Physiologie de la plongée

Les types de plongées

La plongée en apnée

C’est la plongée que tout le monde a eu l’occasion d’effectuer en piscine. Cette forme de plongée ne va pas être développée dans le cadre de ma présentation.

La plongée à la pression atmosphérique

C’est la plongée en sous-marin, en barrique ou en scaphandre rigide (armure). La pression de l’eau n’est pas exercée directement sur le plongeur mais sur l’enveloppe qui l'entoure. L’air respiré a une pression identique à celle de la surface. Cette forme de plongée n’est pas développée dans le cadre de ma présentation. 

La plongée à la pression ambiante

C’est la plongée sous cloche, en scaphandre "Pieds-lourds" ou la plongée moderne avec bouteille. Pour pouvoir respirer sous l’eau, il faut respirer de l’air à la même pression que la pression ambiante. C’est cette forme de plongée que je vais développer dans ma présentation.

"L'ennemi du scaphandrier, c'est l'air qui le fait vivre en plongée"

Citation de Paul Bert

Introduction


L’incidence de la pression quant à l’apparition de certaines lésions a été constatée assez tôt dans l’histoire. On trouve par exemple des textes remontant à 1670 qui décrivent les travaux de Boyle à partir de l’utilisation de la pompe à vide inventée par l’allemand Von Guericke. 0euvrant avec des sujets non vivants puis divers animaux, Boyle soumit divers cobayes à des variations de pression. En autre, il constata qu’une vipère se débattait furieusement ; elle présentait de remarquables bulles dans les liquides et diverses parties de son corps. On a là un des premiers accidents de décompression enregistré dans la littérature. Mais Boyle fut loin de relier les accidents aux gaz inertes contenus dans l’air, et surtout à l’azote ; de ce fait l’apparition de bulles, simple curiosité scientifique, fut promptement négligée.

Relations entre pression, volume et densité

La pression atmosphérique au niveau de la mer est relativement constante (1bar). Dans l’eau, la pression s’accroit de 1 bar de pression relative tous les 10 mètres. Cela veut dire qu’à une profondeur de 10 mètres, la pression totale ou pression absolue, qui s’exerce sur le plongeur est de 2 bar, 1 bar de pression de l’eau et 1 bar de la pression de l’air. Cette pression s’exerce sur les réservoirs d’air souples, les comprimant et en réduisant leur volume. La réduction volumique de la poche d’air  est proportionnelle à la pression. 

Quand un volume d’air contenu dans un récipient est réduit par compression, la densité de l’air augmente puisqu’il se trouve comprimé dans un espace plus réduit. Il n’y a pas donc de perte d’air malgré les apparences, ce dernier est simplement comprimé. La densité de l’air est ainsi proportionnelle à la pression.

Dans un récipient souple, pour maintenir un certain volume à sa valeur d’origine, quand la pression augmente, il faut ajouter de l’air dans le récipient.

Au contrario, l’air contenu dans le récipient se dilate quand la pression diminue. Si l’on n’a pas ajouté de l’air dans le récipient, l’air qu’il contenait reviendra simplement au volume d’origine en se dilatant, au moment ou le récipient atteindra la surface.
Si on a jouté de l’air dans le récipient pour compenser les effets de la pression, cet air se dilatera aussi avec la diminution de pression  qui accompagne la remontée. Dans un récipient ouvert, le trop plein dilaté s’échappera simplement sous forme de bulles. Si maintenant l’air est contenu dans une enveloppe souple, le volume de celui-ci augmente lorsque la pression diminue. Si le volume vient à dépasser la capacité de l’enveloppe, celle-ci éclate sous l’effet de la dilatation de l’air.

Conséquences de l’augmentation de pression

Pendant la descente, la pression hydrostatique augmente et comprime les cavités anatomiques si ces dernières ne sont pas maintenues en équipression avec la pression ambiante. La sensation qui en résulte est d’abord la gène et ensuite la douleur si vous continuez à descendre. Cette sensation est due à un écrasement mécanique ou barotraumatisme. Les barotraumatismes peuvent survenir en plusieurs endroits : oreilles, sinus, dents, poumons et enfin au niveau des yeux par le placage du masque.

