Приветствую друзья. Пару лет назад я опубликовал статью, в которой разложил все по полочкам и объяснил, почему американцы использовали в ранних космических программах чистый кислород, и почему им не грозили кислородное отравление и пожар во время полета.
Статья может и получилась уникальной, т.к. подобные материалы в русскоязычной сегменте интернета никто и никогда не публиковал и не обобщал, но судя по вопросам, которые мне с тех пор задают в комментариях, это была моя ошибка, но она заключалась не в содержании, а форме изложения информации. Научный язык с большим количеством терминов, оказался тяжелым для понимания неподготовленным читателем, далеким от высотной физиологии, а значит, я не справился со своей задачей, позиционируя блог как научно-популярный. Тем не менее, статья все равно доступна по ссылке для тех, кто хочет немного большего для себя.
Ошибки надо признавать и исправлять. В этой статье я постараюсь максимально простым и доступным языком еще раз объяснить, почему применяемый американцами чистый кислород в космических кораблях не нес той опасности, которую ему приписывают многочисленные сторонники «лунного заговора».
Тема интересная, сложная и без пол литра в ней не разобраться, поэтому начнем с понятных всем аналогий:
Всем известна фраза «большое количество алкоголя вредно для здоровья». Но что мы имеем в виду под понятием «большое»? Рюмка водки объемом 50 мл это много? А бокал вина 150-200 мл? А если речь идет о кружке пива объемом 500 мл?
Мне сразу же возразят: «аФтАр, ты не корректно ставишь вопрос, дело ведь не в объеме, а концентрации спирта, в водке 40 градусов, а пиве всего 4…».
Но и здесь мы сразу натыкаемся на противоречия, если процент содержания алкоголя в пиве равен 4%, это не значит, что его можно пить до бесконечности много не причиняя вред здоровью только на том основании, что концентрация спирта в пиве в 10 раз меньше чем в водке. Но и рюмка водки с высокой концентрацией спирта 40% оказывается менее опасной для здоровья, чем двухлитровая пластиковая бутылка доброго пива.
Соответственно, нам нужны другие подходы, поэтому, говоря о условно безопасных дозах алкоголя, мы ориентируемся уже не на количество спиртного напитка как такового, не на процентное содержание спирта, а на такое понятие, как «содержание чистого спирта».
Только приняв этот параметр, мы сразу видим, что содержание чистого спирта в рюмке водки объемом 50мл, составляет 20мг, содержание чистого спирта в бокале вина, объемом 150-200 мл составляет 18-24мл., а содержание чистого спирта в пол литровой кружке пива крепостью 4% составляет те же 20мл. Даже если мы просто выпьем 20 мл чистого спирта (автор блога «Прогулки в стратосфере» достаточно благосклонно относился к такому напитку в годы своей туристической молодости), то особого вреда для организма мы не причиним.
Надеюсь, со спиртом все понятно, потому что это очень важно для понимания воздействия кислорода на организм человека, т.к. там действует аналогичный подход.
Человек эволюционно приспособлен к жизни на равнинной местности и возвышенностях, где газовая среда атмосферы содержит 21% кислорода при барометрическом давлении порядка 760 мм.рт.ст.
Освоение Ареал обитания на высотах более 2-3 километров уже не является в полной мере естественным и тем более, человек физиологически не приспособлен к жизни на высотах 5 и более километров.
Если аналогия с процентным содержанием спирта и кислорода в воздухе понятна, то объем, который мы брали рассматривая различные спиртные напитки в случае с кислородом заменяется барометрическим давлением этого газа – прошу, запомните этот очень важный момент, чуть ниже мы это разберем более подробно.
Давайте теперь разберемся с кислородом и его концентрации 21% при барометрическом давлении 760 мм.рт.ст. Эти параметры являются физиологической нормой для большинства млекопитающих существ, но где кончаются грани нормы? 15% кислородов это еще норма, или уже условие вызывающее гипоксию человека? А если мы возьмем 12%, но повысим атмосферное давление в пять раз? Говорят, что 100% кислород токсичен, а токсичен ли 95% или 70%?
Если верить ученым, изучающим эпоху динозавров, то в те времена естественная концентрация кислорода составляла неслыханные 30%, и для живых существ того периода это являлось нормой, а это значит, что и современные животные судя по всему могут без проблем адаптироваться к незначительному повышению процентного содержания кислорода.
Важную роль в токсичности кислорода играет еще и «время», т.е. длительность дыхания, но об этом тоже ниже.
Получается, что как и с алкоголем, мы упираемся в том, что ни такое понятие как «процентное содержание газа» ни «барометрическое давление» сами по себе не могут нам дать искомого ответа.
Но есть еще одно понятие «парциальное давление газа в атмосфере» - это давление, которое вызывает отдельно взятый газ в атмосфере с конкретным давлением и конкретным содержанием этого газа.
