На поверхности человек находится под давлением атмосферы, хотя обычно его не замечает. Под водой к нему добавляется давление водяного столба: примерно каждые 10 метров морской воды увеличивают общее давление ещё на одну атмосферу. На глубине 10 метров оно составляет около двух атмосфер, на 20 метрах — трёх, на 30 метрах — четырёх.

Это не означает, что вода последовательно «сплющивает» тело. Жидкости и мягкие ткани почти не меняют объём при таких давлениях. Главные перемены происходят с воздухом в ушах, пазухах, маске и лёгких, а также с газами, которыми дышит водолаз. С глубиной смесь становится плотнее, баллон расходуется быстрее, а в тканях растворяется больше азота.

Речь далее идёт прежде всего о погружении с аквалангом. У ныряльщика, задерживающего дыхание, объём лёгких действительно уменьшается при спуске, поскольку новый газ не поступает. Аквалангист получает его из баллона под давлением окружающей воды, поэтому физиология такого погружения устроена иначе.

Почему первые 10 метров отличаются от всех последующих

Деление глубины на десятиметровые отрезки условно: давление растёт непрерывно. Но одинаковая прибавка в одну атмосферу даёт разный относительный результат. От поверхности до 10 метров давление удваивается, поэтому объём замкнутой порции газа уменьшается примерно вдвое. От 10 до 20 метров давление возрастает уже только на 50 %, а от 20 до 30 — примерно на треть.

По той же причине последние метры подъёма особенно важны. Между 10 метрами и поверхностью давление падает с двух атмосфер до одной, и оставшийся в замкнутом пространстве газ стремится удвоить объём. Поэтому проблемы с ушами часто возникают в самом начале спуска, а повреждение лёгких при задержке дыхания возможно даже во время подъёма с небольшой глубины.

От поверхности до 10 метров: уши, маска и плавучесть

В среднем ухе находится воздух, отделённый от воды барабанной перепонкой. При спуске внешнее давление возрастает, а давление за перепонкой без специальных действий остаётся прежним. Перепонка прогибается внутрь: появляется заложенность, затем боль, отёк и кровоизлияние. Если продолжать погружение, возможна баротравма. Поэтому давление выравнивают заранее и регулярно, не дожидаясь боли.

Воздух сжимается и внутри маски. Поскольку она закрывает нос, водолаз может понемногу выдыхать в неё, компенсируя давление. Без этого маску всё сильнее прижимает к лицу, а мелкие сосуды вокруг глаз могут повреждаться.

Лёгкие аквалангиста при обычном дыхании не уменьшаются вдвое на глубине 10 метров. Регулятор подаёт воздух под окружающим давлением, позволяя грудной клетке расширяться. Однако в каждом вдохе привычного объёма теперь содержится примерно вдвое больше молекул газа, взятых из баллона.

Одновременно сжимаются пузырьки воздуха в неопреновом костюме и газ в компенсаторе плавучести. Костюм становится тоньше, хуже сохраняет тепло и создаёт меньшую подъёмную силу. Водолаз добавляет газ в компенсатор при спуске и выпускает его при подъёме; иначе движение вниз или вверх может начать самопроизвольно ускоряться.

От 10 до 20 метров: газ расходуется втрое быстрее

На глубине 20 метров действует примерно три атмосферы. Чтобы заполнить лёгкие до обычного объёма, регулятор подаёт втрое больше молекул, чем на поверхности. При одинаковом темпе дыхания запас в баллоне расходуется приблизительно втрое быстрее в пересчёте на поверхностный объём.

Сам вдох при этом не должен казаться втрое сильнее: регулятор автоматически снижает давление газа из баллона до окружающего. Но физическая нагрузка, течение, холод или тревога увеличивают вентиляцию лёгких и дополнительно ускоряют расход.

На этой глубине заметнее становится и растворение азота. Его парциальное давление растёт вместе с общим давлением, поэтому кровь переносит дополнительный азот к тканям. Насыщение происходит не мгновенно: чем дольше длится погружение, тем больше газа успевает раствориться.

От 20 до 30 метров: глубина начинает влиять на мышление

На 30 метрах общее давление достигает примерно четырёх атмосфер. Воздействие азота на нервную систему усиливается, и у некоторых людей появляются признаки азотного наркоза: необычная расслабленность, самоуверенность, замедление реакции, затруднение простых расчётов или фиксация внимания на одной задаче.

