名詞解釋

O₂ - Oxygen 氧氣。

N₂ - Nitrogen 氮?dú)狻?/p>

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(shù)字 表示特定氧含量的氣體，例如 EANx 32。

SafeAir(R) 符合ANDI標(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(qiáng)，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(jīng)，在氧中毒的上下文里，表示中樞神經(jīng)氧中毒，CNS% 表示達(dá)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(jīng)綜合癥。

帶個(gè)“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(duì)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(bào)道水肺潛水員抄起氧氣罐下水救人一類的新聞。此時(shí)，潛水員們的內(nèi)心os應(yīng)是：你咋不背煤氣罐呢？

雖然大部分時(shí)候，這種基于直覺的陳述是錯(cuò)誤的，但氧氣潛水并非不存在。除了技術(shù)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(huì)使用純氧。1879年，英國(guó)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(zhàn)和二戰(zhàn)期間，這種裝置逐漸被用于軍事潛水，在軍用場(chǎng)景下沿用至今。

氧氣毒性

人類日常沐浴在氧含量約21% 環(huán)境壓力約1 ata 氧分壓約0.21 ata的大氣環(huán)境中。長(zhǎng)期的進(jìn)化和適應(yīng)的結(jié)果是，當(dāng)有氧含量增加時(shí)，對(duì)人體的毒性就顯現(xiàn)出來。高氧分壓可導(dǎo)致中樞神經(jīng)氧中毒、肺部類型氧中毒和眼氧中毒等。其中，中樞神經(jīng)氧中毒帶來的嚴(yán)重的驚厥反應(yīng)，可導(dǎo)致潛水員溺水，有著致命的風(fēng)險(xiǎn)。

為了管理氧中毒的風(fēng)險(xiǎn)，ANDI 將氧分壓極限設(shè)置1.6 ata，1.45 ata為工作氧分壓上限，1.45-1.6 ata為警戒區(qū)間。同時(shí)使用氧曝露表格管理氧中毒風(fēng)險(xiǎn)。此外，OTU 也常用于管理肺部類型氧中毒風(fēng)險(xiǎn)。

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(shí)上，諸如Divex Shadow的現(xiàn)代軍用裝備，使用O₂時(shí)的最大深度正是6米。

Trouble Gas - 氮?dú)?/h1>

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?dú)狻Ｆ胀諝庵械獨(dú)夂考s78.09%。保留呼吸氣體中的氮?dú)猓_實(shí)是下潛到更大深度的最經(jīng)濟(jì)的方法。

?

可以說氮?dú)獾拇嬖趬褐屏搜鯕獾男皭海獨(dú)獗旧硪彩秦?fù)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(yīng)卻是無法避免的，氮?dú)鈺?huì)溶解、擴(kuò)散到人體組織中。

氣體的溶解度和分壓相關(guān)，壓力越大，溶解度越高，因此下潛過程中有更多的氮?dú)鈺?huì)進(jìn)入到血液并擴(kuò)散至各個(gè)人體組織中。上升減壓過程中，由于環(huán)境壓力減小，人體組織中的氮?dú)庥锌赡芴幱诔柡蜖顟B(tài)。如果上升過快，多余的氮?dú)鈦聿患巴ㄟ^呼吸排除，而是原地在身體組織中形成足以產(chǎn)生癥狀的氣泡，減壓病（DCS）就隨之而來。

氮?dú)馊芙夂蛿U(kuò)散給潛水帶來的影響是：不能過快上升，當(dāng)組織中累積的氮?dú)膺_(dá)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(duì)歡喜冤家此消彼長(zhǎng)，潛水員不得不時(shí)常改變雙方的比例，適應(yīng)不同形態(tài)的潛水，這就有了EANx - 高氧空氣潛水。符合ANDI標(biāo)準(zhǔn)的EANx 則被稱為SafeAir。

迷醉

氮的生理“惰”性，實(shí)際上是相對(duì)的。高氮分壓下，迷醉效應(yīng)會(huì)逐漸顯現(xiàn)。

最早報(bào)告氮醉現(xiàn)象的是法國(guó)人Junod。他發(fā)現(xiàn)潛水作業(yè)時(shí)，腦功能被激活、想象生動(dòng)逼真，想法特別有魅力…(此人可能嗜酒，不喝酒的我氮醉時(shí)智力是減退的-_-||)。

除了這種開發(fā)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(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)和意識(shí)出現(xiàn)障礙等。有意思的是，酒精和氮?dú)饩拖袷敲曰枚私M，除了癥狀有相通之處，有些研究者認(rèn)為酒量好的潛水員氮醉耐受力也要更強(qiáng)。如果潛水前飲酒，麻醉效果還會(huì)疊加…（參考《潛水醫(yī)學(xué)》P158）