Парциальное давление газа определяется по простой формуле (ВхА)/100 где В-барометрическое давление, а А-процентное содержание конкретного газа.
Что бы определить парциальное давление кислорода, которое является для человека физиологической нормой, мы умножаем давление атмосферы 760мм.рт.ст. на содержание кислорода равное 21%, а затем, полученную сумму делим на 100 и получаем число 159 мм.рт.ст – это и есть «парциальное давление кислорода» которое является для человека нормой. Именно от этого показателя мы будем дальше плясать.
Если мы дадим человеку дышать чистым кислородом, то парциальное давление кислорода составит (760х100)/100=760мм.рт.ст. Именно такое парциальное давление получают пациенты в больнице, когда им через маску подают чистый кислород – кто то считает это опасным?
Говоря о глубоководной медицине, когда в барокамере с чистым кислородом создается давление в 2 абсолютные атмосферы, то парциальное давление кислорода уже составляет 1520 мм.рт.ст (перепроверьте по формуле и за одно потренируйтесь – это действительно интересно) и непродолжительные сеансы не то, что не вредны, но и используются в лечении ряда заболеваний. Совсем другое дело, когда мы создаем в камере с чистым кислородом давление 5 или даже 8 атмосфер, в этом случае парциальное давление составит уже 3800-6000мм.рт.ст. и при таких условиях, когда парциальное давление превышает норму в 37 раз, естественно, очень быстро возникает кислородная интоксикация. Но и тут мы должны ввести понятие «время» или длительность дыхания чистым кислородом до наступления первых симптомов интоксикации в легкой форме и до развития тяжелой степени интоксикации, включая смерть.
А что же в авиации и космонавтике?
Снижая барометрическое давление, мы по сути разбавляем концентрацию газа, т.к. с каждым километром подъема воздух все больше разрежается. Это одно и тоже, если взять рюмку объемом 50 мл облепиховую настойку крепостью 21 градус и разбавить в два раза водой. Тогда мы получим 100мм настойки крепостью 10,5 градуса.
Но в нашем случае, забрав на высоте половину молекул газовой среды в изначальном объеме, мы не сможем заполнить оставшийся объем другим нейтральным газом, т.к. это будет противоречить принципу снижения давления. В авиации мы просто получим ту же газовую среду с изначальным содержанием кислорода 21%, азота 79% и оставшихся газов по мелочи, а остальные 50% объема заполнит пустота, которую мы обязаны учитывать говоря об объеме но не можем посчитать в качестве нейтрального газа, выражающегося в недостающих 50% молекул.
Еще раз, это очень важно!
Если мы уменьшим барометрическое давление в два раза с 760 до 380 мм.рт.ст., то получим следующий эффект– количество кислорода в единице объема уменьшится ровно в два раза, но из-за присутствия пустоты процент кислорода не снизится с 21% до 10,5%, если бы мы заполнили образовавшиеся 50% пустоты водой, т.е. нейтральным газом а останется на том же уровне 21%. Остальной объем заполнит не измеряемая в процентах пустота, но «парциальное давление кислорода», как и положено, уменьшится в два раза.
Проверяем:
380мм.рт. умножаем на 21 и полученную сумму делим на 100 получая «парциальное давление кислорода» равное 79,8 мм.рт.ст. 380 мм.рт.ст – это высота чуть выше 5 километров и физически здоровый человек еще может адаптироваться к таким условиях гипоксии.
А что если мы разредим атмосферу в три раза до 250 мм.рт.ст. что соответствует высоте чуть ниже восьми километров? В этом случае, «парциальное давление кислорода» упадет уже до 52 мм.рт.ст. и вызовет сильную гипоксию с последующей потерей сознания и даже смерть.
В авиации у нас не получится заставить летчика или космонавта дышать в три раза чаще, что бы в легкие нагнетались недостающие 110 мм.рт.ст. «парциального давления кислорода», поэтому мы вынуждены повышать его концентрацию примерно в три раза до 64%.
А теперь вопрос, опасна ли для человека концентрация кислорода 64% при барометрическом давлении 250 мм.рт.ст., если «парциальное давление кислорода» будет все равно 160 мм.рт.ст. т.е. ничем не отличаться от показателей на уровне моря?
А будет ли концентрация кислорода на уровне 64% пожароопасна при давлении 250 мм.рт.ст, если фактическое количество молекул на единицу объема будет таким же, как и на земле?
Почему мы взяли 250 мм.рт.ст.? – это то самое атмосферное давление, которое применялось на космических кораблях типа «Меркурий», «Джемини» и «Аполлон» и применяется в настоящее время в американских скафандрах при выходе в открытый космос (в американской классификации 5psi).
Однако мы знаем, что в вышеперечисленных программах применялся 100% кислород и только на орбитальной станции «Скайлеб» его снизили до 70%.
