全气手册

徐伟刚《潜水医学》科学出版社 2016

李晓红《潜水气体与潜水》海洋出版社 2016

Argon used as dry suit insulation gas for cold-water diving