Effet de l’accroissement de la densité de l’air

Il faut 3 fois plus d’air pour remplir ses poumons à 20 mètres qu’à la surface. Par suite, une même provision d’air dure 3 fois moins de temps à 20 mètres qu’à la surface. Plus vous descendez profond, plus dur et plus "visqueux" devient  l’air inspiré. Ceci affecte évidemment la respiration, car cet air est plus dense et aussi plus dur à inspirer et à expirer que celui à la pression atmosphérique

Respiration d’air comprimé en profondeur

L’air comprimé dans la bouteille ou envoyé au scaphandrier est essentiellement le même air que nous respirons en surface, c’est un mélange d’azote (79%) et d’oxygène (21%). L’oxygène est utilisé par notre corps pour entretenir la vie de ses cellules, mais l’azote est physiologiquement  neutre, c’est-à-dire inutilisé par notre corps. Alors qu’aucun gaz n’a d’effet nocifs sur nous dans l’atmosphère, les deux peuvent par contre provoquer des difficultés quand ils sont respirés à haute pression sous l’eau.

L’oxygène peut être toxique à forte concentration et sous pression (Hypertoxie).

Quand vous respirez de l’air à des profondeurs avoisinant les 30 mètres, vous pouvez ressentir les effets de ce qu'il est convenu d’appeler "l'ivresse des profondeurs" ou narcose à l’azote sous pression. Plus le plongeur descend profond, plus l’effet narcotique devient sensible. Un plongeur affecté par l’ivresse des profondeurs se comporte comme s’il était ivre. Ses facultés de jugement et de coordination sont affectées. La narcose à l’azote a tendance à diminuer dès que l’on remonte.

L'ivresse des profondeurs, extrait du "Monde du Silence" du commandant Cousteau , source http://www.cousteau.org

La plongée aux mélanges

La plongée à l’air (air ambiant comprimé) composé de 21% d’oxygène et de 79% d’azote fixe la limite théorique de la plongée à une profondeur de 60 m en raison de la narcose à l’azote et du risque d’intoxication à l’oxygène. Au-delà de cette profondeur, il convient d’utiliser des mélanges gazeux dans le but de réduire fortement "l’ivresse des profondeurs", d’éliminer le risque d’hypertoxie et finalement d’améliorer la décompression.

Sans entrer dans des considérations trop techniques et pour résumer, il s’agit de diminuer les taux d’oxygène et d’azote, en substituant partiellement ces gaz par de l’hélium ou de l’hydrogène lors de la descente et selon la profondeur, puis finalement d’augmenter le taux d’oxygène durant la phase de décompression.

On parle de mélanges "normoxiques" si la teneur en oxygène est quasiment identique à celle de l’air ambiant et respirable en surface (entre 18 et 21% d’oxygène), "hyperoxiques" avec plus de 21% d’oxygène et "hypoxiques" avec moins de 18% d’oxygène.

Les principaux mélanges de gaz sont :

Le "Nitrox" (oxygène / azote) avec une proportion plus importante d’oxygène pour un usage dans des plongées peu profondes ou durant les phases de décompression.

Le "Trimix" (oxygène / azote / hélium) avec des proportions d’oxygène et d’azote plus faibles, substitués par de l’hélium pour l’usage des grands fonds.

L’emploi de ces gaz demande une formation spécifique, une grande rigueur dans les calculs, la préparation des mélanges et la planification de la plongée. Ces mélanges sont généralement réservés aux plongeurs avertis ou scaphandriers professionnels.

