ELI5 pourquoi l'oxygène devient toxique en-dessous de 40 m lors de la plongée sous-marine
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Lorsque vous faites de la plongée sous-marine, vous respirez de l'air comprimé, qui contient environ 21 % d'oxygène. En descendant, la pression augmente, ce qui signifie que l'air (y compris l'oxygène) est agencé plus densément dans vos poumons.
À environ 40 mètres, la pression est 5 fois plus grande qu'à la surface. Cela signifie également que vous respirez 5 fois plus de molécules d'oxygène par respiration que sur terre.
Les plongeurs en profondeur utilisent différents mélanges de gaz (~~Nitrox ou~~ Trimix) pour rester en sécurité.
Réponse courte - Trop d'oxygène à haute pression devient toxique.
Mais pourquoi est-ce mauvais de l'inhaler en plus grandes concentrations ?
« Toxique » dépend de la dose. Tout ce qui existe est toxique à une dose suffisamment grande pour être toxique.
Avec l'oxygène, cela se produit en raison de la dose et de la pression. Plus vous descendez, plus la pression est élevée, donc plus vous devez ajuster la dose d'oxygène.
L'eau est lourde, vraiment lourde. Plus vous descendez dans l'eau, plus il y a d'eau au-dessus de vous, ce qui signifie qu'il y a plus de pression de l'eau.
Lorsque vous faites de la plongée sous-marine, il est généralement considéré comme peu judicieux de laisser s'effondrer vos poumons. Si un plongeur continue à respirer de l'air à 1 atmosphère, alors au moment où il atteindra 40 mètres de profondeur, ses poumons seront écrasés par 4 atmosphères de pression (10 mètres d'eau correspondent à environ 1 atm). Pour éviter cela, l'air qu'ils respirent est également pressurisé pour correspondre à la pression de l'eau. Cela ne pose pas de problèmes pour vos poumons car l'air pousse vers l'extérieur avec la même force que l'eau les pousse vers l'intérieur, équilibrant ainsi la force globale.
Cependant, respirer de l'air pressurisé signifie qu'il y a plus de molécules dans vos poumons. À 40 mètres, il y a 5 fois la quantité d'air, en termes de nombre de molécules, dans vos poumons (4 atm d'eau plus 1 atm de l'atmosphère), y compris plus d'oxygène, et s'il y a plus d'oxygène dans vos poumons, cela va diffuser pour avoir également plus d'oxygène dans votre sang.
L'oxygène est naturellement toxique. À des concentrations normales, il est nécessaire à la vie, mais si vous avez trop d'oxygène dans votre sang, vous tomberez malade et, si vous en avez trop, vous mourrez. Cela fonctionne autant avec l'air à pression normale qu'avec l'air pressurisé. Si vous respirez de l'oxygène pur à 1 atm trop longtemps, vous tomberez malade, tout comme si vous respirez 5 atm avec 20 % d'oxygène. Cela s'appelle la toxicité de l'oxygène, lien Wikipedia ici : https://en.m.wikipedia.org/wiki/Oxygen_toxicity>
La manière dont les plongeurs plongent en dessous de la profondeur pour la toxicité de l'oxygène (qui est fatale autour de 60 mètres environ (je ne suis pas sûr de l'endroit exact)) est de ne pas respirer de l'air normal. Si le pourcentage d'oxygène dans l'air qu'ils respirent est plus faible, alors il y aura moins d'oxygène dans leurs poumons. Si vous dites, divisez par deux le pourcentage d'oxygène et doublez la pression, alors au total, il y aura le même nombre de molécules d'oxygène dans chaque respiration.
Cela fonctionne jusqu'à un certain point, réduisant l'oxygène et augmentant l'azote, jusqu'à ce que cela cesse de fonctionner car trop d'azote peut également vous tuer. À ce stade, il est normalement remplacé par de l'hydrogène ou de l'hélium (voir : Heliox) car les gaz légers sont meilleurs pour une raison quelconque et ils n'entraînent pas beaucoup d'effets lorsque vous les respirez, mais finalement cela cesse de fonctionner car à la fin de la journée, les humains n'ont jamais évolué pour être soumis à des dizaines d'atmosphères de pression (édition : ce dernier paragraphe pourrait être légèrement désordonné, il se peut que l'hélium soit ajouté plus tôt que je ne l'ai fait paraître, désolé pour ça).
