При любой конструкции водолазного аппарата возможности водолаза ограничены. Это объясняется не столько несовершенством аппаратуры, сколько относительной неприспособленностью человеческого организма к работе в водной среде.
Давление водной среды во много раз превышает атмосферное. При увеличении глубины погружения на каждые 10 м давление возрастает на 1 атм. Следовательно, водолаз, достигший границ континентального шельфа (около 200 м), будет подвергаться давлению, более чем в 20 раз превышающему нормальное.
Как известно, механическое воздействие повышенного давления на человеческий организм само по себе не причиняет человеку никакого вреда, поскольку оно полностью уравновешивается гидростатическим противодавлением в тканях организма и повышенным давлением газов, заполняющих легкие и все прочие воздухоносные полости. Лишь в случае резкого изменения внешнего давления (при быстром спуске или подъеме) возможны механические повреждения тканей, так называемые баротравмы, причем баротравма легких считается одним из наиболее серьезных специфических водолазных заболеваний. Однако, пользуясь исправным снаряжением и точно соблюдая правила погружений, опасность баротравм можно полностью исключить.
Взаимоотношения организма и среды далеко не исчерпываются механическим воздействием повышенного давления последней. Исследования показали, что газы, входящие в дыхательную смесь, при возрастании давления изменяют свою биологическую активность по отношению к человеческому организму, причем практически каждый компонент смеси начинает проявлять новые, как правило, вредные для организма свойства. Французский ученый Поль Бэр, внесший большой вклад в развитие водолазной физиологии, писал: «Давление действует на живой организм не как непосредственный физический фактор, а как химический агент...»
Организм человека нуждается в постоянном притоке кислорода. Если парциальное давление его во вдыхаемой газовой смеси упадет ниже 0,16 ата (это соответствует 16% кислорода при нормальном давлении), наступит явление, известное под названием кислородного голодания. Оно характеризуется внезапной потерей сознания, наступающей без предварительных, «предупреждающих» признаков, и поэтому очень опасно.
Чрезмерное увеличение парциального давления кислорода не менее опасно для здоровья человека. У совершенно здоровых людей, дышащих чистым кислородом, даже при нормальном атмосферном давлении, через двое-трое суток начинается отек легких, переходящий в тяжелое воспаление: развивается легочная форма кислородного отравления. В случае увеличения давления в 2-2,5 раза эти явления наступают уже через 3-4 часа. Слишком высокое парциальное давление кислорода начинает также сказываться и на нервной системе. При давлении 2-2,5 ата, соответствующем глубине всего 10-15 м, уже через 1,5-2 часа могут наступить судороги, затемнение и полная потеря сознания.
Степень кислородного отравления зависит и от глубины погружения и от времени пребывания водолаза на грунте – так называемой экспозиции. Например, на глубине 20 м безопасно дышать чистым кислородом при экспозиции 15 мин. и абсолютно смертельно при экспозиции в несколько часов. Опытным путем установлен предельный допустимый уровень парциального давления кислорода для длительных экспозиций – 0,6 ата, а это значит, что в таком случае процентное содержание кислорода во вдыхаемой газовой смеси необходимо снижать по мере увеличения глубины погружения: от 20-60% на поверхности до 2-6% на стометровой глубине или до 1-3% на глубине 200 м. Весь остальной объем смеси должен приходиться на долю газа – «разжижителя» кислорода, который не оказывает вредного воздействия на организм человека.
В обычной земной атмосфере таким «разжижителем» является азот; при нормальном давлении он абсолютно индифферентен по отношению к человеческому организму. Однако при погружении водолаза на глубину 40-60 м в снаряжении на сжатом воздухе именно азот, как полагают, начинает оказывать на него действие, по ряду признаков сходное с алкогольным опьянением. Азотный наркоз, или азотное опьянение (так обычно называют это явление), практически лишает водолаза трудоспособности на глубине свыше 70-80 м. Нарушение критического мышления, беззаботное отношение к собственной безопасности, свойственное этому состоянию, безусловно представляет большую угрозу для водолаза и может даже привести к его гибели.
Наркотическое действие азота пока еще плохо изучено и до конца не объяснено. Считается, что при парциальном давлении 4,5-5 ата азот, растворяющийся в тканях организма, в особенности в жиросодержащих веществах мозга, начинает воздействовать на центральную нервную систему, вызывая состояние опьянения. Некоторые исследователи склонны отрицать существования азотного наркоза и объясняют состояние глубинного опьянения. Некоторые исследователи склонны отрицать факт существования азотного наркоза и объясняют состояние глубинного опьянения совместным влиянием кислорода и углекислого газа, в избытке растворенных в крови под повышенным давлением, а также нарушением работы нервных дыхательных центров человека, дышащего значительно более плотной и вязкой на глубине газовой смесью. Тем не менее, мнение о токсичности азота при больших парциальных давлениях разделяется большинством физиологов.
