名詞解釋

O₂ - Oxygen 氧氣。

N₂ - Nitrogen 氮氣。

He - Helium 氦氣。

Ar - Argon 氬氣。

H₂ - Hydrogen 氫氣。

CO₂ - Carbon dioxide 二氧化碳。

Nitrox 氮氧混合氣 潛水中通常指高氧。

EANx - Enriched Air Nitrox 高氧氣體，EANx + 數字 表示特定氧含量的氣體，例如 EANx 32。

SafeAir(R) 符合ANDI標準的氧含量在22%-50%的氮氧混合氣。

Heliox 氦氧混合氣。

Trimix 氦氮氧三混氣。

ata - atmosphere absolute 壓力單位，絕對大氣壓。1 ata = 1.013 bar

分壓 - partial pressure 混合氣體中，單一一種氣體成分的壓強，本文中使用ata作為分壓的單位。

氣體的分壓 等于 混合氣體壓力x氣體百分比。本文中，用 PO₂ 表示氧分壓，PN₂表示氮分壓，以此類推。

CNS - Central nervous system 中樞神經，在氧中毒的上下文里，表示中樞神經氧中毒，CNS% 表示達到曝露劑量極限的百分比。

OTU - Oxygen Toxicity Unit 氧中毒單位，用于管理肺部類型氧中毒。

HPNS -? 高壓神經綜合癥。

帶個“氧氣瓶”下水可好？

聊無用之氣，不得不先說有用之氣，所以我們先從氧氣開始。

非潛水員對潛水的誤解之一：潛水員總是帶著氧氣罐下水，一些大眾媒體也常常報道水肺潛水員抄起氧氣罐下水救人一類的新聞。此時，潛水員們的內心os應是：你咋不背煤氣罐呢？

雖然大部分時候，這種基于直覺的陳述是錯誤的，但氧氣潛水并非不存在。除了技術潛水使用純氧作為減壓氣體之外，還有一些限制在淺深度的裝具會使用純氧。1879年，英國人開始使用閉合回路的自攜式氧氣潛水裝置——可以理解為早期CCR。一戰和二戰期間，這種裝置逐漸被用于軍事潛水，在軍用場景下沿用至今。

氧氣毒性

人類日常沐浴在氧含量約21% 環境壓力約1 ata 氧分壓約0.21 ata的大氣環境中。長期的進化和適應的結果是，當有氧含量增加時，對人體的毒性就顯現出來。高氧分壓可導致中樞神經氧中毒、肺部類型氧中毒和眼氧中毒等。其中，中樞神經氧中毒帶來的嚴重的驚厥反應，可導致潛水員溺水，有著致命的風險。

為了管理氧中毒的風險，ANDI 將氧分壓極限設置1.6 ata，1.45 ata為工作氧分壓上限，1.45-1.6 ata為警戒區間。同時使用氧曝露表格管理氧中毒風險。此外，OTU 也常用于管理肺部類型氧中毒風險。

如果基于1.45 ata的最大工作氧分壓或1.6的氧分壓極限，攜帶氧氣瓶潛水的深度將分別4.5米和6米。事實上，諸如Divex Shadow的現代軍用裝備，使用O₂時的最大深度正是6米。

Trouble Gas - 氮氣

N₂為了抑制氧氣的影響，安全下潛到更深的深度，潛水員不得不保留了看似無用的氮氣。普通空氣中氮氣含量約78.09%。保留呼吸氣體中的氮氣，確實是下潛到更大深度的最經濟的方法。

?

可以說氮氣的存在壓制了氧氣的邪惡，但氮氣本身也是負面情緒滿滿的氣體。

減壓病之源

作為生理惰性氣體，不太參與人體代謝，但物理反應卻是無法避免的，氮氣會溶解、擴散到人體組織中。

氣體的溶解度和分壓相關，壓力越大，溶解度越高，因此下潛過程中有更多的氮氣會進入到血液并擴散至各個人體組織中。上升減壓過程中，由于環境壓力減小，人體組織中的氮氣有可能處于超飽和狀態。如果上升過快，多余的氮氣來不及通過呼吸排除，而是原地在身體組織中形成足以產生癥狀的氣泡，減壓病（DCS）就隨之而來。