Quand nous examinons la science-fiction, je trouve toujours que la gamme incroyablement étroite des conditions atmosphériques dans lesquelles les humains peuvent survivre est un point souvent négligé. Comme nous sommes très particuliers concernant notre pourcentage d'O2, notre pression, notre ratio de CO2 par rapport à l'azote, et les quantités de choses comme le méthane. Nous sommes essentiellement l'équivalent d'orchidées rares, avec la moindre variation de nos conditions préférées signifiant une mort certaine.
Commentaire : [supprimé]
Concernant votre dernier point sur le fait qu'un excès d'azote soit mauvais, ce n'est pas tout à fait vrai. Bien que l'azote puisse provoquer une narcose des gaz (sentiment d'ivresse/euphorie, etc.), psychologiquement, cela n'engendre pas beaucoup de dommages (à part faire des décisions stupides dans un environnement hostile). L'hélium est utilisé parce qu'il est complètement inerte, donc il ne provoque pas de narcose des gaz et vous restez sobre sous l'eau. Il réduit également la densité du gaz, ce qui facilite la respiration, car vous n'essayez pas d'aspirer autant de molécules à chaque respiration. Avec un gaz de densité plus élevée, cela fait que votre corps travaille plus juste pour respirer, entraînant une accumulation de dioxyde de carbone car vos poumons ne peuvent pas expulser ce gaz à haute densité assez rapidement. Un excès de dioxyde de carbone peut provoquer la sensation de ne pas avoir d'air, ce qui entraîne de la panique et finalement de l'hypercapnie (excès de dioxyde de carbone dans le sang), et vous vous évanouissez.
Avec le coût de l'hélium, j'aimerais que nous puissions simplement remplacer l'oxygène par de l'azote et apprendre à mieux gérer la narcose des gaz, mais hélas, le fait de perdre connaissance sous l'eau est un peu démoralisant.
« Lorsque vous faites de la plongée sous-marine, il est généralement considéré comme peu judicieux de laisser vos poumons s'effondrer. »
J'irais même jusqu'à dire que laisser vos poumons s'effondrer n'est probablement pas une bonne chose même quand vous ne faites pas de plongée sous-marine.
Commentaire : [supprimé]
À ce stade, il est normalement remplacé par de l'hydrogène ou de l'hélium.
Cela a également pour effet secondaire de faire en sorte que les plongeurs en grande profondeur, parmi les humains les plus badass ayant jamais existé, aient une voix vraiment drôle s'ils s'enregistrent en train de travailler.
Les mélanges pour la plongée profonde n'ajoutent pas plus d'azote, car la narcose à l'azote devient un risque même avant la toxicité à l'oxygène. Ils passent directement au trimix, avec de l'hélium ou d'autres gaz inertes.
À ce stade, il est normalement remplacé par de l'hydrogène ou de l'hélium (voir : Heliox) parce que les gaz légers sont meilleurs pour une raison quelconque.
Je voulais juste dire merci non seulement d'être très informé, mais aussi d'avoir l'humilité d'admettre que vous ne connaissez pas tous les détails. Super post.
Lorsque vous faites de la plongée sous-marine, il est généralement considéré comme imprudent de laisser vos poumons s'effondrer. Ce n'est pas une excellente idée en général, en fait, lors de n'importe quelle activité.
Je suis plongeur commercial. J'ai étudié pour cela. C'était la meilleure explication de deux minutes que j'ai jamais entendue à cette question. Bien dit.
Je vais faire de mon mieux pour expliquer simplement.
L'oxygène est bon pour nous, mais trop d'oxygène n'est pas bon. Cela peut causer divers problèmes dans notre sang, qui peuvent même entraîner des évanouissements, ce qui est TRÈS MAUVAIS en plongée. Comme le miel est formidable, mais trop de miel te fait vomir.
Plus tu es profond sous l'eau, plus la pression s'applique à tes poumons, et tu peux t'acclimater à diverses pressions, c'est comme presser un tube de dentifrice, trop peu de pression et seulement un peu de pâte sort. Trop de pression et trop de pâte sort.
Lorsque la pression est trop élevée et que ton corps n'est pas habitué à la quantité d'oxygène qu'il reçoit, de mauvaises choses se produisent.
Lorsque vous plongez, il est nécessaire que le gaz que vous respirez soit à la même pression que l'eau qui vous entoure. Nous appelons cela la pression hydrostatique, et elle augmente de 1 atmosphère pour chaque 10 m de profondeur d'eau, en commençant par 1 atmosphère de pression atmosphérique à la surface de l'eau. Donc, lorsque vous plongez à 40 m, la pression de l'air alimentant le masque de plongée est de 5 bar*. Si ce n’était pas le cas, la pression hydrostatique écraserait vos poumons et vous ne pourriez pas inspirer.