輕度的氮醉就像酒精帶來的微醺，未必全是負(fù)面的感受，也未必對(duì)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(huì)逐漸加重。在高負(fù)荷的潛水中，嚴(yán)重的迷醉帶來安全風(fēng)險(xiǎn)，有時(shí)甚至是致命的。和氧氣毒性管理一樣，限制分壓是有效的風(fēng)險(xiǎn)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(shí)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(shù)據(jù)。紅色區(qū)域表示 氮分壓超過 4.0 ata的警戒閾值，黃色區(qū)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(gè)體差異、訓(xùn)練和經(jīng)驗(yàn)等有很大關(guān)系，否則那些氮醉管理課程和空氣大深度的實(shí)踐也就無從說起。但通常認(rèn)為，普通空氣潛水應(yīng)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(xù)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(huì)導(dǎo)致麻痹、眩暈等一系列癥狀，甚至有可能失去意識(shí)——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(huì)產(chǎn)生直接的毒性。供氣設(shè)備故障、面罩通風(fēng)不足、密閉回路系統(tǒng)CO₂ 吸附劑失效等因素都有可能導(dǎo)致CO₂ 分壓異常升高。CO₂ 中毒的表現(xiàn)包括：呼吸急促、困難，皮膚潮紅、出汗，肌肉協(xié)調(diào)不佳，嚴(yán)重的會(huì)出現(xiàn)嘔吐、思維能力下降、精神錯(cuò)亂、肌肉痙攣等。

CO₂ 的有趣之處在于，它是一種調(diào)節(jié)劑。CO₂?含量高，會(huì)刺激呼吸中樞增加通氣量，增加重要器官的血液供應(yīng)量的同時(shí)收縮末梢血管；反之亦然。在潛水時(shí)，工作負(fù)荷的變化就足以改變身體CO₂?的量，進(jìn)而引發(fā)一系列的生理變化。

CO₂ 分壓增高的狀況下，呼吸和循環(huán)加速，更多的惰性氣體會(huì)進(jìn)入人體組織，促進(jìn)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(huì)增加減壓病的風(fēng)險(xiǎn)。

CO₂ 和 O₂在氧中毒這項(xiàng)事業(yè)上相互促進(jìn)、攜手奮進(jìn)：PCO₂?升高會(huì)促使腦血管擴(kuò)張，腦部血液供應(yīng)增加帶來更多的O₂，增了中樞神經(jīng)氧中毒的風(fēng)險(xiǎn)；而高PO₂?曝露時(shí)，血紅蛋白被O₂占據(jù)，CO₂代謝能力下降，導(dǎo)致CO₂潴留進(jìn)而促使腦血管擴(kuò)張… 這也是雖然潛水界把氧分壓極限設(shè)定為1.6 ata，但在工作狀態(tài)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(dǎo)致的腦部血液供應(yīng)增加同樣增加了氮?dú)獾墓?yīng)量，從而提升了氮醉發(fā)生的速度和嚴(yán)重程度。同時(shí)，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(yīng)，這是一位催化劑般的神助攻選手。

麻煩的替代品有點(diǎn)貴 - 氦氣 He

如前所述，高PO₂帶來氧中毒問題，而高PN₂?則導(dǎo)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(yōu)點(diǎn)

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(dá)到1.21 ata，遠(yuǎn)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(guī)水肺潛水作業(yè)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(shí)候，一方面可以減輕身體的負(fù)擔(dān)，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(kuò)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(yōu)勢(shì)明顯，但不代表它沒有缺點(diǎn)…

價(jià)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(chǎn)He的方式，主要靠開采天然氣并從其副產(chǎn)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(kuò)散和排出的問題，同樣要面對(duì)減壓病的問題。He分子小，擴(kuò)散速度快。因此飽和和脫飽和速度要比N₂要快。容易擴(kuò)散意味著：組織對(duì)過飽和狀態(tài)的耐受能力會(huì)下降。基于Haldane模型，He的過飽和安全系數(shù)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(shù)。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(gè)對(duì)比，用 SafeAir 28（EANx 28）和? Heliox 28/72來做潛水計(jì)劃，深度40米，底部時(shí)間30分鐘，使用Buhlmann ZHL-16C模型，GF值為 40/85。