氮氣溶解和擴散給潛水帶來的影響是：不能過快上升，當組織中累積的氮氣達到一定程度就不能直接上浮至水面，需要減壓后方能出水。

氧和氮這對歡喜冤家此消彼長，潛水員不得不時常改變雙方的比例，適應不同形態的潛水，這就有了EANx - 高氧空氣潛水。符合ANDI標準的EANx 則被稱為SafeAir。

迷醉

氮的生理“惰”性，實際上是相對的。高氮分壓下，迷醉效應會逐漸顯現。

最早報告氮醉現象的是法國人Junod。他發現潛水作業時，腦功能被激活、想象生動逼真，想法特別有魅力…(此人可能嗜酒，不喝酒的我氮醉時智力是減退的-_-||)。

除了這種開發智力的功能外，氮醉的癥狀包括情緒改變、智力減退、感覺異常、運動協調和意識出現障礙等。有意思的是，酒精和氮氣就像是迷幻二人組，除了癥狀有相通之處，有些研究者認為酒量好的潛水員氮醉耐受力也要更強。如果潛水前飲酒，麻醉效果還會疊加…（參考《潛水醫學》P158）

輕度的氮醉就像酒精帶來的微醺，未必全是負面的感受，也未必對潛水安全帶來很大的威脅。但隨著深度的增加，迷醉的癥狀會逐漸加重。在高負荷的潛水中，嚴重的迷醉帶來安全風險，有時甚至是致命的。和氧氣毒性管理一樣，限制分壓是有效的風險管理手段之一。ANDI在CSU課程中，將PN₂限制為4.0 ata。這意味著，潛水深度同時受到氮醉的制約。

上表是不同氣體，氮分壓和氧分壓隨深度變化的數據。紅色區域表示 氮分壓超過 4.0 ata的警戒閾值，黃色區域則表示氧分壓超過1.45 ata的最大工作分壓。

PN₂?4.0 ata并非不可逾越的極限，耐受和個體差異、訓練和經驗等有很大關系，否則那些氮醉管理課程和空氣大深度的實踐也就無從說起。但通常認為，普通空氣潛水應該將深度限制在50-60m。

?少量有趣 - 二氧化碳

CO₂這里插播一種有意思的氣體CO₂，普通空氣中二氧化碳的含量很低，約0.033%。

比起N₂，直覺告訴我們這是一種更“廢”的氣體——呼吸不就是吸入新鮮空氣，呼出二氧化碳嗎？但，人體恰恰離不開這種廢氣。快速連續的深呼吸可以降低人體二氧化碳的含量，過低的二氧化碳會導致麻痹、眩暈等一系列癥狀，甚至有可能失去意識——由此可見，二氧化碳是人體不可或缺的一種氣體成分。

CO₂ 本身隨著分壓的升高會產生直接的毒性。供氣設備故障、面罩通風不足、密閉回路系統CO₂ 吸附劑失效等因素都有可能導致CO₂ 分壓異常升高。CO₂ 中毒的表現包括：呼吸急促、困難，皮膚潮紅、出汗，肌肉協調不佳，嚴重的會出現嘔吐、思維能力下降、精神錯亂、肌肉痙攣等。

CO₂ 的有趣之處在于，它是一種調節劑。CO₂?含量高，會刺激呼吸中樞增加通氣量，增加重要器官的血液供應量的同時收縮末梢血管；反之亦然。在潛水時，工作負荷的變化就足以改變身體CO₂?的量，進而引發一系列的生理變化。

CO₂ 分壓增高的狀況下，呼吸和循環加速，更多的惰性氣體會進入人體組織，促進飽和過程；末梢血管收縮又限制了脫飽和過程惰性氣體的排除。因此PCO₂升高會增加減壓病的風險。

CO₂ 和 O₂在氧中毒這項事業上相互促進、攜手奮進：PCO₂?升高會促使腦血管擴張，腦部血液供應增加帶來更多的O₂，增了中樞神經氧中毒的風險；而高PO₂?曝露時，血紅蛋白被O₂占據，CO₂代謝能力下降，導致CO₂潴留進而促使腦血管擴張… 這也是雖然潛水界把氧分壓極限設定為1.6 ata，但在工作狀態下只使用 1.4 或 1.5 ata的工作氧分壓的原因。

在迷醉問題上，PCO₂增高導致的腦部血液供應增加同樣增加了氮氣的供應量，從而提升了氮醉發生的速度和嚴重程度。同時，PCO₂自身也有迷醉效果。?

