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di Tecnica & Medicina

Articolo tratto da www.italiasub.it   (il testo è stato rielaborato e adattato da M. Polacchini)

La respirazione di aria compressa

Lo scopo della respirazione è quello di introdurre aria carica d’ossigeno nei polmoni (necessario per il metabolismo del corpo umano) e di espellere aria carica di anidride carbonica. Grossolanamente possiamo affermare che durante l’inspirazione si introduce nei polmoni aria composta da ossigeno 21%, anidride carbonica 0,03%, e azoto 78%. Invece, durante l’espirazione si espelle aria composta da ossigeno 16,4%, anidride carbonica 4% e azoto 78%. Quindi l’azoto è un gas inerte, nel senso che non è utile al nostro metabolismo.

Ma che cosa succede quando si respira aria in pressione? E che cos'è la decompressione? Cerchiamo di rispondere in maniera molto semplice a queste domande.

La legge di Henry (legge di solubilità dei gas nei liquidi) ci insegna che quando un gas esercita una pressione sulla superficie di un liquido, vi entra in soluzione finché avrà raggiunto nel liquido la stessa pressione che esercita sulla sua superficie. Raggiunto l'equilibrio, il liquido si definisce “saturo” di quel gas a quella pressione. Tale stato di equilibrio permane fino a quando la pressione esterna del gas resterà inalterata, altrimenti, se essa aumenta, altro gas entrerà in soluzione. Se la pressione del gas sopra la superficie del liquido diminuisce (o cessa completamente) il gas disciolto fuoriesce dal liquido, cioè torna allo stato gassoso (cd. desaturazione), fino al riequilibrio con la pressione esterna (cioè fino ad un nuovo stato di saturazione). Ora, la quantità di gas che entra in soluzione nel liquido è direttamente proporzionale alla pressione che il gas esercita sulla superficie del liquido. Per esempio, l'acqua minerale potrà essere più o meno gassata secondo la pressione che il gas (in questo caso l'anidride carbonica) esercita su di essa.

Per tutto il tempo in cui respiriamo aria in pressione, questa entrerà nel sangue che porterà l'azoto in tutti i tessuti del corpo (l'ossigeno non lo consideriamo perché viene consumato dal metabolismo del nostro corpo). Quindi, finché restiamo sott'acqua e respiriamo aria compressa l'azoto continuerà ad entrare nel sangue e in tutto il corpo. Quando iniziamo la risalita per uscire dall'acqua, avremo nel corpo una tensione d'azoto superiore alla pressione nei polmoni; ci troveremo cioè dell'azoto disciolto nei tessuti che deve essere espulso. Durante la risalita, con il diminuire della pressione, l'azoto accumulato tenderà a liberarsi sotto forma di bolle (proprio come avviene quando si apre una bottiglia di acqua minerale gassata); queste bolle in risalita si espandono secondo la legge di Boyle e Mariotte che afferma che in condizioni di temperatura costante la pressione di un gas è inversamente proporzionale al suo volume, ovvero che il prodotto della pressione del gas per il volume da esso occupato è costante.

Facciamo un esempio pratico: se portiamo sott’acqua un palloncino gonfiato con gas, man mano che si scende in profondità il suo volume diminuisce, quindi all’aumentare della pressione corrisponde una riduzione di volume. Riportando il palloncino verso la superficie osserviamo che il suo volume aumenta, cioè che al diminuire della pressione corrisponde un aumento di volume. La pressione del gas contenuto nel pallone è, istante per istante, uguale alla pressione esterna e moltiplicando il valore della pressione per il valore del volume otteniamo sempre il medesimo risultato.

Per fare uscire completamente dal nostro corpo le bolle di azoto che si sono formate a causa della respirazione dell’aria compressa, bisogna aspettare che il sangue le trasporti ai polmoni, dove potranno essere eliminate mediante la respirazione (scambio gassoso). Per tale motivo la risalita dovrà essere lenta e al massimo non superare i 10 metri al minuto.

Sappiamo che il nostro corpo resiste ad una tensione di azoto circa doppia rispetto alla pressione, dopodiché si può incorrere nella malattia da decompressione (MDD). Perciò le tabelle di decompressione non fanno altro che indicare al subacqueo quanto deve rimanere sott'acqua, alle quote opportune e per il tempo necessario, per farlo liberare dall'azoto in eccesso (desaturazione), cioè per fargli abbassare la tensione del gas in modo che non venga mai superato il rapporto critico (2:1). Dopo l'uscita dall'acqua rimane comunque nel corpo una certa quantità di azoto ancora da espellere (azoto residuo); infatti ci vogliono 12 ore per essere completamente desaturati.

Il rapporto 2:1 e le 12 ore di desaturazione sono una teoria del fisico Haldane, elaborata ai primi del 1900. Molti studi sono stati fatti da allora e oggi sappiamo che le cose sono in realtà un pò più complesse; osserviamo comunque queste regole perché sono di facile intuizione e sono facilmente memorizzabili. L'azoto ancora da espellere dal nostro corpo ci impone di non fare apnea dopo l'immersione, di non fare sforzi fisici e di non salire in quota (in aereo o in montagna) e nel caso di una eventuale seconda immersione entro 12 ore, ci impone delle ulteriori limitazioni per quanto riguarda il tempo di permanenza sott’acqua a determinate profondità. 

L’autonomia  

Per calcolare la quantità d’aria a disposizione si usa la formula: litri bombola x atmosfere = litri a disposizione  (es. con bombola da 15 litri a 200 bar. 15 x 200 = 3.000 lt).

Per calcolare il consumo al minuto a una determinata profondità si usa la formula: 20 x pressione esterna = consumo litri/min.  (es. a 30 m. di profondità: 20 x 4 = 80 lt/min).

Per determinare l’autonomia basta dividere la quantità totale d’aria per il consumo al minuto. (es. a 30 m. con bombola da 15 lt. a 200 bar: 3.000:80 = 37,5 min).

Questo tempo però è solo teorico!! In caso di affanno o in certe condizioni ambientali, il consumo può essere molto più elevato. Quindi bisogna ricordare di controllare spesso il manometro e di non emergere con meno di 50 atmosfere per fronteggiare eventuali problemi in sicurezza. 

Le miscele  

La legge di Dalton (legge delle pressioni parziali) ci dice che la pressione totale esercitata da una miscela ideale di gas ideali è uguale alla somma delle pressioni parziali che sarebbero esercitate dai gas se fossero presenti da soli in un eguale volume.

Ora è proprio grazie a questa legge fisica che vengono studiate e preparate le miscele per gli altofondalisti. Sappiamo che il corpo umano non tollera più di 1520 mmHg circa di pressione di O₂, quindi per andare oltre i 90 metri di profondità i professionisti preparano delle miscele con minor percentuale di ossigeno rispetto all’aria (cd. miscele ipossiche). In queste miscele l’azoto viene sostituito dall’elio che è molto più leggero, risolvendo così anche i problemi di ebbrezza da profondità (narcosi d’azoto) e di densità dell’aria.

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