Mergullo

Para o método de reprodución vexetativa véxase o artigo Porbaixa

Instrutor guiando aos alumnos en piscina previo inmersión ao mar

Mergulladores coñecendo as profundidades do mar

O mergullo, tamén chamado submarinismo, é o acto por medio do cal o home se somerxe en corpos de auga, xa sexa o mar, un lago ou un río, co fin de desenvolver unha actividade deportiva, comercial ou de procura científica ou militar con ou sen axuda de equipos especiais. O mergullo presenta dous formas de practicalo: a apnea (do grego ἄπνοια apnoia, "sen respiración"), técnica tamén coñecida como mergullo libre ou a pulmón; e o mergullo con equipo, que pode ser con escafandro autónomo —tamén denominado SCUBA (acrónimo inglés de Self Contained Underwater Breathing Aparatus) ou mergullo con botella— ou dependente de superficie (SSD —Surface Supply Dive)...

As técnicas de apnea e SCUBA con aire pertencen á categoría deportiva ou recreativa. As técnicas SCUBA con mestura de gases (nitróxeno, helio, trimix) e SSD considéranse dentro da categoría de mergullo técnico ou profesional debido ao risco e nivel de preparación requirido polo mergullador que as emprega. O mergullo deportivo limítase en xeral aos -40 m de profundidade (aínda que en apnea poden acadar profundidades máis importantes), mentres que o mergullo profesional con mesturas especiais permite acadar profundidades de -100 m ou máis.

O mergullo en apnea consiste nas técnicas e habilidades para realizar inmersións mantendo a respiración despois dunha profunda inspiración en superficie. Pode practicarse sen ningún equipo especial, pero a configuración deportiva actual consta dunha máscara apropiada, aletas, tubo de respiración ou snorkel, lastre e se é necesario un traxe de material termo-illante. É a forma de mergullo máis sinxela e máis antiga empregada polo ser humano, aparece en diversas rexións e culturas para explotar fontes de alimento (como peixes, crustáceos e moluscos), recursos útiles (algas, esponxas, corais) e recursos de valor cultural ou económico (perlas).

O mergullo SCUBA consiste no almacenamento de aire a presión nunha botella que é transportada polo mergullador, o que lle permite a este ir respirando o aire almacenado durante un tempo de autonomía considerable. Ademais do equipo básico, require dunha botella de almacenamento do aire, un arnés, un mecanismo de flotabilidade —integrado o arnés e o sistema de flotabilidade reciben o nome chaleco hidrostático, chaleco de flotabilidade ou BCD (acrónimo inglés de Buoyancy Compensation Device)—, un sistema de válvulas, un sistema de lastre, tubos e embocadura(s) que conforman o que se denomina regulador na súa forma máis básica; pero os estándares de seguridade requiren unha serie de "reloxos" que lle permitan saber a que profundidade e canto aire ten, profundímetro e manómetro

O mergullo deportivo (apnea e SCUBA) é unha actividade segura, pero que presenta riscos que lle son propios e que demanda moita responsabilidade por parte dos seus practicantes. Unha preparación axeitada, a familiaridade co equipo empregado, o coñecemento e aplicación das medidas de seguridade, un mínimo de coñecementos técnicos e fisiolóxicos e o respecto polos organismos do medio acuático son as condicións mínimas para levar a ben e sen contratempos estas actividades.

Regulamentación, control e formación

O mergullo deportivo popularizouse asombrosamente nos últimos 50 anos. A divulgación da experiencia subacuática grazas a documentais difundidos nos medios, a investigación para a comprensión da fisioloxía do mergullo e o melloramento ou aparición de novos equipos son algúns dos factores que contribuíron a facer deste tipo de actividade accesible a cada vez máis adeptos.

As particularidades fisiolóxicas específicas á actividade, fan necesario o seguimento de regras estritas e o respecto de límites de seguridade. A práctica responsable e segura do mergullo deportivo (particularmente no caso do SCUBA) require unha formación especial.

Cada país é responsable da regulamentación e control deste tipo de actividade recreativa; e por regra xeral unha titulación recoñecida é esixida, certificando o coñecemento de determinadas regras, normas ou experiencia. No mundo hai diferentes axencias certificadoras, e entidades gobernamentais ou privadas que se encargan de garantir estes procesos como S.S.I. (Escola Internacional de Mergullo) SSI, P.A.D.I. (Asociación Profesional de Instrutores de Mergullo) PADI, A.C.U.C. (American Canadian Underwater Certification, [1] Arquivado 16 de decembro de 2008 en Wayback Machine.), N.A.Ou.I. (Asociación Americana de Instrutores Subacuáticos)NAUI, C.M.A.S. (Confederación Mundial de Actividades Subacuáticas) CMAS e B.S.A.C. entre outros. Estes organismos son os garantes do coñecemento dos estándares mínimos de formación para cada nivel de competencia dos seus alumnos afiliados. O nivel de competencia certificada do mergullador vese reflectido no tipo de titulación.