CO₂幾乎在加速和加劇每一種氣體的潛水毒副反應，這是一位催化劑般的神助攻選手。

麻煩的替代品有點貴 - 氦氣 He

如前所述，高PO₂帶來氧中毒問題，而高PN₂?則導致氣體迷醉，這兩種氣體無法將潛水員帶到最大的深度，于是，潛水界開始掃視元素周期表，將生理惰性氣體拿過來一一嘗試，然后鎖定了氦氣-He。

氦氣的優點

He 幾乎沒有麻醉效果，因此一舉解決了氮醉問題。PO₂的問題完全可以通過大深度使用貧氧的混合氣來解決。例如100米使用氧含量11%的氣體，氧分壓達到1.21 ata，遠高于0.21 ata的水面正常氧分壓，又略低于警戒線1.45 ata。氦氣的使用將常規水肺潛水作業深度拓展至120米。

He的密度只有N₂的1/7，使用He取代N₂可以讓呼吸更輕松，特別是大深度的時候，一方面可以減輕身體的負擔，也可以讓CO₂更順利的排出，減少頑皮的催化劑氣體CO₂的影響。擴散速度快，讓氣體容易通過狹小的空間，降低了空腔平衡的難度。

He優勢明顯，但不代表它沒有缺點…

價格昂貴，童叟無欺

He 在低空大氣層是稀有氣體，在整體大氣中的比例也只有1/25萬-1/5萬，目前生產He的方式，主要靠開采天然氣并從其副產物中分離。比起大氣中大比例的O₂和N₂，可謂物以稀為貴。

氦氣減壓

減壓方面：氦氣作為惰性氣體，He和N₂一樣面臨溶解、擴散和排出的問題，同樣要面對減壓病的問題。He分子小，擴散速度快。因此飽和和脫飽和速度要比N₂要快。容易擴散意味著：組織對過飽和狀態的耐受能力會下降。基于Haldane模型，He的過飽和安全系數通常采用1.4、1.2，低于N₂采用的1.8、1.6。使用M值的模型如Buhlmann等，也為He定義了更保守的M值系數。低耐受意味著更深的減壓站，更慢的上升速率。

我們不妨做一個對比，用 SafeAir 28（EANx 28）和? Heliox 28/72來做潛水計劃，深度40米，底部時間30分鐘，使用Buhlmann ZHL-16C模型，GF值為 40/85。

Heliox 28/72 的減壓計劃：

SafeAir 28 的減壓計劃：

使用SafeAir 28所需的Runtime是65分鐘、減壓時長31分鐘，而使用Heliox 28/72 的計劃Runtime長達136分鐘，減壓時長102分鐘。可見，He的引入給減壓來說帶來了更大的負擔。

散熱快

He的導熱能力強，比熱容大，比N₂更容易帶走身體的熱量，因此使用氦氣潛水，更容易導致失溫，而失溫又是減壓病的誘因。如果使用

變聲

呼吸氦氣時，聲音會變尖，清晰度下降，這個說不上是太大的缺點吧，如果不使用水下語音設備的話。

高壓神經綜合癥 HPNS

高氦氣分壓下，神經細胞也會受到影響，會產生肌肉震顫痙攣、嗜睡、眩暈、惡心等一系列癥狀，這就是高壓神經綜合癥-HPNS。HPNS需要較高的分壓，因此在較大深度才會發生。雖然都是高壓氣體作用于神經細胞，但機理上和氮醉并不相同。一定程度上，氮氣會削弱氦氣帶來的HPNS的影響。

三混氣 Trimix

氦氣辣么貴，減壓時間長，還有HPNS，是不是一定要用純氧兌純氦做Heliox呢？留點氮氣他不香嗎? 事實上，保留一部分氮氣，正是現代技術潛水的常規套路——氧 氦 氮三混氣——Trimix。