Итак, водолаз, использующий для дыхания сжатый воздух, на глубинах, близких к 100 м, сталкивается со своеобразным барьером; преодолеть его он оказывается не в состоянии без риска расплатиться за это жизнью. Воздух, без которого немыслимо существование человека на поверхности, на больших глубинах превращается в его злейшего врага. Каждый компонент, входящий в состав воздуха, с повышением давления до определенных границ становится ядом, способным сильно отравить организм и привести в конечном итоге к гибели.
Существование барьера глубины было доказано в конце 40-х годов французскими аквалангистами Группы подводных изысканий (основанной Кусто), задавшихся целью выяснить те пределы, до которых возможно использование автономного снаряжения на сжатом воздухе. Не стремясь к спортивной славе и стараясь не рекламировать свои победы, чтобы не вызвать нездоровый ажиотаж и желание перекрыть эти рекорды среди растущей армии аквалангистов-любителей, подводники Группы подводных изысканий приблизились, по всей вероятности, к абсолютному рекорду глубины для акваланга. Но эти погружения обошлись дорогой ценой: член Группы с момента ее официального создания в 1945 г. опытнейший ныряльщик Морис Фарг погиб, доведя лучшее мировое достижение того времени до 120 м.
Как же был найден выход из этого «воздушного» тупика? Очевидно, преодолеть барьер глубины можно было только заменив воздух искусственно созданными газовыми смесями, из которых следовало устранить главного виновника зла – азот, а содержание кислорода несколько снизить, с тем, чтобы его парциальное давление в расчетном диапазоне глубин не выходило за безопасные границы. Хорошим «разжижителем» кислорода, свободным от основного недостатка азота (токсичности при повышенном давлении), оказался гелий – химически инертный газ, второй по плотности после водорода, не имеющий ни цвета, ни вкуса, ни запаха. Опыты с животными, а затем и с человеком, помещенными под искусственно созданное повышенное давление в специальных камерах с прочным корпусом (барокамерах), убедили исследователей, что гелий безвреден для человеческого организма и при больших давлениях не вызывает явлений, сходных с азотным опьянением. Единственным, но очень серьезным препятствием на пути широкого внедрения гелиевых смесей в водолазную практику была весьма высокая стоимость гелия, обусловленная трудностями и малым объемом его добычи.
Массачусетский профессор Элиу Томпсон еще в 1919 г. предложил заменить азот гелием, однако дальше обнадеживающих опытов в барокамерах и успешного погружения на глубину 126 м, предпринятого в декабре 1937 г. на озере Мичиган американским инженером Максом Нолом, дело не пошло. Только в 1948 г. водолазы плавучей базы «Риклейм» под руководством главного инспектора водолазного дела английского ВМФ капитана Шелфорда, используя гелиокислородные смеси, провели серию погружений в вентилируемом снаряжении, которая завершилась рекордным погружением младшего офицера Уилфорда Болларда на глубину 162 м. Это достижение в октябре 1956 г. было превышено англичанином Джорджем Буки, которому удалось пробыть 5 мин. на глубине 180 м.
Казалось бы, барьер глубины не устоял перед натиском гелио-кислорода, но... за пятиминутное пребывание на чудовищной глубине почти в две сотни метров Вуки вынужден был заплатить мучительно долгим выходом на поверхность, который длился свыше 12 час.! Рекорд остался в полном смысле рекордом – никакую полезную работу при таком графике рабочего дня водолаз, конечно, не может выполнять. Увы, почти столь же плачевен «баланс времени» водолаза, спускающегося на глубины, далекие от рекордных. После получасовой работы на глубине 120 м водолаза, использующего для дыхания гелиокислородную смесь, нельзя поднимать на поверхность быстрее, чем за три с половиной часа. Водолаз же, который дышит обычным воздухом, должен затратить на подъем те же долгие часы, но только при выходе со значительно меньших глубин: если допустимое время подъема после часового пребывания на глубине 15 м не превышает 2 минут, то после часа работы на глубине 30 м водолаз вынужден затратить на выход на поверхность уже около часа, а за час, проведенный на глубине 60 м, он расплачивается подъемом, длящимся 6 часов!
Так на помощь пошатнувшемуся барьеру глубины пришел новый очень серьезный противник водолаза – барьер времени. Но в чем же дело? Почему водолаз-глубоководник вынужден растрачивать впустую так много драгоценного времени? Причина, как и в случае барьера глубины, заключается не в техническом несовершенстве используемого снаряжения, а опять-таки в относительной неприспособленности человеческого организма к повышенному давлению чуждой водной среды.
В организме человека в растворенном состоянии находится некоторое количество инертного газа, входящего в состав той атмосферы, которой дышит человек. При повышении давления в соответствии с законами физики растворимость газов в жидкостях увеличивается пропорционально давлению, и при погружении водолаза под воду содержание растворенного «разжижителя» в его организме начинает возрастать. Количество избыточного газа, накопившегося к данному моменту в организме, сильно зависит от продолжительности погружения, поскольку растворение его в крови и последующий переход (диффузия) в ткани – процесс относительно медленный.