Durante inmersións en augas abertas e con tráfico é obrigatorio a declaración da actividade ás demais embarcacións mediante un flotador deco (bandeira de advertencia). No código de sinais marítimas internacionais estipúlase que a bandeira alfa (A) nunha embarcación estacionaria significa "mergulladores en inmersión"; aínda que para os mergulladores a bandeira vermella con diagonal branca, izada nunha embarcación estacionaria ou nun flotador tamén indica mergullador en inmersión, o código de sinais marítimas non a recoñece.

Equipo necesario

O equipo necesario para o mergullo divídese en equipo lixeiro (básico) e equipo autónomo (SCUBA).

Equipo básico ou lixeiro

É aquel que posibilita o mergullo en apnea. Os elementos que compoñen este equipo son:

Máscara

É o elemento que permite ver baixo a auga. Sen ela o contacto directo da auga cos ollos non permitiría ver baixo a auga debido a razóns ópticas. Coa máscara se interpón unha capa de aire entre os ollos e a auga facilitando a visión. Ademais de cubrir os ollos, cobre tamén a nariz. Está composta dun faldrón de goma ou silicona (preferentemente) que se adapta á cara, uns cristais planos e mornos (gran dureza) e unhas tiras de suxeición que, como o seu nome indica, suxeitan a máscara ao corpo. Unha boa máscara debe presentar as seguintes condicións:

O visor debe incluír o nariz no seu volume interno, para permitir equilibrar presións en inmersión e evitar o fenómeno de ventosa.
Estanca, de xeito que o faldrón se axuste perfecta e comodamente ao perfil da cara.
Tubo respirador ou snorkel. Permite respirar coa cabeza metida na auga, pero sen abandonar a superficie,

Traxe de mergullo

A súa comisión é protexer ao mergullador da hipotermia. O illamento térmico da pel non está adaptado ao medio acuático, debido a que a calor específica da auga é superior ao do aire, o corpo en inmersión perde calor moito máis rápido que no aire. En augas por debaixo dos 27 °C é recomendable estar illado termicamente, temperaturas menores 22 °C fan necesario estalo e con 15 °C ou menos é indispensable un bo illamento térmico.

Existen tres tipos básicos de traxes de illamento: os traxes húmidos, os traxes semi secos e os traxes secos ou estancos. Os primeiros xeralmente son traxes confeccionados en materiais escumosos e resistentes (como o neopreno), que conforman unha capa de illamento entre o medio e a pel, pero non son estancos. A súa eficiencia depende do canto da escuma e do axustamento ao corpo, o segundo tipo de traxe é como o primeiro pero con reforzos de estanquidade en puños, nocellos, pescozo e unha cremalleira que diminúe a entrada de auga entre o traxe e a pel Como o seu nome indica, os traxes secos manteñen o corpo por fóra do contacto coa auga, limitando considerabelmente a perda de temperatura; ademais poden combinarse con roupa interior térmica. Os traxes secos requiren un pouco máis de coidado no seu uso.

Os traxes húmidos poden ser curtos ou longos e en función do número de pezas: traxes monopeza ou de dúas pezas (pantalón e chaqueta).

O traxe pode estar complementado por un par de luvas. Non obstante, moitos países prohiben o seu uso, xa que as luvas facilitan o contacto coa fauna, flora e rochas existentes no fondo, e, polo tanto, a súa depredación.

Escarpíns (ou chapins ou "botíns")

Son unhas "botas" de neopreno que protexen os pés do frío e do roce das aletas. Os traxes de mergullo secos adoitan incluír os seus propios escarpíns unidos ao traxe para maior estanquidade.

Aletas

As aletas, son dúas pas que se prolongan desde os pés. Permiten avanzar a maior velocidade baixo a auga e xeralmente son de caucho ou outros materiais sintéticos que lles confiren rixidez transversal e flexibilidade lonxitudinal. Hai diferentes deseños e durezas da pa que favorecen a velocidade (apnea) ou a potencia (SCUBA) do batido das aletas baixo a auga.

En función do tipo de suxeición ao pé as aletas poden ser abertas ou axustables, que suxeitan o pé cunha cinta de goma á altura do tendón de aquiles e que permiten un axustamento variable; ou pechadas ou calzantes, como un zapato de goma e sen posibilidade de axustamento variable. As aletas abertas permiten o uso de escarpíns voluminosos e con solas moi robustas, os escarpíns a usar con aletas pechadas parécense mais a calcetíns que a un clásico zapato, e ten basicamente dúas funcións, evita que os pés se arrefríen e segundo que a fricción que teñen os pés coas aletas causen chagas

Cinto de lastre

É o cinto onde se suxeita o lastre. Este é usado para facilitar a inmersión e compensar a flotabilidade positiva. En apnea permite vencer rapidamente o pulo positivo da caixa torácica chea de aire (que diminúe a medida que aumenta a profundidade). En apnea o peso do lastre non debe somerxer ao mergullador en reposo e a flotabilidade do mesmo debe ser apenas negativa despois dunha expiración forzada. En SCUBA a flotabilidade é produto do pulo negativo do lastre e do pulo positivo do chaleco e o peso do lastre necesario dependerá principalmente do peso do mergullador e do canto do traxe de mergullo. O sistema de peche debe ser firme e seguro, pero de fácil liberación no caso de emerxencia.

