심해 잠수부가 갑자기 수면 위로 올라올 때 발생하는 잠수병의 원인이 무엇인지 궁금합니다.

Question

심해 잠수부가 갑자기 수면 위로 올라올 때 발생하는 잠수병의 원인이 무엇이며, 이를 예방하기 위해 잠수용 실린더에 질소 대신 헬륨을 혼합하여 사용하는 화학적 근거는 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요.

심해 잠수부가 급격히 수면으로 상승할 때 발생하는 잠수병은 고압 환경에서 체내에 녹아든 질소가 급격한 압력 감소로 인해 기포로 변하면서 발생합니다.

아무래도 깊은 바다에서는 수압이 매우 높기 때문에, 호흡하는 공기 속의 질소 기체가 혈액과 조직에 평소보다 훨씬 많이 녹아 들어가는데요, 이 상태에서 천천히 상승하면 압력이 점진적으로 감소하면서 질소가 서서히 폐를 통해 배출되나 갑자기 상승하면 압력이 급격히 낮아지면서 체내에 녹아 있던 질소가 기체로 빠르게 변해 기포를 형성합니다. 기포는 혈관을 막거나 신경을 압박하면서 통증, 마비 등을 유발할 수 있습니다.

이러한 위험을 줄이기 위해 잠수에서는 질소 대신 헬륨을 혼합한 기체를 사용하는데, 이는 헬륨이 질소보다 분자량이 작고 체내 용해도가 낮으며, 조직에 덜 축적되기 때문입니다. 또한 헬륨은 확산 속도가 빨라서 체내에 들어가더라도 비교적 빠르게 배출되므로 동일한 압력 변화가 있을 때 질소보다 기포를 형성할 가능성이 낮아 감압병 위험을 줄일 수 있습니다. 게다가 헬륨은 화학적으로 매우 안정한 비활성 기체이다보니 체내에서 반응을 일으키지 않으며, 고압 환경에서 나타날 수 있는 질소 마취도 거의 발생하지 않는 장점이 있습니다. 감사합니다.

Answer 2

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

심해 잠수부가 갑자기 수면 위로 올라올 때 발생하는 잠수병은 물리, 화학적 원리로 설명할 수 있습니다. 깊은 바닷속에서는 수압이 매우 높아 혈액과 조직 속에 질소가 평소보다 훨씬 많이 녹아듭니다. 이는 헨리의 법칙에 따라 압력이 높을수록 기체가 액체에 더 잘 녹기 때문입니다. 그런데 잠수부가 급격히 상승하면 압력이 갑자기 낮아지면서, 체내에 녹아 있던 질소가 더 이상 용해 상태를 유지하지 못하고 작은 기포로 변합니다. 이 기포가 혈관을 막거나 조직을 손상시키면서 관절통, 신경계 이상, 호흡 곤란 같은 잠수병 증상이 나타나는 것입니다.

이를 예방하기 위해 잠수용 실린더에는 질소 대신 헬륨을 혼합하기도 합니다. 헬륨을 사용하는 화학적 근거는 다음과 같습니다. 첫째, 헬륨은 질소보다 체내 조직에 잘 녹지 않는 성질을 가지고 있어 기포로 변할 위험이 적습니다. 둘째, 헬륨은 분자량이 작아 혈액과 조직에서 더 빠르게 확산·배출되므로 체내에 오래 머물지 않습니다. 셋째, 질소는 고압 환경에서 신경계에 작용해 ‘질소 마취’를 일으킬 수 있는데, 헬륨은 이런 마취 효과가 거의 없어 안전합니다. 따라서 헬륨을 산소와 섞은 헬리옥스나 헬륨·질소·산소를 혼합한 트라이믹스 같은 기체를 사용하면 잠수병과 질소 마취를 동시에 줄일 수 있습니다.

정리하면, 잠수병은 압력 변화로 인한 질소 기포 형성에서 비롯되며, 헬륨은 낮은 용해도와 빠른 배출 속도 덕분에 이러한 위험을 크게 줄여주는 대체 기체로 쓰입니다.