Les maladies de décompression

Au cours de la plongée, l’augmentation de pression amène l’azote de l’air respirable contenu dans les bouteilles ou envoyé au scaphandrier à se dissoudre dans les tissus du corps, on dit que les tissus se saturent en azote. Le volume de ce gaz, que notre corps est capable d’absorber pendant une plongée déterminée, dépend de la profondeur atteinte, et du temps passé à cette profondeur. Donc plus vous plongez profond et plus vous rester longtemps, plus votre corps absorbe de gaz. Autrement dit, plus il sature en azote. Lorsque l’on remonte, la pression ambiante diminuant, l’azote dont vous étiez saturé commence à se dégager de vos tissus, que l’on dit alors être sursaturés, c'est-à-dire que la tension d’azote qui y règne est supérieure à la pression ambiante. Ce dégazage de l’azote excédentaire doit s’opérer en douceur par la respiration puisque le corps n’utilise pas l’azote contrairement à l’oxygène. Ce qui est entré doit donc sortir. Tant que le volume d’azote en excès reste dans des limites acceptables, votre organisme peut l’éliminer sans complications, dans le cas contraire, le gaz excédentaire commencera alors à former des bulles dans les vaisseaux sanguins et dans les tissus au moment de la remontée. Les bulles provoquent un état physiologique très grave que l’on appelle maladie de décompression. Les symptômes sont les suivants : paralysie, état de choc, asthénie, vertiges, engourdissements, picotements, difficultés respiratoires, etc.…

Bulles dans des fibres musculaires

Les bulles provoquent:

Une embolie gazeuse:

Une embolie est un "corps étranger" circulant dans le sang pouvant faire "bouchon" dans les petits vaisseaux. Une embolie gazeuse est due à une bulle de gaz. Cette bulle provoque une lésion et un dysfonctionnement de l’organe concerné. Si elle se trouve dans les poumons, les échanges gazeux sont ralentis, si elle se place dans le cerveau les fonctions cérébrales sont dérangées et si elle se loge dans la moelle épinière, le plongeur sera paraplégique.

La coagulation du sang:

Le contact du sang avec la surface des bulles provoque une coagulation (comme une blessure exposée à l’air). Il se forme alors des embolies par des caillots et d’autre part les "facteurs de coagulation" dans le sang vont s’épuiser. Le sang devient alors non coagulable par la suite, ce qui favorise des saignements internes.

 La plupart des maladies de décompression doit être traitée en recomprimant  la victime dans un caisson de décompression. 

Maladie de décompression & caisson, extrait du "Monde du Silence" du commandant Cousteau, source http://www.cousteau.org
En raison des droits d'auteur, cette séquence ne peut pas être visualisée dans certains pays francophones, vous pouvez la voir ici.

Pourquoi et comment cet azote (ou tout autre gaz) passe-t-il dans le corps humain ? C’est la différence entre la pression partielle (dans l’air inspiré) et la tension (gaz dissous) qui est le moteur de l’échange gazeux.

Les tissus de notre corps et leur période

Si au niveau des poumons, l’équilibre des pressions entre l’air inspiré et le sang est rapide, cet équilibre s’établit plus lentement entre le sang et les différents tissus. La rapidité d’équilibrage d’un tissu est principalement déterminée par sa vascularisation. Elle est exprimée par sa période. Plus un tissu est vascularisé, plus l’équilibrage sera rapide et plus sa période sera courte. Inversement, moins un tissu sera vascularisé, plus long sera l’équilibrage et plus sa période sera longue. Notre corps est constitué d’une multitudes de tissus différemment vascularisés auquel correspond un grand nombre de périodes. La vascularisation de nos tissus n’est pas une constante, elle est modifiée par des facteurs tels que : l’activité corporelle, et d’autres contraintes extérieures. Ceci est particulièrement valable pour la musculature, le peau et les tissus graisseux sous-cutanés mais également les articulations et les os. En effet, en cas d’activité ces tissus sont mieux irrigués et permettent un équilibre d’azote un peu plus rapide.

Dissolution des gaz – Calcul de la décompression

Le gradient de pression en gaz inerte (l’écart entre les pressions partielles) entraine un processus d’équilibre des pressions des gaz inertes entre l’air que l’on respire, le sang et les tissus. Dès que le gradient se modifie, il y a tentative d’égalité, exemple : à la descente l’organisme augmente sa teneur en gaz dissous, inversement à la remontée il l’élimine par la respiration.

Cette égalité de pressions suit une progression exponentielle pour l’absorption comme pour l’élimination. Si la différence des pressions et la durée d’exposition sont connues, l’égalité des pressions peut être calculée au moyen des "temps de demi-saturation " (période).