Человек может ощущать эйфорию и считать, что действует правильно, хотя уже пропускает показания приборов. Холод, усталость, тревога, тяжёлая работа и накопление углекислого газа усиливают нарушение. Единой глубины начала наркоза нет, а опыт не создаёт надёжного иммунитета. После уменьшения глубины его проявления обычно быстро ослабевают.

К этому же моменту сокращается время, которое можно провести под водой без обязательных декомпрессионных остановок. Значение имеет не только достигнутая отметка, но и продолжительность: краткое посещение 30 метров и долгое пребывание на этой глубине создают разную нагрузку на организм.

От 30 до 40 метров: запас на ошибку резко уменьшается

На 40 метрах давление примерно в пять раз выше атмосферного, а запас газа при прежнем дыхании расходуется приблизительно впятеро быстрее, чем на поверхности. Даже значительный остаток по манометру может обеспечить лишь небольшое время работы с учётом подъёма и обязательного резерва.

Смесь становится плотнее, поэтому возрастает сопротивление в регуляторе и дыхательных путях. При высокой нагрузке лёгким труднее выводить углекислый газ. Одышка провоцирует частое поверхностное дыхание, которое может ещё сильнее ухудшить вентиляцию, усилить наркоз и вызвать тревогу.

Одновременно продолжается насыщение тканей азотом, а допустимое бездекомпрессионное время становится коротким. Во многих системах подготовки район 40 метров служит границей рекреационного погружения. Причина не в одной внезапно возникающей угрозе, а в сочетании наркоза, плотного газа, быстрого расхода смеси и растущих требований к подъёму.

От 40 до 60 метров: опасным становится состав смеси

На 50 метрах давление составляет около шести атмосфер, на 60 — семи. Доля кислорода в воздухе остаётся прежней, но его парциальное давление увеличивается вместе с глубиной. При дыхании обычным воздухом оно достигает примерно 1,26 атмосферы на 50 метрах и 1,47 атмосферы на 60.

Для рабочей части погружения широко используют рекомендуемый предел около 1,4 атмосферы. Его превышение не означает неизбежного отравления, но увеличивает вероятность кислородной токсичности центральной нервной системы. Наиболее опасны судороги: под водой они могут привести к потере загубника и утоплению.

Допустимая глубина всегда зависит от смеси. Нитрокс с повышенной долей кислорода достигает предельного парциального давления раньше воздуха. В техническом дайвинге для больших глубин долю кислорода уменьшают, а часть азота заменяют гелием. Тримикс ослабляет наркоз и снижает плотность газа, но требует специальной подготовки и точного планирования.

На 60 метрах дыхание воздухом объединяет выраженный наркоз, высокую плотность смеси и приближение кислорода к токсическому диапазону. Организм ограничивает не само механическое давление воды, а свойства газа, который должен поддерживать жизнь под этим давлением.

Что происходит во время подъёма

На обратном пути процессы меняют направление. Давление уменьшается, воздух в лёгких, маске и компенсаторе расширяется. Аквалангист продолжает нормально дышать, а лишний газ выходит при выдохе. Если задержать дыхание, расширяющийся воздух может перерастянуть лёгочную ткань. Разрыв альвеол способен привести к попаданию газа в кровоток и артериальной газовой эмболии.

Одновременно ткани начинают отдавать накопленный азот. При контролируемом снижении давления он переносится кровью к лёгким и удаляется с выдохом. Если подъём слишком быстрый или азота накопилось много, в тканях и сосудах могут образоваться пузырьки. Так развивается декомпрессионная болезнь, способная вызвать боли в суставах, слабость, нарушения чувствительности, головокружение и поражение нервной системы.

Декомпрессионный компьютер не видит пузырьки внутри тела. Он рассчитывает условное насыщение разных групп тканей по глубине, времени и выбранной смеси, после чего показывает скорость подъёма и необходимые остановки. Такой расчёт уменьшает риск, но не исключает его полностью: значение имеют также холод, нагрузка, повторные погружения и особенности организма.

Глубина — только один из факторов

Человеческое тело не переключается на новый режим ровно на каждой десятиметровой отметке. Давление непрерывно меняет объём свободного газа, плотность дыхательной смеси и парциальные давления её компонентов. С глубиной ускоряется расход баллона, усиливается работа дыхания, растёт действие азота и сокращается допустимое время. При подъёме главными становятся расширение газа и безопасное выведение азота.

