오픈워터다이버-호흡 기체와 신체에 미치는 영향 3

감압병
본 섹션의 첫 부분에서는 상승 중 압력에 의해 발생하는 과팽창 상해에 대해 다루었다. 하강 시 압력을 받은 공기의 영향으로 생기는 다이빙 질병도 있다. 이들도 과팽창 상해처럼 단순한 수칙을 지키면 쉽게 예방할 수 있다.

케이슨 병(Caissons Disease)
감압병 혹은 케이슨 병을 처음으로 발표한 사람은 프랑스 생리학자 폴 베르로서, 고압 환경에서 공기를 호흡하면 다량의 질소가 몸속으로 녹아들어간다는 것을 발견한 사람이다. 질소는 압력이 유지되는 동안은 용액 속에 남아 있다. 그러나 다이버가 너무 빨리 상승을 하면 갑자기 압력이 떨어져서 용액 속의 질소가 빠져나와 조직이나 혈류에 기포를 형성하게 된다. 자유 기체로 알려진 기포는 다이버에게 여러 가지 문제를 야기할 수 있다.
폴 베르의 연구는 나중에 생리학자인 존 스콧 할데인이 스테이지 감압 테이블을 만드는 데 기초가되었다. 스테이지 감압이란 점차 얕은 수심 혹은 수면으로 올라오는 과정을 말한다. 이 조절된 상승 속도는 다이버가 갑작스럽게 낮은 압력에 노출되는 것을 예방해준다. 같은 계산이 아직도 사용되고 있으며 컴퓨터 알고리즘과 다이브 테이블의 기초가 된다.

이것이 달톤의 법칙으로 "혼합 기체의 전체 압력은 각 기체의 부분압을 합친 것과 같다"라고 정의한다.
헨리의 법칙은 용액에 녹아드는 기체의 양은 기체의 부분압에 비례한다라고 정의한다.
감압병의 물리학
감압병은 복잡하지만 뒤에 숨은 물리학을 잘 이해하면 다이빙 시 쉽게 예방할 수 있다. 이제 숨을 크게 들이쉬고(내쉬는 것을 잊으면 안 된다.) 감압의 과학 속으로 다이빙 해보자.
당신의 신체는 폐포 속에 들어있는 공기와 동일한 질소와 산소(그리고 미량의 잡다한 기체)가 자신의 부분압 만큼 포화되어 있다. 폐포 공기란 폐 속에 있는 폐포에 들어있는 공기를 말한다. 헨리의 법칙에 의하면 용해된 질소의 양은 기체의 질소 부분압과 비례한다. 수심 10m에서 절대압은 2bar이고 질소의 부분압은 1.58 bar (2 x 0.79)이다.
수면 부분압은 0.79이고 10m에서의 새로운 부분압은 1.58 이다. 그래서 혈액 속의 질소량과 폐포공기속의 질소 부분압 사이에는 0.79 bar의 압력 차이가 있고 이것을 압력 편차라고 부른다. 이 편차로 인해 질소가 폐조직에서 혈액 속으로 녹아들어가게 되며 일단 혈류 속으로 들어오면 몸 전체로 전달된다. 유사한 편차가 혈류와 조직 간에도 용해된 정도에 따라 존재한다. 질소가 흡수되는양과 속도는 여러 가지 요소에 따라 결정된다. 기체가 농도가 높은 곳에서 혈액이나 조직처럼 농도가 낮은 지역으로 움직일 때를 확산이라고 부른다. 우리가 수중에서 호흡하는 공기에 따라 확산 속도가 빠르거나 늦어질 수 있다. 관류(perfusion)는 질소 흡수에서 주된 역할을 한다. 관류는 혈액이 조직의 모세혈관총으로 전달되는 과정이다. 관류가 잘되는 조직은 자신의 용적에 비해 혈액의 분포가 풍부한 조직이다. 폐로부터의 풍성한 혈액의 공급은 높은 질소의 압력 편차를 보이면서 혈류가 풍부한 조직에서 흡수 속도가 빨라질 것이다. 이렇게 관류가 잘되는 조직을 "빠른 조직(Fast tissues)"이라고 하고 질소의 흡수와 배출의 속도가 빠른 것을 말한다. 관류가 느린 조직은 보다 천천히 질소를 흡수하고 제거하게된다.
헨리의 법칙은 기체의 용해도에 의해 흡수가 결정된다고 설명한다. 지방 조직은 특수한 결체 조직으로서 지방의 주된 저장소이다. 지방은 질소를 많이 함유할 수 있으나 지방 조직은 관류가 강하지않다. 그래서 질소가 포화 상태에 이르기 위해서는 오랜 시간이 걸린다. 지방 조직은 "느린 조직"의 본보기이다. 다이버가 일정 수심에서 충분히 오래 머물러 있다면 새로운 부분압에 맞게 신체가 포화된다. 그러면 다이버는 영원히 그 상태로 있을 수 있으면서 추가적인 질소가 흡수되지 않을 것이
다. 10m 수심에서 포화된 다이버의 몸에는 수면에서에 비해 두배의 질소를 가지고 있다.  다이버가 상승을 시작하면 불포화 과정이 시작된다. 압력이 낮아지면서 폐포 공기의 부분압이 감소하고 포화 과정이 반대로 나타나기 시작하는 것이다. 불활성 기체가 조직에서 혈류로 확산되고 혈액에서 폐포로 그리고 숨을 내쉴 때마다 체외로 배출된다. 신체는 빠른 하강 시에 나타나는 높은 포화 편차를 견딜 수 있다. 그러나 빠른 상승과 같은 높은 불포화 편차는 견딜 수 없다.

