Áp suất khi lặn bình khí: định luật Boyle, Henry, Dalton và cơ thể

Khi lặn bình khí, cứ xuống thêm khoảng 10 mét nước biển thì áp suất đè lên cơ thể tăng thêm chừng 1 atmosphere. Ba định luật khí học giải thích gần như mọi chuyện xảy ra với thợ lặn: Boyle nói thể tích khí co giãn theo áp suất (tai, xoang, phổi), Henry nói khí hoà tan vào máu nhiều hơn khi áp suất cao (gốc rễ của bệnh giảm áp), còn Dalton nói mỗi khí trong hỗn hợp có "phần áp suất" riêng (gốc rễ của say nitơ và ngộ độc oxy). Hiểu ba định luật này không giúp ai tự lập kế hoạch lặn, nhưng giúp hiểu vì sao các khoá học bắt buộc những thói quen tưởng như thừa.

Nước nặng hơn không khí gần tám trăm lần

Đứng trên bãi biển, ta đang chịu sức nặng của cả cột khí quyển dày hàng chục cây số, quy ước là 1 atmosphere (khoảng 1 bar). Cơ thể quen với mức đó đến mức không cảm thấy gì.

Nước thì khác. Một cột nước biển chỉ cao khoảng 10 mét đã nặng ngang cả cột khí quyển ấy. Vì vậy thợ lặn nói về áp suất tuyệt đối (khí quyển cộng nước) chứ không chỉ áp suất nước:

Bảng trên chỉ để minh hoạ vật lý, không phải bảng dùng để lặn. Nước ngọt nhẹ hơn nước biển một chút, và lặn ở hồ trên núi còn phải tính khí quyển loãng hơn, nên các con số thật thay đổi theo nơi lặn. Đó là việc của máy tính lặn và của khoá học, không phải của trí nhớ.

Chất lỏng và mô mềm gần như không nén được, nên phần lớn cơ thể chịu áp suất rất tốt. Rắc rối chỉ nằm ở những chỗ có khí: tai giữa, xoang, phổi, khoảng khí trong mặt nạ, đôi khi một lỗ sâu răng. Và ở khí hoà tan trong máu.

Định luật Boyle: khí co lại khi xuống, nở ra khi lên

Năm 1662, nhà khoa học Anh Robert Boyle công bố quan sát rằng ở nhiệt độ không đổi, thể tích một lượng khí tỉ lệ nghịch với áp suất. Áp suất gấp đôi thì thể tích còn một nửa.

Nhìn lại bảng: từ mặt nước xuống 10 m, thể tích khí giảm một nửa. Từ 30 m xuống 40 m, chỉ giảm từ 1/4 xuống 1/5. Nghĩa là thay đổi thể tích mạnh nhất nằm ở vùng nước nông, sát mặt nước. Đây là điều nhiều người mới học không ngờ tới: mấy mét đầu tiên mới là chỗ tai đau nhất, và mấy mét cuối cùng trước khi ngoi lên mới là chỗ cần chậm nhất.

Khi xuống: "ép" (squeeze)

Khoảng khí kín trong cơ thể bị co lại. Nếu không được bù khí, màng nhĩ bị hút vào trong, niêm mạc xoang bị kéo, mặt nạ hút chặt vào mặt. Vì vậy người lặn được dạy cân bằng tai sớm và thường xuyên, thở nhẹ ra mũi vào mặt nạ. Chuyện này có bài riêng về chấn thương áp lực.

Khi lên: khí nở ra

Thợ lặn bình khí hít khí ở áp suất bằng áp suất xung quanh. Ở 10 m, mỗi hơi hít vào chứa lượng khí gấp đôi một hơi ở mặt nước. Nếu nín thở rồi ngoi lên, lượng khí đó nở ra trong phổi. Phổi không có chỗ chứa, và có thể bị rách. Đây là lý do quy tắc số một khi lặn bình là không bao giờ nín thở, đặc biệt khi đang lên. Hậu quả của việc vi phạm, gồm thuyên tắc khí động mạch, được nói kỹ ở bài riêng.