Sursaturation critique, pression ambiante tolérée

A la fin du séjour au fond, et en fonction de leur période respective, tous les tissus se sont chargés en azote. A la remontée, il y a un moment ou la tension d’azote de certains tissus excède la pression partielle d’azote de l’air inspiré. Dès ce moment, ces tissus sont en sursaturation.

Sur la base de plongées réelles et d’essais en caisson hyperbare on a constaté que tous les tissus de notre corps supportent sans dommage, une certaine sursaturation. Des tests complémentaires ont mis en évidence que si cette sursaturation augmente trop, il y a formation de bulles gazeuses entraînant l’apparition de symptômes caractéristiques de l’accident de décompression. La limite de sursaturation tolérable avant le début de l’accident s’appelle la sursaturation critique. Les tissus ayant des périodes courtes tolèrent une sursaturation supérieure à ceux qui ont des périodes plus longues. Ce qui veut dire que les organes richement vascularisés acceptent une sursaturation plus grande que ceux moins vascularisés. La tension d’azote maximum tolérée par un tissu s’appelle : « tension critique » et elle dépend de la période du tissu.

 Saturation et désaturation

Sous l’eau, nous savons que nous devons respirer de l’air à la pression égale à celle que nous subissons. Nous savons que notre sang est en contact avec cet air sous pression par l’intermédiaire des poumons (alvéoles) et que le système cardio-vasculaire transporte le sang dans toutes les parties de l’organisme. Enfin, nous savons que plus la pression est grande, plus la quantité d’azote dissoute sera grande aussi (loi de Henry).


  • A la descente et pendant la plongée, de l’azote va se dissoudre dans notre corps.

  • A la remontée, cet azote dissous va vouloir ressortir de notre corps... 

 

Les moyens pour déterminer sa décompression

Tables de décompression

Les tables de décompression prennent en considération la profondeur, la durée de la plongée ainsi que la pression atmosphérique à la surface (niveau d’altitude). Pour des plongées en "escaliers", l’utilisation de tables n’est pas optimale et conduit à une décompression imprécise et trop longue. En effet, pour des raisons pratiques et de sécurité, les calculs sont essentiellement basés sur des plongées au profil "carré" où l’on considère que tout le temps plongée est passé à la profondeur maximum atteinte.

Calculateur de plongée

Pour obtenir une décompression conforme à l’exposition effective, il faut diviser la plongée en plusieurs petites plongées se succédant les une au autres, et ne pas tenir compte de leur décompression respective. Plus fin sera le découpage, meilleur sera le calcul de la dissolution et de la décompression. 

Paliers de décompression

On choisi pour la plongée sportive et professionnelle courante des paliers de décompression échelonnés de 3 m en 3 m (10 pieds). L’idéal serait une décompression continue, sans palier, qui pourrait être garantie par un calculateur très précis, simulant le processus dissolution-désaturation.

Profil de plongée

Principes et lois appliqués à la plongée

Principe d’Archimède

Tout corps plongé dans un fluide au repos, entièrement mouillé par celui-ci ou traversant sa surface libre, subit une force verticale, dirigée de bas en haut et opposée au poids du volume de fluide déplacé ; cette force est appelée “poussée d'Archimède”.

Loi de Boyle-Mariotte

La loi de Boyle-Mariotte relie la pression et le volume d'un gaz parfait à température constante. On trace ainsi une courbe isotherme du gaz. Mariotte et Boyle ont constaté, à quelques pour cent près, que la courbe P = f(V) était proche d'une hyperbole équilatère en coordonnées dites de Clapeyron (P,V), soit PV = constante pour une température donnée constante.

En d'autres termes, maintenir la température constante pendant une augmentation de pression d'un gaz exige une diminution de volume. Inversement, la réduction de la pression du gaz passe par une augmentation de volume. La valeur exacte de la constante n'a pas besoin d'être connue pour appliquer la loi entre deux volumes de gaz sous des pressions différentes, à la même température :

La loi a été découverte à quelques années d'intervalle par l'Irlandais Robert Boyle (en 1662) et par le Français Edme Mariotte (en 1676). C'est Guillaume Amontons qui précisa en 1702 que cette loi n'est valable qu'à température constante et est plus précise aux basses pressions.