Equipo autónomo SCUBA

Regulador: primeira etapa (que se acopla ao tanque), con mangueira de alta presión (manómetro) e tres de "baixa" (presión intermedia) unha ao BCD, e dúas ás segundas etapas e boquillas (principal e secundaria -ou octopus-)

Ademais do equipo básico ou lixeiro, o equipo autónomo para o mergullo SCUBA con aire integra os seguintes compoñentes:

Botella de aire comprimido

A botella é o recipiente de aceiro ou aluminio que conten o aire comprimido, e presenta unha soa abertura onde fíxase unha grifería de control e acople. A grifería consiste nunha válvula (tipo J ou K), unha billa que controla a apertura ou peche da botella e unha ou varias saídas de acople ao regulador (tipo INT ou estribo —un escuadro suxeita o regulador á botella, onde hai unha xunta tórica para manter a estanquidade— e tipo DIN —que suxeita o regulador á botella mediante unha rosca, soporta maiores presións).

Hai varios tipos de botellas en función da súa capacidade (de 5 a 18 L) e da presión de traballo que soportan (230 bares ou 300 bares).

Chaleco hidrostático (BCD) ou (JACKET)

Como o seu nome indica é un chaleco, fusionado ao arnés que soporta a botella á costas. Posúe unha cámara de aire que confire flotabilidade positiva ao mergullador en superficie e permite axustar a flotabilidade a vontade para compensar a perda de pulo que se produce coa profundidade por efectos da presión (ao comprimirse o traxe, a propia cámara de aire do BCD e algunhas cavidades corporais). Para iso o chaleco ten unha cámara ou vexiga que se une cunha válvula de conexión ao regulador e unha embocadura que permiten inxectar aire directamente da botella ou soprando a través da embocadura e varias válvulas de purga que permiten liberar aire durante o ascenso no que se produce o fenómeno inverso. Ten, tamén, unha válvula de sobrepresión que asegura que a vexiga non estoupe en caso de sobrepresión por inadvertencia ou durante o ascenso.

O chaleco inclúe tamén petos e argolas para portar obxectos necesarios para o mergullador, así como as suxeicións necesarias para manter o chaleco ben suxeito ao mergullador.

Regulador

É o elemento que axusta a presión do aire da botella para que o mergullador poida respiralo. Consta de dous sistemas de regulación da presión denominados etapas.

A primeira etapa recibe o aire directamente da botella e mantén un pequeno volume de aire a unha presión intermedia. A segunda etapa regula o fluxo do aire desde a cámara de presión intermedia á embocadura do mergullador. O aire baixo presión da botella pasa así dunha cámara de alta presión a unha de presión intermedia e finalmente a unha de presión ambiente. Á cámara de alta conéctase o manómetro que indica a presión da cisterna, á cámara intermedia conéctanse a(s) segunda(s) etapa(s) (embocadura principal e "octopus" ou embocadura de emerxencia) e a mangueira de inflado de chaleco ou traxe seco.

Dependendo do sistema que utiliza, pode ser:

De pistón simple, no que un pistón permite o paso do aire. Son os máis sinxelos (e baratos), pero de características peores. A profundidades elevadas, ou con escaso aire na botella, o aire que proporciona é menor.
De membrana compensada, no que unha membrana permite o paso do aire, pero illa ao regulador da entrada da auga. Permite un fluxo de aire ao mergullador que non varía coa profundidade.
De pistón compensado (ou sobrecompensado), de gama alta, permite un fluxo de aire que non varía coa profundidade, pero non illa o regulador da auga.

Reloxo, profundímetro e táboas de mergullo con aire (ou ordenador de mergullo con aire)

Para o mergullo con botella é indispensable controlar o tempo de fondo e a profundidade. Estas dúas datos tabulados nunha táboa de mergullo permítenlle ao mergullador manterse nos límites de seguridade. Tamén existen ordenadores de mergullo que integran directamente e en tempo real o perfil de inmersión e alertan ao mergullador en caso de achegarse aos límites de seguridade.