Boyle còn giải thích chuyện đời thường hơn: bộ đồ lặn neoprene có bọt khí bị nén mỏng đi ở dưới sâu nên giảm sức nổi, áo phao điều chỉnh sức nổi (BCD) phải bơm thêm khí khi xuống và xả bớt khi lên. Không xả, áo phao sẽ nở dần và kéo người lên ngày càng nhanh, một vòng xoáy mà khoá học nào cũng dành thời gian tập kiểm soát.

Boyle cũng là lý do bình khí "hết nhanh hơn" ở dưới sâu. Ở 30 m, mỗi hơi thở lấy lượng khí gấp bốn lần ở mặt nước, nên cùng một bình, thời gian thở được ở đó chỉ còn chừng một phần tư. Người lặn có kinh nghiệm luôn để mắt tới đồng hồ áp suất bình và lên khi còn dư một lượng dự trữ theo quy định của khoá học.

Định luật Henry: khí tan vào máu theo áp suất

Năm 1803, nhà hoá học Anh William Henry mô tả rằng lượng khí hoà tan trong chất lỏng tỉ lệ với áp suất của khí đó phía trên chất lỏng. Ví dụ ai cũng thấy: chai nước ngọt có ga. Khi nắp đóng, khí CO₂ bị ép tan vào nước. Mở nắp, áp suất tụt, khí thoát ra thành bọt.

Cơ thể thợ lặn giống chai nước ấy. Khi ở dưới sâu, phổi hít khí ở áp suất cao, nitơ trong khí thở tan dần vào máu rồi vào các mô: mỡ, cơ, khớp, tuỷ sống. Mô nào nhiều máu thì "ngấm" nhanh, mô nào ít máu thì ngấm chậm nhưng cũng nhả chậm. Ở càng sâu và càng lâu, lượng nitơ hoà tan càng nhiều.

Khi ngoi lên, áp suất giảm, nitơ phải ra khỏi mô, theo máu về phổi và được thở ra. Nếu lên chậm, quá trình này êm ả. Nếu lên quá nhanh, nitơ không kịp đi đường máu mà tạo thành bọt ngay trong mô và mạch máu, như chai nước ngọt bị mở đột ngột. Bọt khí đó gây ra bệnh giảm áp.

Đó là lý do mọi khoá học dạy tốc độ ngoi lên chậm (thường khoảng 9–10 m mỗi phút theo nhiều tổ chức đào tạo) và một lần dừng an toàn ngắn ở vùng nước nông trước khi lên mặt nước. Con số cụ thể cho từng lần lặn do máy tính lặn và người hướng dẫn quyết định, không nên tự tính.

Định luật Dalton: mỗi khí có một phần áp suất riêng

Năm 1801, John Dalton phát biểu rằng áp suất của một hỗn hợp khí bằng tổng các áp suất riêng phần của từng khí. Không khí có khoảng 21% oxy và 78% nitơ, nên ở mặt nước (1 bar), oxy chiếm khoảng 0,21 bar, nitơ khoảng 0,78 bar.

Xuống 30 m (4 bar), tỉ lệ phần trăm trong bình không đổi, nhưng áp suất riêng phần của từng khí tăng gấp bốn: oxy khoảng 0,84 bar, nitơ khoảng 3,1 bar. Cơ thể phản ứng với áp suất riêng phần, không phải với con số phần trăm. Từ đó sinh ra hai mối nguy:

• Nitơ áp suất cao tác động lên hệ thần kinh như một chất gây mê nhẹ, gọi là say nitơ. Thường bắt đầu thấy rõ từ khoảng 30 m với không khí.
• Oxy áp suất cao lại trở thành chất độc, có thể gây co giật dưới nước. Lặn giải trí thường lấy 1,4 bar áp suất riêng phần oxy làm giới hạn làm việc, theo hướng dẫn của NOAA và các tổ chức đào tạo lặn.

