Nebezpečné bublinky

Všichni známe situaci, kdy otevřeme lahev koly nebo piva a vytryskne na nás pěna plná bublinek – z kapaliny se uvolnil rozpuštěný oxid uhličitý. Dokud je lahev uzavřená, rozpuštěný CO₂ je v rovnováze s plynem ve zbytku láhve, protože ta nikdy není naplněná až po okraj. Jakmile ji otevřeme, klesne parciální tlak CO₂ nad kapalinou na úroveň tlaku v okolním vzduchu. Přebytečný plyn rozpuštěný v kapalině se poté uvolňuje až do dosažení nové rovnováhy.

Čím blíže je systém k rovnováze, tím pomaleji uvolňování probíhá. Pokud nádobu znovu uzavřeme, tlak uvnitř opět vzroste a uvolňování se zastaví. V případě, že tlak upouštíme pomalu, probíhá pomalu také uvolňování, a netvoří se skoro žádné bublinky. To není žádná velká věda, ale pokud se věnujeme třeba potápění, má to pro nás obrovský význam. Popsané uvolňování plynů totiž může způsobovat tzv. kesonovou nemoc, která je takovou Achillovou patou potápěčů. Právě tomuto fenoménu se budeme věnovat v následujícím textu.

Podivná nemoc

Zmíněná nemoc dostala svůj název podle potápěčského zvonu (kesonu), ale správně se jí říká dekompresní nemoc (dekomprese = snížení tlaku). Potápěčské zvony se sice používají už od 16. století, ale teprve v 19. století se zjistilo, že podivné obtíže potápěčů po návratu na hladinu souvisí poklesem tlaku, který má za následek uvolňování plynů.

Potápěč je pod hladinou vystaven okolnímu tlaku, který se zvýší na každých cca 10 metrů hloubky o jednu atmosféru. S rostoucím tlakem roste také množství plynů rozpuštěných v jeho krvi a tkáních. Když pak potápěč stoupá zpátky k hladině příliš rychle, rozpuštěné plyny „vybublají“ z jeho těla, podobně jako z lahve se sodovkou. Vznikající bublinky pak způsobují zdravotní problémy, např. bolesti v kloubech a v extrémních případech i bezvědomí, či dokonce smrt.

Henryho konstanta

Z fyzikálně-chemického hlediska lze výše popsané jevy vysvětlit pomocí Henryho zákona, dle kterého je množství plynu rozpuštěného v kapalině přímo úměrné jeho tlaku nad hladinou kapaliny. Konstanta úměrnosti se nazývá Henryho konstanta a její hodnoty se liší v závislosti na druhu plynu a kapaliny, ve které se rozpouští. V případě směsi plynů je rozpustnost každého z nich dána jeho parciálním tlakem, který se určí jako celkový tlak vynásobený podílem daného plynu.

Například vzduch obsahuje přibližně 78 % dusíku, 21 % kyslíku a asi 1 % dalších plynů. Při atmosférickém tlaku je parciální tlak dusíku 0,78 atm a kyslíku 0,21 atm (1 atm = 101325 Pa). Z hodnot Henryho konstant lze takto zjistit, že ve srovnání s dusíkem se při stejném parciálním tlaku rozpustí ve vodě skoro dvojnásobné množství helia, poloviční množství kyslíku nebo padesátkrát menší množství oxidu uhličitého.

Obohacený vzduch

Aby se potápěči vyhnuli problémům s dekompresí, musí zpět k hladině stoupat pomalu – rozpuštěné plyny se pak z jejich krve a tkání uvolňují postupně. Ve složitějších případech používají různé triky, které souvisí s rozpuštěním plynů v kapalinách a Henryho zákonem. V prvé řadě využívají toho, že během ponoru roste koncentrace rozpuštěných plynů postupně až do dosažení rovnováhy dle Henryho zákona. Pro každou hloubku lze proto určit maximální dobu, kterou tam může potápěč strávit, aniž by potřeboval věnovat zvláštní péči pomalému návratu na hladinu.

Tuto dobu lze dále prodloužit, pokud se v tlakových lahvích použije místo vzduchu směs s větším množstvím kyslíku, tzv. nitrox. Běžně se používají směsi obsahující 32 % nebo 36 % kyslíku. Kyslík se rozpouští v krvi a tkáních méně než dusík, a navíc se spotřebovává v důsledku metabolické aktivity, takže jeho koncentrace v tkáních se rychleji sníží na hodnotu odpovídající okolnímu tlaku. Dusík má kromě toho při vysokém tlaku narkotické účinky, které jsou pro potápěče velmi nebezpečné. Snížení jeho obsahu proto umožňuje potápění do větší hloubky bez potřeby pomalé dekomprese a rizika ztráty vědomí.

Bohužel, při parciálním tlaku nad 1,4 atm je kyslík pro lidský organismus toxický, proto lze nitrox použít jen do hloubky kolem 30 m. Při potápění hlouběji se využívají směsi kyslíku, dusíku a helia v různých poměrech (tzv. trimix) nebo směsi kyslíku a helia (tzv. heliox). Helium nemá skoro žádné narkotické účinky, v tkáních se rozpouští mnohem méně než dusík, rychleji se do nich vstřebává, ale taky se z nich rychle uvolňuje. Potápěči používající helium se dekompresi nevyhnou, ale ta probíhá mnohem rychleji, než kdyby dýchali směs s dusíkem.

Pomalý návrat z hlubin

Čím větší hloubky chce potápěč dosáhnout, tím menší podíl kyslíku a větší podíl helia musí použít. Při hloubkovém potápění se používají směsi, které mohou obsahovat pouze 1 % kyslíku. Takovou směs ale potápěč nemůže dýchat v malé hloubce, protože malý tlak kyslíku by nestačil uspokojit potřeby jeho organizmu. Při hlubokém ponoru proto musí mít k dispozici několik tlakových lahví, které postupně mění podle aktuální hloubky. Následná dekomprese při výstupu na hladinu pak může trvat několik hodin, či dokonce dnů.

Při dlouhodobém pobytu ve velké hloubce dojde k ustanovení rovnováhy mezi tlakem v okolním prostředí a koncentrací plynů rozpuštěných v krvi a tkáních. Po dosažení rovnováhy (saturace) už doba potřebná pro dekompresi nezávisí na tom, jak dlouho tam potápěč pobýval. Potápěči pracující ve velkých hloubkách proto používají speciální tlakové komory, kde tráví několik dnů až týdnů potřebných k vykonání jejich práce. Při návratu na hladinu se tlak v komoře postupně snižuje, až během několika dnů znovu dosáhne atmosférického tlaku a potápěči mohou bezpečně vystoupit.

Pozn.: Poděkování za praktické konzultace patří kamarádovi potápěči Jakubovi Malému.