Equipo accesorio

Coitelo: por lei é necesario para mergullarse en moitos países. Permite cortar cabos ou redes que puidesen molestar ao mergullador.
Lanterna ou foco: nas inmersións diúrnas axudan a ver covas nas rochas ou zonas con pouca luz. Nas inmersións nocturnas, evidentemente, son imprescindibles. As lanternas adoitan ser de menor potencia e a pilas, mentres que os focos adoitan ser de maior potencia e con batería recargable.
Carrete: contén un cabo de gran lonxitude que permite ao mergullador orientarse ao seguilo.
Compás: moi útil para orientarse baixo a auga.
Cyalume ou luz química: átanse á botella ou ao BCD durante inmersións nocturnas.
Lousa subacuática: permite a comunicación escrita ou gráfica baixo a auga.
Axóuxere, maraca ou bucina: permiten avisar mediante sinais acústicas a un mergullador próximo.
Boia inflable: pódese inflar co aire comprimido da botella, serve para marcar unha posición, ou como axuda para sacar obxectos pesados da auga.

Fundamentos do mergullo

Como calquera masa, o corpo dun mergullador se ve suxeito aos diversos efectos físicos da inmersión; estes comportan pola súa vez unha serie de efectos e respostas fisiolóxicas importantes a considerar, pois son elas que ditan os límites de seguridade.

Fundamentos físicos

Os tres piares da física do mergullo son o principio de Arquimedes, a presión e as leis dos gases. O primeiro explica o fenómeno de flotabilidade, o segundo a variación da presión coa profundidade e o último o comportamento dos gases ao variar a presión (o volume e a temperatura).

Arquimedes

O principio de Arquimedes aplícase ao mergullador como un todo. O corpo do mergullador (e o seu equipo) presentan unha masa total e desprazan un volume de auga equivalente ao volume do corpo mergullado. O mergullador está sometido entón a un par de forzas opostas: por unha beira o efecto da gravidade sobre a súa masa (o peso do mergullador e o seu equipo), por outra beira a forza de flotación exercida pola auga, equivalente á masa de auga do volume desprazado polo mergullador.

Cando a masa do mergullador é maior que a masa do volume de auga desprazada súa flotabilidade é negativa, o mergullador tende ao fondo. Cando a masa do mergullador é menor que a masa equivalente ao seu volume súa flotabilidade é positiva, o mergullador tende á superficie. A situación na que as forzas son equivalentes, a masa do mergullador é igual á masa da auga que despraza, a flotabilidade considérase neutra; a forza ascendente anúlase coa forza descendente.

O principio de Arquimedes non ten maior incidencia sobre a fisioloxía do mergullo. A súa aplicación é o que permite ao mergullador autónomo manter unha flotabilidade neutra e é un dos aliados máis importantes do mergullador en apnea. Este último aproveita a mudanza na súa densidade corporal total en inmersión e da posición relativa (con respecto ao seu centro de gravidade - centro másico) dos pulmóns. En superficie o apneísta presenta unha flotabilidade positiva, que é vencida facilmente nunha boa manobra de inmersión (cabeza primeiro) e que é vencida rapidamente ao comprimirse o aire dos seus pulmóns coa profundidade (ver lei de Boyle-Mariotte). A partir de determinada profundidade súa flotabilidade vólvese negativa e permítelle realizar un descenso sen esforzo. A situación dos pulmóns por debaixo do centro másico do mergullador durante o descenso ten por efecto un achegamento da profundidade de flotabilidade neutra á superficie. Durante o ascenso, co corpo para arriba, os pulmóns están por riba do centro másico do mergullador e a profundidade de flotabilidade neutra desprázase para o fondo. Así o esforzo activo de ascenso se ve reducido e a fase pasiva (de flotabilidade positiva) é acadada máis lonxe da superficie.

Presión

A presión é a forza por unidade de área exercida sobre unha superficie. Un fluído exerce unha presión homoxénea en todo punto dun obxecto mergullado nel, que depende da profundidade á que este se atopa, sendo os vectores de forza sempre perpendiculares á superficie do devandito corpo. A presión absoluta á que se ve sometido un corpo en inmersión é a suma da presión atmosférica (debida ao peso da columna de aire) e a presión hidrostática (debida ao peso da columna de auga). Así, o efecto de presión é menor en altitude que a nivel do mar e, debido a que a auga salgada é máis densa ca auga doce, a igual profundidade, un mergullador nun lago está sometido a menor presión que un mergullador no mar.

A presión atmosférica normal a nivel do mar é de 1 atmosfera. A presión exercida por unha columna de 10 m de auga de mar equivale máis ou menos 1 atmosfera de presión. Logo, para cálculos rápidos e sinxelos, asumimos que por cada 10 metros de profundidade, a presión aumenta 1 atmosfera ou 1 bar, pois 1,013 bar=1 atm. Deste modo, podemos dicir con suficiente precisión, que a presión exercida sobre un corpo a 10 m baixo a superficie do mar é de 2 bar (1 bar = P. atmosférica + 1 bar P. hidrostática).