用于潛水的Trimix 通常的標記習慣是 先記氧氣比例，再記氦氣比例，剩余的就是氮氣。例如 Tx 28/30 表示 28%的O₂、30%的He和42%的N₂。

Trimix 集各家缺點于一身：貴、氧中毒、氮醉、減壓慢、變聲、散熱快…一個不落，不過好處是各方缺點都被削弱了，因此非常適用于60-120米的大深度水肺潛水，也可用于飽和潛水作業。

延續前面潛水計劃的對比，我們可以看到同樣深度和底部時間，使用三混氣Tx 28/30 的Runtime減少至72分鐘，減壓時長減少至38分鐘以內。

三混氣可以根據氧含量的不同分為常氧、高氧和低氧三種類型，分別適用于不同的潛水場景。為了潛入更大的深度，O₂的百分比有時會壓到非常低的狀態，那么，在上升過程中，就有可能出現PO₂過低的情況，此時就需要引入“Travel Gas”進行切換銜接，保障上升過程不出現過低的PO₂。

?干衣填充物 - 氬氣 Ar

使用Trimix潛水時，如果用呼吸氣體直接填充干式潛水衣，一定是一個燒錢不討好的行為。如前所述，氦氣的導熱性能極佳，是氮氧混合氣的數倍，如果用含有氦氣的混合氣填充干式潛水衣，保暖性能會急劇下降。人們試圖尋找一種安全、經濟、保暖性能高的氣體填充干衣，然后同為惰性氣體的氬氣 Ar浮現。氬氣的導熱系數比空氣低約32%。經濟性的角度，相對于He，Ar的制取要廉價的多，在空氣中含有的0.932%的氬，通過分離提純即可獲得。也有研究對氬氣相對于氮氧混合氣帶來的保暖性能的提升提出質疑，不過無論如何，Ar都是比He更加的干衣填充選擇。

?易燃易爆品 - 氫氣 H₂

氫在元素周期表排名第一，氫氣 H₂ 是已知密度最小的氣體。氫氣相對于人體來說，也可以算作惰性氣體，所以H₂ 同樣出現在N₂的替代物候選清單中。氫氣的取得要比其他氣體都容易，早在初中化學課上，你就可能已經get了電解法從水中制取H₂，所以H₂最大的優點就是廉價。

H₂ 具有 He幾乎所有的優點：抗迷醉、呼吸阻力小。He的弊病亦有改善：廉價、可降低HPNS的影響。

不過，化學上意義，H₂并非惰性氣體，而是活躍的易燃易爆品——一般情況，氫氧混合物遇火源就會爆炸。相信沒有潛水員愿意背著炸藥包去潛水。事實上，氫氧混合物有一個爆炸極限，當氧含量低于4%的時候這方面的風險就解除了。

PO₂ 高于 0.16 ata 是維持人體機能的最低要求。4%的氧含量至少要下潛至 30米才能達到這個最低要求，因此，氫氧混合氣并不是一種適合在淺水使用的氣體，如果使用氫氣潛水，travel gas 切換就成為必然的選項。1954年，瑞典工程師 Arne Zetterstrom 使用 4% O₂/24% N₂/72% H₂的混合氣體，成功下潛至161米大深度潛水，遺憾的是，水面支持人員操作錯誤，導致他最終死于減壓病和急性缺氧。Arne并沒有讓氫氣潛水的研究停滯，含氫混合氣被更多的應用到飽和潛水實踐中，H₂-He-O₂，H₂-N₂-O₂?的不同組合均有被嘗試和應用。

H₂引入潛水氣體尚未成為主流，但為打通大深度的迷墻提供了多一種手段。

總結

越往深處潛去，越遠離人類生活的正常環境，單一氣體的束縛就越來越強，多種混合氣體運用和切換，仿佛在無法通行的障礙物上開鑿一條隧道 ——

go deep，dive the future.

參考資料：

ANDI 完全安全氣手冊

徐偉剛《潛水醫學》科學出版社?2016

李曉紅《潛水氣體與潛水》海洋出版社 2016

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