Говоря о «Скайлебе» мы сразу видим, что «парциальное давление кислорода» было фактически таким же как и на земле и составляло 175 мм.рт.ст. что чуть выше 160 мм.рт.ст., а остальной объем занимал азот, благодаря чему у американских астронавтов практически не возникало никаких опасных симптомов кислородной интоксикации.
С «Аполлонами» чуть «сложней». До «Скайлеба» в космических кораблях поддерижвалось давление порядка 250 мм.рт.ст. при 100% кислородной среде, таким образом, теоретически, «парциальное давление кислорода» составляло те же 250 мм.рт.ст. что примерно всего на треть выше физиологической нормы, но есть нюанс!
Говоря о 100% кислородной среде, мы говорим условно. На собственной многолетней практике тренировки космонавтов в условиях вакуума в скафандрах «Орлан», где применяется 100% кислородная среда, содержание азота может варьировать от 2 до 8-10%. Содержание азота на уровне 5% считается нормой, т.к. он выделяется из организма, но при достижении показателей к 10%, в скафандре делается дополнительная продувка кислородом.
Кстати, давление в русских скафандрах выше чем в американских и составляет 0,4 атмосферы, т.е. при атмосферном давлении 304 мм.рт.ст, «парциальное давление кислорода» будет так же составлять 304 мм.рт.ст. вместо 250, но космонавты без проблем осуществляют выходы продолжительностью 8-10 часов и никого это не смущает.
Еще одним не учтенным ранее фактором, являются водяные пары в альвеолах, которые составляют 47мм.рт.ст., из тоже нужно вычитывать в приведенной выше формуле, если мы определяем «парциальное давление кислорода» во вдыхаемом воздухе.
Я сейчас не берусь точно назвать концентрацию азота в американских кораблях, составляла она 2; 4 или 6%, но то, ч то она была – это факт. Полагаю, что концентрация была минимальна благодаря тому, что объем капсулы корабля намного превышает объем скафандра. В любом случае, «парциальное давление кислорода» было не на теоретическом уровне "условного коня в вакууме" 250 мм.рт.ст., а немного ниже. Может 200, может 225мм.рт.ст., важен сам факт, что оно не превышало физиологическую норму больше чем на треть, да и где та норма, если динозавры прожили миллионы лет при 30% кислородной среде, когда парциальное давление кислорода составляло 228мм.рт.ст., т.е. практически столько же, как и у астронавтах в кораблях "Аполлон". Хотя..., простите: динозавры в итоге вымерли и кажется там был большой пожар:))))
В этих условиях астронавты без проблем могли осуществлять многонедельные космические полеты без существенного риска для своего здоровья. Даже лабораторные крысы, дышавшие в течении месяца чистым кислородом в этих условиях не получали кислородной интоксикации, опасной для жизни.
Безусловно, чистый кислород без других газов оказывал воздействие на организм, но все зафиксированные симптомы в виде ателектазов носили временный характер и достаточно быстро проходили после 2-3 недельного полета.
Не смотря на то, что капсула корабля была наполнена чистым кислородом, треть этого объема заполняла пустота (разреженная атмосфера), поэтому фактическое количество молекул кислорода было немногим большее, чем на земле и не превышала 1/3 от нормы.
Побочное действие есть у любого вещества: у пива одно, у водки другое, у вина третье и это нормально.
В конце концов, мало кто во время доброй попойки заморачивается перспективой больной головы на следующее утро ради хорошего настроения «здесь и сейчас». Так почему американские астронавты должны были отказаться от возможности осуществить мечту всего человечества и лично побывать на Луне только из-за страха частичного спадания легких, которое при возвращении проходит само собой?
В заключении хотелось бы упомянуть и о пожаробезопасности, о которой мы казалось бы забыли. Действительно, при тренировке экипажа корабля «Аполлон-1» погибло три астронавта, но виноват в данной ситуации был не кислород, а грубейшая ошибка заполнить капсулу чистым кислородом при нормальном барометрическом давлении. Выводы были сделаны моментально и никогда больше, в камере при давлении 760мм.рт.ст. не подавался чистый кислород.
40% кислород пожароопасен только при давлении 760мм.рт.ст. и выше, т.к. образуется критически большое количество молекул кислорода и как следствие, меньшее расстояние между ними, благодаря чему процесс окисления происходит значительно быстрей.
В последующих тренировках и самих полетах подача чистого кислорода начиналась с высоты порядка 5 км. По этой же схеме проходят шлюзование и российские космонавты – сперва в камере и скафандре снижается давление до 400 мм.рт.ст и только после этого начинается продувка кислорода.
Не просто объяснить, а убедить в неадекватном преувеличении опасности чистого кислорода в условиях разреженной атмосферы более простым языком у меня наверно уже не получится, поэтому если что-то осталось не понятным, я рекомендую снова внимательно перечитать статью один; два или двадцать два раза. Если вы искренне хотите в чем то разобраться, то нет ничего зазорного, что вы не поняли с первого раза, это значит, что нужно приложить немного больше усилий.