Finalmente, o principio de Pascal determina que a presión exercida sobre un fluído, neste caso a atmosférica, transmítese uniformemente por todo o fluído, de xeito que a presión atmosférica se transmite, e súmase en cada plano a unha mesma profundidade, á presión hidrostática. De igual forma, en cada tecido brando do mergullador transmítese a presión total, facendo que a presión interna das cavidades sexa igual á externa.

Leis dos gases

O corpo humano non é en definitiva unha masa uniforme. Se ben os nosos tecidos están conformados maioritariamente por auga (os líquidos idealmente son incompresibles); a presenza de cavidades e o comportamento físico particular dos fluídos en fase gaseosa (aire) determinan de lonxe os límites a que o corpo humano pode soportar.

Lei xeral dos gases

A lei xeral dos gases explica o comportamento destes con relación ás variables de presión, temperatura e volume. Así, nunha masa constante dun gas a relación entre estas variables se ve definida pola seguinte igualdade:

${\cfrac {P_{1}V_{1}}{T_{1}}}={\cfrac {P_{2}V_{2}}{T_{2}}}$

Onde P é presión, V é volume e T é temperatura; en dúas situacións distintas (1 e 2).

O que explica esta lei é que un troco en magnitude de calquera das variables dun gas dun estado inicial (1), carrexará irrevocablemente ao axustamento das variables complementarias no seu estado final (2) para respectar a igualdade.

Se a temperatura se mantén constante (T1=T2), é posible retirala da ecuación pois o seu efecto sobre o equilibrio da mesma é nulo. O equilibrio mantense pois, unicamente polas variacións na relación entre presión e volume.

Lei de Boyle - Mariotte

Artigo principal: Lei de Boyle-Mariotte.

Expresa o equilibrio dun gas a temperatura constante. Durante a inmersión a variación de temperatura do aire é mínima e polo tanto a lei de Boyle é especialmente práctica para entender a relación entre presión e volume. Basicamente, esta se ve enunciada na seguinte igualdade:

$P_{1}V_{1}=P_{2}V_{2}$

A presión é inversamente proporcional ao volume dun gas: ao aumentar a presión sobre unha masa de gas, o volume deste diminúe proporcionalmente.

Así, unha masa constante de aire que en superficie (1 bar) ocupa un litro, verá o seu volume reducido á metade ( ${\begin{matrix}{\frac {1}{2}}\end{matrix}}$ L) ao someterse a unha presión de 2 bar (-10 m), a un terzo ( ${\begin{matrix}{\frac {1}{3}}\end{matrix}}$ L) a 3 bar (-20 m) e así sucesivamente.

De igual maneira, un litro de aire a 3 bar (-20m), dobrará o seu volume a 2 bar (2 L a -10 m) e o triplicará a 1 bar (3 L en superficie).

Lei de Dalton

Artigo principal: Lei das proporcións múltiplas.

O aire non é un gas puro, senón unha mestura de gases. A lei de Dalton explica que a presión total dunha mestura de gases é a suma das presións que exercerían cada un dos gases compoñentes ocupando a eles sos o volume total.

Esta lei tamén se coñece como a lei das presións parciais, pois implica que a presión parcial dun gas nunha mestura de gases sometida a unha presión X, é directamente proporcional á proporción en que ese gas está presente na mestura.

Isto quere dicir, que se nunha mestura de gases un ingrediente representa o 20% do volume da mestura a unha presión P, o ingrediente que nos interesa presenta unha presión parcial de 0,2 P.

O aire normal a composición é, aproximadamente, dun 21% Osíxeno e 78% Nitróxeno, cun 1% doutros gases (fundamentalmente argon). Redondeando, a presión parcial de cada un dos seus compoñentes será:

Presión parcial das compoñentes do aire
Presión Total	Presión parcial O₂	Presión parcial N₂	Profundidade equivalente
1 bar	0,2 bar	0,8 bar	Superficie = Presión atmosférica
2 bar	0,4 bar	1,6 bar	-10 m = 1 bar P. hidrostática + 1 bar P. atmosférica
3 bar	0,6 bar	2,4 bar	-20m = 2 bar P. hidrostática + 1 bar P. atmosférica
4 bar	0,8 bar	3,2 bar	-30m = 3 bar P.hidrostática + 1 bar P. atmosférica
...	...	...	...
Pbar	0,2 Pbar	0,8 Pbar	(P-1)*-10 m = (P-1)bar P. hidrostática + 1 bar P. atmosférica

Lei de Henry de disolución dos gases

Artigo principal: Lei de Henry.

Cando un gas entra en contacto cun líquido, as moléculas de gas (debido á súa enerxía termodinámica - presión e temperatura), van penetrar a interface gas-líquido e difundirse no seu interior. A este fenómeno se coñécelle co nome de disolución dos gases.

Cando un gas se atopa disolto en fase líquida fálase de tensión (T) dun gas, a diferenza da presión parcial (p) dun gas que fai referencia a gases nunha mestura de fase gaseosa.