Поэтому одна цифра на глубиномере не определяет безопасность. Её рассматривают вместе со временем, составом смеси, температурой, нагрузкой, остатком газа и планом возвращения на поверхность. Каждые 10 метров действительно добавляют примерно одну атмосферу, но последствия этой прибавки определяет всё погружение целиком.

До середины XX века работа под водой почти всегда означала зависимость от поверхности. Водолазу требовались тяжёлый костюм, шланг для подачи воздуха, страховочный трос и команда на судне. Такое оборудование позволяло ремонтировать корабли и поднимать грузы, но мешало свободно двигаться и превращало любое погружение в сложную техническую операцию.

Перелом произошёл в 1943 году, когда французский морской офицер Жак-Ив Кусто и инженер Эмиль Ганьян создали компактный дыхательный аппарат с автоматической подачей воздуха. Его регулятор открывался во время вдоха и выдавал газ под давлением окружающей воды. Благодаря этому человек получил возможность не просто находиться под водой, а самостоятельно плавать, выбирать направление и удаляться от судна без воздушного шланга.

Почему длинная трубка не заменяет акваланг

На поверхности воздух давит на тело примерно с силой одной атмосферы. Под водой к атмосферному давлению добавляется давление водяного столба: через каждые десять метров оно возрастает примерно ещё на одну атмосферу. Давление действует не только на воду вокруг пловца, но и на его грудную клетку.

Если опустить человека на глубину и оставить конец длинной дыхательной трубки над поверхностью, воздух в ней сохранит почти атмосферное давление. Снаружи же вода будет сжимать грудную клетку заметно сильнее. Уже на сравнительно небольшой глубине дыхательным мышцам станет трудно расширять лёгкие и втягивать воздух. Удлинение трубки проблему не решает, а дополнительно увеличивает сопротивление движению воздуха и объём уже выдохнутого газа, остающегося внутри канала.

Следовательно, водолазу нужен не просто запас воздуха, а воздух, поданный под тем же давлением, что и окружающая вода. На глубине десяти метров он должен поступать примерно при двух атмосферах абсолютного давления, на двадцати метрах — примерно при трёх. Именно автоматическое согласование давления с глубиной стало главным принципом акваланга.

Как дышали под водой до Кусто и Ганьяна

Долгое время основным решением оставался водолазный костюм со шлемом. Насос на судне подавал воздух по шлангу, а тяжёлые ботинки и грузы удерживали человека на дне. Такая система обеспечивала продолжительную работу, но дальность перемещения определялась длиной шланга. Его можно было повредить, зацепить за конструкцию или перекрутить.

Инженеры пытались освободить водолаза от поверхности задолго до 1940-х годов. В XIX веке Бенуа Рукейроль и Огюст Денейруз разработали аппарат, в котором регулятор выдавал сжатый воздух по мере необходимости. В 1920-х годах Ив Ле Приёр создал автономный комплект с баллоном, однако воздух из него поступал непрерывно. Даже когда водолаз не вдыхал, запас газа продолжал расходоваться и быстро заканчивался.

Таким образом, отдельные элементы будущего акваланга уже существовали: баллон со сжатым воздухом, редуктор и система подачи газа по требованию. Задача состояла в том, чтобы объединить их в компактный и надёжный аппарат, способный автоматически работать при изменении глубины и положения тела.

Встреча морского офицера и инженера

Жак-Ив Кусто служил во французском флоте и занимался подводным плаванием и съёмкой. Его интересовал аппарат, с которым пловец мог бы двигаться без шланга и получать воздух только во время вдоха. Во время Второй мировой войны Кусто познакомился с инженером компании Air Liquide Эмилем Ганьяном, специалистом по газовой аппаратуре и регуляторам давления.

Ганьян работал над компактным клапаном, предназначенным для точного дозирования газа. Кусто предложил приспособить этот механизм к баллонам со сжатым воздухом. В новой системе высокое давление в баллоне сначала понижалось регулятором, после чего воздух поступал к водолазу не непрерывно, а только по его запросу.

Первый вариант оказался несовершенным. При горизонтальном положении аппарат действовал нормально, но при изменении положения тела мог подавать слишком мало воздуха или, наоборот, выпускать его непрерывно. Причиной была разница давления между регулятором и выпускным клапаном.