Le phénomène énoncé par la loi de Boyle-Mariotte a des conséquences très importantes pour les plongeurs. Lors d'une plongée sous-marine, on respire de l'air à la pression ambiante de la profondeur considérée. Dans l'eau, la pression augmente d'un bar tous les dix mètres environ. Par conséquent, lors de la remontée, l'air qui a été comprimé va se détendre et donc augmenter son volume. Donc, si on bloque sa respiration pendant la remontée, l'air contenu dans les poumons ne pouvant pas s'échapper, il va les distendre et provoquer la rupture des tissus. C'est la surpression pulmonaire. Il est donc important de permettre à l'air de s'échapper lors de la remontée en ne bloquant pas sa respiration.

De la même façon, les gaz dissous sous l'effet de la pression plus élevée dans le sang et les tissus corporels vont, lors de la remontée, retourner à l'état gazeux, provoquant des bulles causes d'embolies. Il est donc nécessaire de respecter des paliers de décompression afin de permettre une évacuation progressive des gaz et éviter ainsi une embolie gazeuse. Au sens strict, ceci n'est pas une application de la Loi de Boyle-Mariotte, puisqu'une partie du phénomène est liée à la loi de Henry régissant la variation de solubilité des gaz dans un liquide selon la pression.

Loi de Henry

À température constante et à saturation, la quantité de gaz dissous dans un liquide est proportionnelle à la pression partielle qu'exerce ce gaz sur le liquide.

La concentration maximale d'un gaz en solution, en équilibre avec une atmosphère contenant ce gaz, est proportionnelle à la pression partielle de ce gaz en ce point.

C’est-à-dire que si l'on est par exemple en un point où la pression est le double de la pression atmosphérique (c'est le cas dans l'eau à 10 m de profondeur), chaque gaz de l'air pourra se dissoudre 2 fois mieux qu'en surface. Ceci explique le problème des plongeurs : en profondeur, l'azote de l'air (que le plongeur stocke puisque les cellules ne consomment que l'oxygène) a tendance à se dissoudre dans l'organisme du plongeur (entre autres le sang). Si celui-ci remonte trop vite, l'azote dissous va avoir tendance à se dilater rapidement dans l'organisme, ce qui peut créer des bulles dans les vaisseaux sanguins et une mort par embolie gazeuse.

LOI DE DALTON

La loi de Dalton définit que la pression totale exercée par un mélange est égale à la somme des pressions partielles des constituants. Cette loi est une conséquence de l'équation des gaz parfaits.

P = ∑ PP

Cette loi peut être mise en évidence avec l'expérience de Bertholet. On place deux gaz distincts dans deux mêmes volumes à une même pression reliés entre eux. A l'ouverture de la liaison, on constate que les deux gaz se répartissent uniformément dans les deux volumes en conservant la pression initiale.

La pression partielle:

La pression partielle d'un gaz dans un mélange est égale au pourcentage de ce gaz multiplié par la pression absolue.

PPgaz = Pabs x %gaz

Exemple de l'air respiré en surface:

PPO2 = 1 x 20% = 1 x 0,2 = 0,2 bar
PPN2 = 1 x 80% = 1 x 0,8 = 0,8 bar
Pabs = PPO2 + PPN2 = 0,2 + 0,8 = 1 bar

Exemple de l'air respiré à 30 m:

PPO2 = 4 x 20% = 4 x 0,2 = 0,8 bar
PPN2 = 4 x 80% = 4 x 0,8 = 3.2 bar
Pabs = PPO2 + PPN2 = 0,8 + 3,2 = 4 bar

Les conséquences en plongée:

La variation de la pression absolue avec la profondeur atteinte par le plongeur fait varier la pression partielle des différents gaz composant le mélange respiré. L'organisme réagit de manière différente selon les gaz à ces augmentations et il existe des seuils de toxicité pour chacun d'entre eux, ce sont les accidents biochimiques.

  • pour l'oxygène, c'est l'hyperoxie à partir de PPO2 = 1,6 bar
  • pour l'azote PPN2, c'est la narcose à partir de PPN2 = 3,2 bar
  • pour l'azote PPCO2, c'est l'essouflement à partir de PPCO2 = 0,02 bar

Films historiques sur la physiologie de la plongée

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