A lei de Henry explica que a unha temperatura dada e en condición de saturación, a cantidade de gas disolto nun líquido, é directamente proporcional á presión exercida polo gas sobre a superficie do líquido.

O concepto de saturación enunciado na lei de Henry refírese ao equilibrio que existe entre a presión do gas (na fase gaseosa) e a tensión do mesmo (na fase líquida). Fálase de condición de subsaturación cando a presión é superior á tensión, de saturación cando a presión e a tensión son equivalentes, e de sobresaturación cando a presión é menor que a tensión do gas disolto. Un líquido en condición de subsaturación disolverá o gas da fase gaseosa ata atopar o equilibrio (saturación). Un líquido en sobresaturación vai eliminar gas disolto para atopar o equilibro (saturación).

Lei de difusión de Graham

Artigo principal: Lei de Graham.

O fenómeno de difusión entre dous gases, é dicir, a velocidade á que se mesturan é explicado por esta lei. Basicamente enuncia que a velocidade de difusión de dous gases, a condicións iguais de temperatura e presión, é inversamente proporcional á raíz das súas masas molares.

O devandito noutros termos, a igual temperatura e presión, a velocidade de difusión dun gas de moléculas "lixeiras" difúndese máis rápido que un de moléculas "pesadas".

Os dous principais gases no aire, o nitróxeno (N) e o osíxeno (O) atópanse en atópanse nas formas moleculares N₂ e O₂. A masa molar do nitróxeno é de 28, mentres que a do osíxeno é de 32. Polo tanto a velocidade de difusión do nitróxeno é maior que a do osíxeno.

Lei de difusión de Fick

Artigo principal: Lei de Fick.

Describe a taxa de transferencia dun gas a través dunha membrana (ou capa de tecido). Esta é proporcional a superficie exposta así como á diferenza entre as presións das súas dúas fases e inversamente proporcional á espesura da membrana/tecido. Ademais a velocidade de difusión é proporcional á constante de difusión (particular ao tipo de tecido e de gas que intervén).

Fundamentos fisiolóxicos e riscos

As anteriores regras físicas teñen unha influencia certeira no corpo dun mergullador en inmersión e comportan unha serie de efectos mecánicos e bioquímicos a considerar.

O modelo físico do corpo humano

O corpo humano está composto de materia nos seus tres fases básicas (sólida, líquida e gaseosa). A única estrutura ríxida constitúea o sistema esquelético, o cal ten a función mecánica de soportar os demais órganos e tecidos (principalmente os músculos e coa axuda destas as vísceras). Os compoñentes do corpo unidos directamente ao esqueleto (como a maioría dos músculos) conservan a súa posición relativa, os compoñentes "libres" ou pouco asociados ao esqueleto (como as vísceras abdominais) manteñen a súa posición por equilibrio de forzas. Logo está o sistema respiratorio, consta de sacos e condutos propios representa os órganos e tecidos con fase gaseosa por excelencia. O tecido sanguíneo representa a fase líquida máis importante do corpo. Finalmente todos os demais tecidos (músculos e vísceras) teñen a consistencia propia da carne: en maior ou menor medida firmes e deformables.

Isto, ligado á arquitectura anatómica, permiten definir tres "compartimentos" básicos a ter en conta:

Caixas ríxidas determinadas polo sistema esquelético: a caixa craneana (importante por conter cavidades en fase gaseosa -seos nasais, frontais e parafrontais; e parcialmente os condutos auditivos-) e a caixa torácica (que contén os pulmóns e o corazón).
As vísceras abdominais: separadas da caixa torácica polo diafragma, pero con tecidos moi elásticos e deformables.
A masa sanguínea: en fase líquida, irrigando todo o corpo a través de vasos, pero con volumes considerables no corazón e nos órganos moi vascularizados (pulmóns e sistema nervioso).

Os reflexos de inmersión no home

Ademais de considerar ao corpo do mergullador como un conglomerado de materiais, cada un coas súas propiedades físicas, é necesario explicar algúns mecanismos fisiolóxicos reflexos que se desencadean en inmersión.

O home é un ser esencialmente terrestre e polo tanto a súa fisioloxía esta completamente adaptada a este tipo de vida. Como súas coterraneos animais, a fisioloxía humana herdou unha serie de mecanismos de resposta fisiolóxica e sistémica (non voluntaria) á situación de inmersión. Estas respostas denomínanse "reflexos de inmersión" e consisten en:

Diminución do ritmo cardíaco: desencadeado polo aumento na presión arterial.
Hipervolemia (aumento do volume de plasma sanguíneo), que é contrarrestado por un aumento na diurese (segregación de urina).

