Cosa succede ai gas che respiriamo quando scendiamo in profondità: la fisica delle immersioni

Ogni immersione subacquea costringe il nostro corpo a operare in condizioni fisiche lontane da quelle per cui si è evoluto, e più si scende in profondità più il comportamento dei gas si allontana da quello a cui siamo abituati in superficie. Il motivo è che più ci immergiamo più la pressione esterna aumenta (1 atm ogni 10 metri di profondità), e questo ha effetti molto importanti sull'attività vitale più basilare: respirare. I gas infatti, compresa la miscela che respirano i subacquei, si comprimono a pressioni elevate (cioè in profondità) e si espandono a bassa pressione. Questo semplice fatto condiziona pesantemente l'attività e anche la sicurezza di chi si immerge. Per capirlo ricorriamo a due leggi fisiche fondamentali per i gas: la legge di Boyle e la legge di Herny.

Come funziona la pressione sott'acqua

Il nostro corpo subisce costantemente una pressione, cioè è la pressione atmosferica, che vale circa 1 atm. Significa che l'aria, a causa del suo peso, preme ogni centimetro quadrato del nostro corpo con una forza paragonabile al peso di 1 kg. Non è una pressione trascurabile, ma è perfettamente bilanciata dalla pressione dei fluidi interni al nostro corpo e per questo non ce ne accorgiamo.

Le cose cambiano sott'acqua. Quando ci immergiamo, oltre al peso dell'aria, grava sul nostro corpo anche quello dell'acqua sopra di noi. Più scendiamo, più questo peso aumenta e di conseguenza aumenta la pressione a cui siamo sottoposti. L'acqua è oltre 800 volte più densa dell'aria, e questo significa che bastano 10 metri d'acqua sopra di noi per eguagliare la pressione atmosfera. In altre parole, la pressione aumenta di 1 atm ogni 10 metri di profondità. Per intenderci, a 30 metri il nostro corpo subisce una pressione di circa 4 atm (1 atm di pressione atmosferica + 3 atm dovuti all'acqua), cioè il quadruplo della pressione per cui il nostro organismo è adattato.

Questo non è un problema per le componenti solide e liquide del nostro corpo, come i muscoli o il sangue. Il motivo è semplice: solidi e liquidi sono incomprimibili, non variano di volume con la pressione. Il problema sono i gas, che invece sono altamente comprimibili: il loro volume dipende sensibilmente dalla pressione, ed è questo a renderli così difficili da gestire in immersione.

I gas si comprimono in profondità: la legge di Boyle

Un gas sottoposto a una pressione sempre maggiore fa esattamente quello che ci si aspetta intuitivamente, cioè si comprime, a patto che la sua temperatura rimanga costante. Questo fatto è noto come legge di Boyle: fintanto che un gas non si riscalda né si raffredda, al raddoppiare della pressione il suo volume si dimezza; al triplicare della pressione il suo volume si riduce a un terzo, e così via. Vale anche l'opposto: se la pressione di un gas dimezza (e la temperatura non cambia), il suo volume raddoppia e via dicendo.

Ora immaginiamo di trattenere il fiato e immergerci. Più scendiamo, più il nostro corpo – e di conseguenza anche l'aria nei nostri polmoni – è sottoposto a una pressione maggiore. Per la legge di Boyle, l'aria che abbiamo trattenuto deve ridursi di volume, e con essa anche i nostri polmoni.

Questo è il motivo per cui i subacquei devono respirare gas non a pressione atmosferica, ma alla stessa pressione della profondità a cui si trovano. Questo è precisamente il compito dell'erogatore, cioè il dispositivo che i subacquei tengono in bocca. Grazie a un regolatore di pressione, l'erogatore raccoglie la miscela dalla bombola e la porta alla pressione richiesta per non causare scompensi ai polmoni del subacqueo.

Supponiamo sempre di essere a 30 metri di profondità, quindi sottoposti a una pressione di 4 atm, la stessa a cui si trovano i gas che respiriamo. Riguardando lo schema sopra, questo significa che i gas che respiriamo sono compressi rispetto all'aria che respiriamo in superficie. In particolare, sono 4 volte più densi. A ogni respiro facciamo entrare nei polmoni lo stesso volume di gas, ma la quantità di gas che stiamo inspirando è 4 volte maggiore. Questo fa sì che le bombole, anche se sono riempite con aria molto compressa, si consumano molto più rapidamente in profondità.

L'opposto accade quando risaliamo. I gas sono sottoposti a pressioni sempre più basse, quindi si espandono. Se un malaugurato subacqueo dovesse trattenere il fiato in risalita, e risalisse troppo rapidamente, l'aria nei suoi polmoni si espanderebbe al punto da squarciarli, con conseguenze immaginabili. Questo è il motivo alla base di una delle regole fondamentali in immersione: mai trattenere il fiato in risalita.

L'azoto si scioglie nel sangue: la legge di Henry

La pressione del gas che respiriamo ha un altro effetto importante nell'organismo dei subacquei, e per capirlo bisogna ricorrere a un'altra legge fisica sui gas: la legge di Henry. Questa afferma che – sempre nell'ipotesi che la temperatura rimanga costante – la quantità di gas che si scioglie in un dato volume di liquido è tanto più elevata quanto più alta è la pressione parziale che il gas esercita sul liquido.

Tradotto nel nostro contesto: più la pressione dei gas che respiriamo è alta, più questi gas tendono a sciogliersi nel sangue.

Se parliamo di aria, parliamo di una miscela composta in buona parte (78%) da azoto. Il nostro corpo è perfettamente adattato alla quantità di azoto disciolto nel sangue a 1 atm. Ma più andiamo in profondità, la legge di Henry fa sì ci ci ritroviamo sempre più azoto disciolto nel sangue. Questo azoto in più non dà problemi fintanto che si stiamo in profondità, ma può essere pericoloso quando si risale.

Man mano che la pressione esterna diminuisce, infatti, parallelamente diminuisce anche la pressione parziale dell'azoto, e di conseguenza – per la legge di Henry – anche la quantità massima di azoto che può essere disciolta nel sangue. In altre parole, mentre risaliamo il sangue si ritrova con più azoto di quanto possa mantenere disciolto. L'organismo ripristina l'equilibrio eliminando l'azoto in eccesso, e lo fa tramite l'espirazione: l'azoto migra verso i polmoni e da lì esce dal corpo. Fin qui tutto bene, a patto che la risalita non sia troppo rapida.

Se un subacqueo torna troppo velocemente in superficie, l'azoto in eccesso non ha il tempo di fuoriuscire con l'espirazione. Tende a tornare allo stato gassoso e formare bollicine nel sangue. Avete presente quando apriamo una una bottiglia di acqua gasata molto rapidamente e si formano tantissime bollicine? Ecco, è la stessa cosa. Aprendo la bottiglia, la pressione sull'acqua cala di colpo e la quantità di anidride carbonica che l'acqua può mantenere disciolta crolla: la CO₂ allora si organizza in bollicine che escono rapidamente per ripristinare l'equilibrio. Il sistema circolatorio di un subacqueo però non è come una bottiglia di acqua gasata: avere bolle di gas nel sangue può essere molto pericoloso e provocare la cosiddetta malattia da decompressione, che può causare dolori, paralisi, embolie e nei casi più gravi anche ictus o morte.

Per evitare di risalire troppo rapidamente, le risalite prevedono delle soste di alcuni minuti a bassa profondità per permettere all'azoto in eccesso di fuoriuscire in sicurezza e tornare a concentrazioni ottimali nel sangue.

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