질소는 외부 편차가 너무 커기지 전까지는 조직의 액체와 혈류 속에 용액 상태로 남아있다. 인체는 어느 정도의 과포화를 견딜 수 있다. 그러나 압력의 차이가 너무 커지면 질소는 조직과 혈류로부터 유리 기포의 형태로 액체로부터 빠져 나오게 된다. 빠른 혹은 조절이 되지 않는 상승은 매우 심각한 문제를 일으킬 수 있다. 상승하는 다이버는 흡수된 각각의 불활성 기체에 대해 높은 불활성 편차를 만들 수 있다. 이 경우 조직과 혈액에서 과포화상태로 이어질 수 있다. 공기가 용액 속에서 분리되어 나와서 기포를 형성하여 감압질환(DCI) 상태를 만들 수 있다.

 

할데인의 결정적인 비율(Critical Ratio)
할데인(J.S. Haldane) 교수는 사람의 몸은 어떤 정도의 질소 과포화를 견딜 수 있다는 것을 발견했다. 그는 이 수준이 비율이라고 이론정립을 했고 신체는 2:1 비율의 압력 차이를 견딜 수 있다고 했다. 이 초기 이론에 따르면 다이버는 10m(2bar)에서는 얼마든지 수중에서 머물 수 있고 질소에 완전하게 포화되더라도 특별한 문제가 없이 수면으로 돌아올 수 있다고 했다. 다이버가 10m보다 깊은 수심으로 내려가면 수면으로 상승할 때 견딜수 있는 2:1 비율을 초과하는 양의 질소를 흡수할 수 있다. 깊은 수심으로 내려갈수록 이 2:1 비율에 도달하는 시간이 보다 빨라진다.

 

워크먼의 결정적인 차이 이론
몇 년이 지난 후 미해군 실험 다이빙 부대(NEDU)의 로버트 워크먼 대위가 감압 과학을 한단계 진보시키게 된다. 그는 2:1 대기압 비율이 할데인의 실험에서 주된 조절 요소(Control Factor)가 아니라는 것을 확인했다. 실제로 중요한 것은 신체에 용해된 질소와 수면에서의 기체형 질소 간의 비율이었던 것이다. 할데인의 2:1 압력 비율은 1.58:1 질소 비율로 개정되었다. 이것은 10m에서의 대기압에 기체 상태의 질소의 부분압을 곱해서 구했다.
2 bar x 0.79 ppN2 = 1.58 bar ppN2

워크먼은 이 새로운 비율을 이용해서 수면 상승 시 어떤 조직이건 함유할 수 있는 최대 질소의 양을 계산했다. 그는 이 계산된 최대 양을 "m-value"라고 불렀다. 추가적인 실험을 거쳐 그는 이 "mvalue" 라는 것이 모든 수심에서 동일하게 적용되는 것이 아니라는 것을 알게 되었다. 신체에 용해된 질소와 질소의 부분압이 현재의 수심이나 수면에서 가장 중요한 요소라는 것을 알게 된 것이다.
이 이론을 결정적인 차이 방법이라고 부르는 데 할데인의 결정적인 비율 이론을 대체하게 되었고 많은 현대 다이브 테이블과 다이브 컴퓨터의 이론적인 바탕으로 사용하고 있다. 표준 다이브 테이블과 다이브 컴퓨터의 알고리즘은 질소의 부분압이 0.79bar인 수면으로 다이버가 돌아오는 시간을 계산한다. 다이빙을 산악 호수와 같이 300m보다 높은 고지대에서 시행하는 경우 대기압과 질소의 부분압이 더 낮다. 다이빙 시간은 수면으로 상승할 때 결정적 차이(critical difference)를 초과하지 않도록 조절해야 한다.고도에서 다이빙을 하려면 특수 고도 테이블이나 컴퓨터의 알고리즘을 고도 다이빙으로 조절해야 한다.

앞에서 말한 것처럼 오늘날의 컴퓨터에는 대부분 고도 다이빙에 대한 적응 기능을 탑재하고 있다. 그래서 비행기를 타는 것은 고도 다이빙과 유사하고 여러날에 걸쳐 여러번의 다이빙을 한 경우 최소 24시간 이후에 항공기에 탑승해야 하는 것이다.