Efectos da presión

Cambios volumétricos por efecto da presión

A medida que un mergullador descende, o volume de aire diminúe debido á presión. Os compartimentos en "caixa" deben ser suficientemente elásticos para permitir a comprensión do volume ou deben ser compensados activamente polo mergullador. Os seos nasais, paranasais e frontais, así como as canles auditivas (trompas de Eustaquio) deben compensarse mediante a manobra de Valsalva ou cun breve exercicio de expiración forzada pechando nariz e boca. A caixa torácica (aloxando os pulmóns) limita na parte inferior co diafragma e a masa abdominal; en apnea o volume perdido polo aire contido nos pulmóns é equilibrado pola dilatación dos vasos sanguíneos nos alvéolos e o desprazamento para arriba da masa abdominal (e o diafragma). O mergullador SCUBA, ao ter unha fonte de aire autónoma e equilibrada á presión ambiente substitúe o volume pulmonar cunha maior achega de aire a medida que respira no descenso; pero debe ter especial coidado durante o ascenso.

Os accidentes ligados a este efecto son barotraumatismos mecánicos. Os principais son as hemorraxias nos seos faciais, a rotura de tímpano. Menos frecuentes e máis graves, os barotraumatismos pulmonares: por sobrepresión (en SCUBA) os pulmóns chegan ao límite de dilatación e os alvéolos se rompen xerando un pneumotórax (o aire escapa á cavidade torácica), un enfisema mediastino (o aire escapa á cavidade do corazón e pode chegar seguindo a parede da traquea ao pescozo) ou unha embolia (cando o aire escapa polas veas e arterias); e por subpresión (en apnea) os pulmóns chegan ao seu límite de comprensión e continúase o descenso, a presión interna será menor que a presión sanguínea, os vasos alveolares se rompen e inundan os pulmóns de sangue, xerarase un edema pulmonar agudo.

Factores de disolución e difusión

En superficie, a nivel do mar (1 bar), as presións parciais de N₂ e de O₂ serán respectivamente de 0,8 bar e 0,2 bar. Normalmente os tecidos do corpo están en saturación para o N₂ (é dicir que a tensión do N₂ nos tecidos é de 0,8 bar). Pero non acontece igual co osíxeno. O O₂ respirado é transportado internamente pola hemoglobina presente no sangue, aínda que unha parte importante circula baixo forma disolta. Ademais o osíxeno é chuchado no metabolismo celular, que a cambio produce dióxido de carbono (CO₂) que é transportado por vía venosa (pola hemoglobina e baixo forma disolta) para os pulmóns.

Durante a inmersión aumenta considerabelmente a presión parcial de nitróxeno, xerando un desequilibrio entre a presión parcial e a tensión tisular. Seguindo as leis de disolución e difusión dos gases, os tecidos se atopasen en fase de subsaturación e empezarán a absorber N₂ para equilibrarse novamente. Pero esta saturación ocorre nun gradiente e a ritmos diferentes segundo o tecido. O sangue e os tecidos nerviosos satúranse rapidamente, mentres que os ósos e os tendóns son os que máis tardan. O proceso inverso prodúcese no ascenso, ao remontar á superficie os tecidos dun mergullador están é sobresaturación de N₂ e tenderán a liberalo a taxas equivalentes de desaturación.

Se a presión circundante é moi inferior á tensión de N₂ dun tecido, o gas disolto (é dicir en forma líquida) non poderá ser evacuado do tecido por difusión. O que acontece entón é que o N₂ volverá novamente á súa fase gaseosa dentro do tecido. É dicir que se forman burbullas dentro dos tecidos que normalmente non deben presentar fase gaseosa.

Nun ascenso é normal que se formen algunhas micro burbullas de N₂ e de CO₂ que son eliminadas progresivamente por vía pulmonar. Pero se o ascenso se fai demasiado rápido ou sen respectar as paradas de descompresión, a cantidade e o tamaño de micro burbullas pode ser máis importante. Estas tenderán entón a formar macro burbullas e unha forma moi específica de barotraumatismo do mergullo autónomo. Este tipo de barotraumatismo coñécese co nome de accidente de descompresión e é practicamente imposible provocalo en apnea porque os tempos de inmersión non son máis prolongados que algúns minutos e están intercalados por pausas en superficie.

O accidente de descompresión é, pois, provocado por unha situación de sobresaturación tisular por riba dun nivel crítico. A presenza de burbullas no tecido sanguíneo pode provoca trombos (tromboses), embolias e incluso a necrose dos tecidos. Os efectos poden ser inmediatos ou progresivos.

Efectos bioquímicos

Equilibrio sanguíneo O₂/CO₂

Normalmente o O₂, por ser o gas chuchado para o metabolismo celular, presenta tensións sanguíneas menores ás presións parciais alveolares, en cambio o CO₂, como produto de desecho, presenta tensións sanguíneas maiores que as presións parciais alveolares. Isto crea un gradiente de presións nas interfases alvéolo-sangue, que permiten o intercambio gasoso. O corpo posúe un mecanismo fisiolóxico que nos alerta cando se ve sometido ou achégase a unha situación de anoxia. Esta alarma fisiolóxica é a que produce a sensación de asfixia. O aumento da tensión do CO₂ no fluxo sanguíneo carrexa unha lixeira acidificación do ph sanguíneo debido á súa transformación en ácido carbónico, esta mudanza é detectado por un par de receptores nerviosos na arteria carótide e desencadean o reflexo de asfixia. Logo non son as tensións dos gases as que son directamente "reguladas" polo organismo, senón o ph do plasma sanguíneo, como indicador indirecto destas tensións. É dicir que o noso mecanismo de alerta do risco de hipoxia depende invariablemente da mudanza do ph sanguíneo debido ao aumento da tensión do CO₂.