Heliox 28/72 的減壓計(jì)劃：

SafeAir 28 的減壓計(jì)劃：

使用SafeAir 28所需的Runtime是65分鐘、減壓時(shí)長(zhǎng)31分鐘，而使用Heliox 28/72 的計(jì)劃Runtime長(zhǎng)達(dá)136分鐘，減壓時(shí)長(zhǎng)102分鐘。可見，He的引入給減壓來說帶來了更大的負(fù)擔(dān)。

散熱快

He的導(dǎo)熱能力強(qiáng)，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(dǎo)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(shí)，聲音會(huì)變尖，清晰度下降，這個(gè)說不上是太大的缺點(diǎn)吧，如果不使用水下語音設(shè)備的話。

高壓神經(jīng)綜合癥 HPNS

高氦氣分壓下，神經(jīng)細(xì)胞也會(huì)受到影響，會(huì)產(chǎn)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(jīng)綜合癥-HPNS。HPNS需要較高的分壓，因此在較大深度才會(huì)發(fā)生。雖然都是高壓氣體作用于神經(jīng)細(xì)胞，但機(jī)理上和氮醉并不相同。一定程度上，氮?dú)鈺?huì)削弱氦氣帶來的HPNS的影響。

三混氣 Trimix

氦氣辣么貴，減壓時(shí)間長(zhǎng)，還有HPNS，是不是一定要用純氧兌純氦做Heliox呢？留點(diǎn)氮?dú)馑幌銌? 事實(shí)上，保留一部分氮?dú)猓乾F(xiàn)代技術(shù)潛水的常規(guī)套路——氧 氦 氮三混氣——Trimix。

用于潛水的Trimix 通常的標(biāo)記習(xí)慣是 先記氧氣比例，再記氦氣比例，剩余的就是氮?dú)狻＠?Tx 28/30 表示 28%的O₂、30%的He和42%的N₂。

Trimix 集各家缺點(diǎn)于一身：貴、氧中毒、氮醉、減壓慢、變聲、散熱快…一個(gè)不落，不過好處是各方缺點(diǎn)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(yè)。

延續(xù)前面潛水計(jì)劃的對(duì)比，我們可以看到同樣深度和底部時(shí)間，使用三混氣Tx 28/30 的Runtime減少至72分鐘，減壓時(shí)長(zhǎng)減少至38分鐘以內(nèi)。

三混氣可以根據(jù)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(chǎng)景。為了潛入更大的深度，O₂的百分比有時(shí)會(huì)壓到非常低的狀態(tài)，那么，在上升過程中，就有可能出現(xiàn)PO₂過低的情況，此時(shí)就需要引入“Travel Gas”進(jìn)行切換銜接，保障上升過程不出現(xiàn)過低的PO₂。

?干衣填充物 - 氬氣 Ar

使用Trimix潛水時(shí)，如果用呼吸氣體直接填充干式潛水衣，一定是一個(gè)燒錢不討好的行為。如前所述，氦氣的導(dǎo)熱性能極佳，是氮氧混合氣的數(shù)倍，如果用含有氦氣的混合氣填充干式潛水衣，保暖性能會(huì)急劇下降。人們?cè)噲D尋找一種安全、經(jīng)濟(jì)、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(xiàn)。氬氣的導(dǎo)熱系數(shù)比空氣低約32%。經(jīng)濟(jì)性的角度，相對(duì)于He，Ar的制取要廉價(jià)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(duì)氬氣相對(duì)于氮氧混合氣帶來的保暖性能的提升提出質(zhì)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(duì)于人體來說，也可以算作惰性氣體，所以H₂ 同樣出現(xiàn)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(xué)課上，你就可能已經(jīng)get了電解法從水中制取H₂，所以H₂最大的優(yōu)點(diǎn)就是廉價(jià)。

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

不過，化學(xué)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(huì)爆炸。相信沒有潛水員愿意背著炸藥包去潛水。事實(shí)上，氫氧混合物有一個(gè)爆炸極限，當(dāng)氧含量低于4%的時(shí)候這方面的風(fēng)險(xiǎn)就解除了。

PO₂ 高于 0.16 ata 是維持人體機(jī)能的最低要求。4%的氧含量至少要下潛至 30米才能達(dá)到這個(gè)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(xiàng)。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(cuò)誤，導(dǎo)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(yīng)用到飽和潛水實(shí)踐中，H₂-He-O₂，H₂-N₂-O₂?的不同組合均有被嘗試和應(yīng)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(jié)

越往深處潛去，越遠(yuǎn)離人類生活的正常環(huán)境，單一氣體的束縛就越來越強(qiáng)，多種混合氣體運(yùn)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(cè)

徐偉剛《潛水醫(yī)學(xué)》科學(xué)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