При выходе на поверхность происходит снижение внешнего давления (этот процесс в водолазном деле называется декомпрессией), и растворимость газов в тканях организма падает. Если давление уменьшается достаточно медленно, то процесс удаления излишков инертного газа – обратная диффузия из тканей в кровь и последующее выделение его из крови в легких – протекает без каких-либо последствий для человека. Однако же, если скорость подъема окажется слишком большой, избыток «разжижителя» начнет переходить в газообразное состояние непосредственно в тканях и крови, вызывая закупорку сосудов и нарушение кровообращения, что может привести к серьезным последствиям (поражению органов слуха и зрения, параличам конечностей) и в тяжелом случае – к смерти.
Для того чтобы предупредить заболевание (оно носит название декомпрессионной, или кессоной болезни), водолаз должен выходить на поверхность, строго соблюдая безопасный режим медленного подъема – так называемый режим декомпрессии. На практике широко используются рабочие водолазные таблицы, в которых зафиксированы декомпрессионные режимы, рассчитанные с учетом как глубины погружения, так и времени пребывания водолаза на грунте. В основу этих таблиц положен метод ступенчатой декомпрессии. Суть его заключается в следующем.
Экспериментальным путем доказано, что быстрое снижение в определенных пределах внешнего давления не вызывает образования газовых пузырьков, т, е. водолаз может быстро подняться на глубину с меньшим давлением (для азота допустимый перепад – в 2 раза), не опасаясь кессонной болезни. Но дальнейший подъем нельзя продолжать до тех пор, пока излишки инертного газа не будут частично удалены из организма, т. е. необходима определенная выдержка на этой глубине, после чего становится возможным быстрый переход на следующую «ступеньку».
Метод ступенчатого подъема весьма удобен для практического использования, так как вместо сложных и долгих расчетов допустимой скорости выхода достаточно лишь по таблицам выбрать нужный режим и при подъеме водолаза строго соблюдать требуемое время остановок па фиксированных глубинах. Однако ступенчатая декомпрессия – не самый быстрый способ снижения давления. Скорость насыщения тканей максимальна тотчас после изменения глубины и падает с увеличением времени выдержки. Поэтому, чтобы наиболее быстро удалить излишки инертного газа, нужно использовать медленный непрерывный подъем с такой скоростью, при которой в каждый момент количество растворенного в организме газа будет близко к критическому (разумеется, с некоторым коэффициентом безопасности, исключающим последствия незначительных случайных нарушений непрерывного режима декомпрессии). Практически при подъеме водолаза после обычного рабочего погружения в море это трудно осуществить, однако при исследованиях в барокамерах, а также при проведении некоторых экспериментов под водой способ непрерывной декомпрессии в последнее время находит все большее применение.
Опасность декомпрессионной болезни – одно из самых серьезных препятствий на пути завоевания больших глубин. Соблюдение рассчитанных режимов позволяет сохранить жизнь и здоровье водолазу при глубоководных спусках, но в то же время ставит перед ним барьер времени, долгое время считавшийся непреодолимым.
В водолазной практике иногда применяют некоторые способы, позволяющие при подъеме несколько сократить время вынужденного пребывания под водой. Минуя две-три последние «ступеньки», водолаза быстро поднимают на поверхность и немедленно помещают в барокамеру для проведения пропущенных этапов ступенчатой декомпрессии. Использование для дыхания гелиокислородных смесей значительно сокращает время декомпрессии после длительного пребывания под водой благодаря тому, что гелий обладает значительно меньшей растворимостью, чем азот, и скорость его растворения в тканях организма (а следовательно, и скорость его выделения) выше, чем у азота. Но ни гелий (вспомните рекордное погружение Джорджа Буки!), ни декомпрессия на поверхности, ни использование режимов непрерывной декомпрессии принципиально не могут дать ключ к победе над барьером времени.
Какие же пути преодоления барьеров глубины и времени могла бы предложить современная наука и техника?
Поскольку источником всех бед является повышенное давление, воздействующее на человеческий организм, нельзя ли попытаться защитить от него водолаза, сделав скафандр таким прочным, чтобы он выдерживал высокое давление окружающей воды? Тогда водолаз сможет находиться в нем при нормальном давлении в обычной атмосфере и работать, не опасаясь ни азотного наркоза, ни отравления кислородом, ни декомпрессионной болезни. Это – путь технический.
Водолаз не может долго оставаться на дне из-за неизбежности длительной декомпрессии при подъеме на поверхность. Но так ли уж нужен подъем? Что, если дать возможность водолазу отдыхать, есть, спать прямо на месте работы – на дне? Что, если жить под водой сутки, неделю, месяц – столько, сколько потребуется для выполнения работы, и только после ее окончания (или окончания рабочей смены) подняться на поверхность, пройдя декомпрессию всего один раз? В этом случае водолазам потребуется необычное жилище – дом, в котором повышенное давление искусственной атмосферы будет удерживать воду у «порога» – люка в полу, как в перевернутом стакане с воздухом, опущенном под воду. Чтобы войти в такой дом после рабочего дня, водолазу не нужно будет проходить никакой декомпрессии. Это – путь, исчерпывающий до конца скрытые резервы, таящиеся в человеческом организме, путь доведения природной приспособляемости человека до максимально возможных пределов.