Cando se incorre nunha hiperventilación (aumento voluntario ou involuntario da frecuencia respiratoria), as presións parciais alveolares dos gases e das tensións sanguíneas tenden a igualarse: aumenta a tensión sanguínea do O₂ e diminúe a de CO₂. O ph sanguíneo tende a alcalinizarse e polo tanto se retarda o reflexo de asfixia. Os mergulladores en apnea recorren con frecuencia a unha curta hiperventilación en superficie, antes da inmersión. Isto co fin de osixenar ao máximo os tecidos e o aire contido nos pulmóns, pero tamén para atrasar a sensación de asfixia e maximizar así o tempo de comfort durante a inmersión. A outra cara da moeda é o risco de provocar un accidente sincopal.

O síncope é a perda de coñecemento ou desmaio breve, debido a unha insuficiencia de achega de osíxeno para o cerebro (Tensión O₂ < 0,17 bar ). Basicamente é o efecto da hipoxia. Tras unha hiperventilación importante, os síntomas pre-sincopais (sensación de asfixia, vertigos e mareos) non aparecen e a síncope aparece instantaneamente e sen advertencia (e para un mergullador que non sexa asistido inmediatamente, as consecuencias serán mortais).

Toxicidade dos gases

Hipercapnia: aumento anormal da tensión de CO₂ no sangue (Tensión CO₂ > 40mbar), revelando os efectos tóxicos deste gas. Pode sobrevir no mergullo SCUBA, os mergulladores inexpertos tratan de diminuír a súa frecuencia respiratoria nun afán de "aforrar" aire da botella e en mergulladores profesionais, debido a un exercicio intenso durante a inmersión. Os síntomas son un malestar, angustia e ansiedade do mergullador, sensación de asfixia e respiración superficial; os cales se non son controlados polo mergullador, amplifican e agravan a hipercapnia chegando á síncope e a morte por afogamento; ademais o mergullador presa do pánico poden sufrir barotraumatismos ou accidentes de descompresión por un ascenso fóra de regra.
Hiperoxia: a partir de tensións tisulares superiores aos 0,5 bar, o osíxeno empeza a tomar un carácter tóxico que se consolida completamente cando a súa tensión tisular acada 1,7 bar. Baixo esas presións parciais o O₂ se disocia en radicais libres (peróxido de hidróxeno H₂O₂ e radicais hidróxilo ·OH) que inhiben a función celular a nivel da membrana. Este efecto sobre a membrana celular afecta especialmente o sistema nervioso (a membrana celular das neuronas e o seu delicado equilibrio de electrólitos e substancias mensaxeiras son a clave da transmisión dos impulsos nerviosos). Polo tanto, aínda que todos os tecidos se ven afectados por igual, o seu efecto neurotóxico é o que reviste maior gravidade. O sistema nervioso regula e controla a maioría das funcións vitais. A intoxicación por osíxeno produce convulsións, perda de coñecemento e pode levar ao conseguinte afogamento do mergullador. O risco de hiperoxia dita os límites de seguridade do mergullo autónomo con aire (-30 m profundidade máxima permitida, -20 m profundidade máxima recomendada). Estas profundidades son os límites teóricos, pero en realidade os efectos tóxicos do osíxeno poden encontrarse máis embaixo, pois o seu consumo polos tecidos diminúen considerabelmente a súa tensión.
Narcose de nitróxeno: aínda que o nitróxeno e outros gases inertes son quimicamente estables, baixo concentracións elevadas (léase presións parciais e tensións tisulares) producen efectos reversibles sobre o sistema nervioso. Estes efectos son en xeral similares aos debidos á intoxicación por alcohol ou ás substancias narcóticas e é por isto que reciben o nome de "narcose". Cando a tensión tisular do N₂ >= 4bar, os efectos comezan a se manifestar; pero é moi variable dun individuo a outro. Son os mergulladores autónomos con aire os expostos a este tipo de efecto, podéndose dar casos moi por riba dos -30 m, dependendo do estado xeral do mergullador. Os síntomas típicos son a euforia, despreocupación, alteración da capacidade de raciocinio e de concentración, perda de memoria e desorientación. A perda da capacidade de xuízo e de orientación, típica deste fenómeno, pode facer incorrer ao mergullador noutros accidentes e eventualmente incluso ao afogamento.