Cependant, cela a un autre effet. Les membranes de vos poumons, qui échangent les gaz entre l'air dans vos poumons et votre sang, ont évolué pour fonctionner à pression atmosphérique - 1 bar. Lorsque la pression des gaz dans les poumons augmente, cela force davantage de gaz de l'air à entrer dans la circulation sanguine, principalement l'azote et l'oxygène.
L'oxygène est un produit chimique hautement réactif. C'est ce qui réagit avec le carburant pour produire du feu. Il y a 2,4 milliards d'années, l'augmentation de l'oxygène dans notre atmosphère a conduit à l'événement d'extinction le plus important de tous les temps. En même temps, nous en avons besoin pour vivre, donc le corps humain utilise des hormones et des produits chimiques pour empêcher cela de causer des problèmes - vous avez peut-être déjà entendu le terme "antioxydants". Lorsqu'il y a trop d'oxygène dans le sang, ces systèmes ne peuvent pas faire face, et l'oxygène commence à interférer avec la chimie cellulaire, provoquant la mort cellulaire. Les poumons, les cellules nerveuses et les yeux semblent être particulièrement sensibles à ces dommages, et cela peut finalement aboutir à la mort.
Ainsi, ce n'est pas que l'oxygène devienne toxique à une certaine profondeur – c'est que la saturation excessive du sang en oxygène submerge la capacité du corps à gérer les risques liés à l'oxygène. Le point de basculement exact pour un individu varie selon sa physiologie, mais 40 m est une indication générale du moment où l'air comprimé (ou plus généralement, un mélange de gaz de 20 % d'oxygène) n'est plus un mélange de plongée sûr.
*J'utilise ici la pression absolue, par opposition à la "pression relative". N'hésitez pas à rechercher la différence.
Légère correction. Il y a 4 bars de pression hydrostatique à 40 mètres, PLUS 1 bar qui est à la surface - c'est la pression atmosphérique normale. Donc, vous devez équilibrer 5 bars à votre masque pour égaliser 4 bars de pression hydrostatique plus 1 bar de pression atmosphérique.
J'apprécie comment vous avez mentionné la manière dont l'oxygène interagit avec la vie et d'autres produits chimiques et comment cela a affecté l'ensemble du système de vie sur la planète.
C'est une très bonne perspective sur la brutalité de notre environnement et sur la façon dont nous avons évolué pour ne même pas percevoir cela.
Lorsque vous plongez, l'air fourni à vos poumons est pressurisé à des niveaux plus élevés pour compenser la pression de l'eau agissant à l'extérieur de votre corps.
Nos corps sont (en grande partie) étonnamment capables de s'adapter à des changements de pression graduels. Nos poumons, par contre, pas tant que ça. Ce sont des ballons. Si vous forcez un ballon sous l'eau, il se rétrécit à mesure que la pression de l'eau le comprime. Les poumons n'aiment pas ça.
La diffusion de l'oxygène dans notre sang est fonction de la pression partielle de l'oxygène dans l'air de nos poumons. Donc, même si l'air a la même concentration d'oxygène, la pression partielle est beaucoup plus élevée, et la diffusion de l'oxygène dans notre sang augmente à des niveaux dangereux.
Parce que c'est la dose qui fait le poison.
L'oxygène est hautement réactif, et la seule raison pour laquelle il ne nous fait pas de mal dans des circonstances normales, c'est parce que nos corps ont évolué pour y faire face. Mais nous sommes conçus pour le supporter à des niveaux normaux (21 % d'une atmosphère de 14,7 psi).
Lorsque vous êtes sous l'eau, vous êtes sous pression en raison de tout l'eau qui pèse sur vous. Plus vous descendez, plus la pression augmente. Toute cette pression comprime vos poumons, ce qui rend impossible la respiration, à moins que l'air que vous respirez soit pressurisé au même niveau pour contrer l'eau.
Mais c'est un problème, car le gaz à pression plus élevée est plus concentré. À ces profondeurs, vous auriez cinq fois plus d'oxygène à chaque respiration, et cette concentration plus élevée est tout simplement trop pour que votre corps puisse le supporter.
Votre corps peut supporter une quantité normale d'oxygène. Il ne peut pas gérer plusieurs fois plus à la fois.