Dalton cũng giải thích một mối nguy ít người nghĩ tới: khí bẩn. Nếu bình bị nạp lẫn một lượng nhỏ khí CO (do máy nén hút khói xả), lượng nhỏ đó ở mặt nước có thể chưa gây gì, nhưng ở dưới sâu áp suất riêng phần của nó nhân lên. Vì vậy nạp bình ở nơi uy tín là chuyện an toàn, không phải chuyện cầu kỳ.

Ba định luật trong một lần lặn

Hãy theo một người lặn giải trí ở độ sâu khoảng 18 m, mức thường gặp ở khoá cơ bản, để thấy ba định luật cùng làm việc:

1. Vừa xuống mấy mét đầu: tai căng lên (Boyle). Người lặn cân bằng tai ngay, trước khi thấy đau.
2. Ở đáy: mỗi hơi thở tốn khí gần gấp ba ở mặt nước (Boyle), nitơ tan dần vào mô (Henry). Máy tính lặn đếm lượng nitơ ước tính và báo thời gian còn được ở lại không cần dừng giảm áp.
3. Đang lên: áo phao nở ra (Boyle), người lặn xả bớt để giữ tốc độ chậm. Thở đều, không nín thở.
4. Dừng an toàn ở vùng nông: vài phút cho nitơ có thêm thời gian ra khỏi mô (Henry).
5. Sau khi lên bờ: cơ thể còn nitơ dư trong nhiều giờ. Đó là lý do có khoảng nghỉ giữa các lần lặn và khoảng chờ trước khi đi máy bay hay lên núi cao.

Những người đã trả giá để có các quy tắc này

Các định luật có từ thế kỷ 17–19, nhưng người ta hiểu chúng áp vào cơ thể thế nào chủ yếu qua tai nạn. Thế kỷ 19, công nhân làm việc trong các giếng chìm (caisson) có khí nén để xây móng cầu, như cầu Brooklyn ở New York, mắc một bệnh lạ khi trở lên mặt đất: đau khớp, liệt, có người chết. Bệnh được gọi là "bệnh caisson".

Năm 1878, nhà sinh lý học Pháp Paul Bert công bố công trình lớn về áp suất khí quyển, chỉ ra rằng bệnh do bọt nitơ khi giảm áp quá nhanh, và rằng oxy ở áp suất cao gây co giật. Đầu thế kỷ 20, John Scott Haldane cùng cộng sự làm thí nghiệm cho Hải quân Hoàng gia Anh và đưa ra cách ngoi lên theo từng chặng, nền tảng cho các bảng giảm áp về sau. Máy tính lặn ngày nay là con cháu trực tiếp của mô hình Haldane.

Góc nhìn hôm nay: hiểu để tuân thủ, không phải để tự làm

Hiểu ba định luật giúp người lặn thấy các quy tắc không phải là lời dặn cho có. Nhưng sinh lý mỗi người khác nhau theo ngày, theo sức khoẻ, mức nước trong người, độ lạnh và mức gắng sức, nên không ai nên dùng mấy con số trong bài này để tự lập kế hoạch lặn. Những điều nên làm:

• Học có chứng chỉ tại trung tâm lặn uy tín, với người hướng dẫn được cấp phép. Khoá cơ bản dạy đúng các phần lý thuyết này kèm thực hành trong hồ.
• Luôn lặn có bạn lặn và theo kế hoạch đã thống nhất trên bờ.
• Dùng máy tính lặn cho mỗi người, và tôn trọng cảnh báo của nó.
• Khám sức khoẻ trước khi học, đặc biệt nếu có hen suyễn, bệnh tim, từng tràn khí màng phổi hay có vấn đề tai mũi họng.
• Muốn đọc sâu: NOAA Diving Manual, U.S. Navy Diving Manual (bản công khai), các tài liệu sức khoẻ lặn miễn phí của DAN (Divers Alert Network).

Nếu sau khi lặn thấy đau khớp, tê, yếu tay chân, chóng mặt, khó thở hay mệt bất thường, đừng chờ xem có tự hết không: cho thở oxy nếu có người đã học sơ cứu oxy, gọi cấp cứu, và tìm đường tới cơ sở có buồng oxy cao áp.