Конструкторы изменили расположение элементов и использовали два гофрированных шланга. По одному воздух шёл к загубнику, по другому выдох возвращался к клапану рядом с регулятором. Это уменьшило влияние положения пловца и сделало дыхание устойчивее.

Летом 1943 года усовершенствованную систему испытали в Средиземном море. Кусто мог свободно погружаться, плавать в разных положениях и подниматься без связи с судном. В том же году конструкцию запатентовали во Франции. Позднее она стала основой серийного аппарата CG45, а название Aqua-Lung — «водяное лёгкое» — получило широкое распространение.

Как автомат понимал, что водолаз делает вдох

Главной частью аппарата был дыхательный автомат с гибкой мембраной. Одна её сторона соприкасалась с окружающей водой, другая была связана с воздушной камерой регулятора. Пока человек не вдыхал, давление с обеих сторон оставалось уравновешенным, а клапан подачи воздуха был закрыт.

Во время вдоха давление внутри загубника и камеры немного снижалось. Вода снаружи нажимала на мембрану, она прогибалась и через рычаг открывала клапан. Воздух из баллона поступал в систему до тех пор, пока давление снова не сравнивалось с внешним. После этого мембрана возвращалась в исходное положение, и подача прекращалась.

Механизм не измерял глубину отдельным прибором и не рассчитывал требуемое давление. Окружающая вода сама управляла мембраной. Чем глубже погружался человек, тем сильнее вода давила на регулятор и тем под большим давлением аппарат подавал воздух. Водолаз получал газ, который можно было вдохнуть без борьбы с давлением на грудную клетку.

Выдохнутый воздух не очищался и не использовался повторно: он уходил в воду пузырьками. Такая схема называется открытым циклом. Она сравнительно проста, но требует постоянного запаса газа в баллонах.

На глубине этот запас расходуется быстрее, поскольку каждый вдох содержит больше молекул воздуха. При одинаковом дыхательном объёме на десяти метрах газ убывает приблизительно вдвое быстрее, чем на поверхности, а на двадцати — примерно втрое.

От опытного аппарата к массовому аквалангу

После войны началось серийное производство системы Кусто и Ганьяна. Водолаз получил комплект, который можно было надеть без тяжёлого шлема и воздушного шланга: баллоны крепились на спине, регулятор подавал воздух автоматически, а ласты позволяли передвигаться в толще воды.

Это изменило сам характер погружения. Раньше человек преимущественно стоял или ходил по дну рядом с местом работ. Теперь он мог плавать над рельефом, проникать в пещеры и затонувшие суда, наблюдать за морскими животными и вести киносъёмку. Акваланг быстро стал инструментом научных экспедиций, подводной археологии, аварийно-спасательных операций и любительского дайвинга.

Кусто использовал новую свободу движения для подводных исследований и фильмов. Зрители впервые увидели морскую среду не через окно батискафа и не с позиции тяжёлого водолаза, а глазами свободно плывущего человека. Поэтому влияние акваланга вышло далеко за пределы техники: устройство изменило представление об океане как о пространстве, доступном непосредственному наблюдению.

Свобода, которая потребовала новых правил

Автоматический регулятор решил проблему подачи воздуха, но не отменил физиологических ограничений. С увеличением глубины растёт расход газа, усиливается воздействие азота, а слишком быстрый подъём создаёт опасность декомпрессионной болезни. Задержка дыхания при всплытии может привести к расширению воздуха в лёгких и тяжёлой травме. Водолазу также необходимо следить за оставшимся запасом газа, температурой, плавучестью и скоростью подъёма.

Поэтому распространение акваланга сопровождалось развитием обучения, таблиц погружений, манометров, компенсаторов плавучести и более совершенных регуляторов. Современные аппараты отличаются от первых моделей конструкцией и удобством, но используют тот же основной принцип: воздух хранится под высоким давлением, а дыхательный автомат выдаёт его только на вдохе и при давлении окружающей среды.

Кусто и Ганьян не создавали все элементы подводного дыхания с нуля. Их достижением стало удачное соединение уже известных решений в практичный аппарат, который работал надёжно, экономно расходовал воздух и позволял человеку двигаться независимо от поверхности. Именно это превратило автономное погружение из редкого технического эксперимента в доступный способ исследования подводного мира.