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Paliers de décompression

Gabrielle Bonnet

Gabrielle Bonnet

30/06/2006

Résumé

Pourquoi les paliers de décompression sont-ils nécessaires au plongeur ? Solubilité du diazote dans le sang, pression et danger des bulles de gaz.


Nous vous proposions, il y a quelques temps, de réfléchir à la question des "paliers de décompression" en plongée (vous pouvez retrouver cette question en cliquant ici).

Nous allons tenter de brosser un tableau rapide de ces problèmes à l'interface de la physique-chimie et de la biologie.

Solubilité du diazote dans le sang

Lorsqu'on étudie en biologie les échanges entre le gaz contenu dans les poumons et le sang, on se focalise généralement sur le dioxygène (transporté presque en totalité par l'hémoglobine) et le CO2. Toutefois, une partie du gaz contenu dans les poumons (qu'il soit "utile" à la respiration ou non) se dissout automatiquement dans le sang. Cela est vrai pour le dioxygène (pour lequel le gaz dissout ne représente qu'une petite fraction -de l'ordre de 2%- du dioxygène transporté, l'essentiel l'étant en effet sous forme combinée à l'hémoglobine), le CO2 et le diazote. Si le dioxygène est utilisé par les cellules lors de la respiration, le diazote, lui, diffuse simplement dans tous les tissus jusqu'à atteindre un état d'équilibre dans lequel les concentrations en diazote sont semblables dans le sang et dans les cellules.

La quantité de diazote dissout dépend de sa solubilité, qui elle-même dépend de plusieurs facteurs : température, pression partielle du diazote...

A température constante, la solubilité d'un gaz dans un liquide est proportionnelle à sa pression partielle (loi de Henry) :

s = p / H

(s = solubilité du gaz dans le liquide, p = pression partielle de ce gaz, H = constante de Henry qui dépend de la nature du gaz et du liquide considérés et de la température)

Or, en plongée, la pression augmente d'un bar tous les 10 mètres environ. Une plongée à 30 mètres correspond donc à une multiplication par 4 de la pression.

Application numérique :

Lors d'une plongée, la quantité d'azote présente dans le sang et dans les tissus augmente. Nous allons faire un calcul d'ordre de grandeur de la quantité d'azote présente dans 5 litres de sang à la surface de l'eau et à 30 mètres. Nous ne devons cependant pas oublier l'importance de l'azote présent dans les tissus, que nous ne quantifierons pas ici.

A la surface de l'eau, la pression est à peu près égale à 1 bar, l'azote représente environ 80% du gaz contenu dans l'air extérieur, donc sa pression partielle est p = 0,8 bar, à 30 mètres sous l'eau, la pression totale est à peu près égale à 4 bar et la pression partielle de l'azote dans de l'air sec est p' = 0,8 × 4 = 3,2 bar. Il est à noter que, dans les poumons, le pourcentage est un peu plus faible puisque l'air des poumons est chargé de vapeur d'eau : le pourcentage d'azote dans les poumons, à la pression atmosphérique est donc plus proche de 75% que de 80%. Pour ce calcul, on se limitera à garder un chiffre significatif sur le résultat et on négligera donc la quantité de vapeur d'eau présente dans les poumons. La pression partielle de l'azote dans le sang peut être aussi, pour la précision que l'on souhaite, considérée comme égale à p à la surface et p' à 30 mètres de profondeur.

La quantité d'azote dissout à saturation dépend de la pression partielle via la formule : x = p / H, où x est le nombre de moles d'azote par mole de liquide, et H la constante de Henri de l'azote dans le sang à 37°C. H vaut 1,0 × 105 bar environ à la température du corps. la quantité d'azote présente dans le sang est donc multipliée par 4 à 30 mètres de profondeur par rapport à la surface, une fois que la saturation de la solution en diazote est atteinte.

Un litre d'eau contient N = 56 moles d'eau, on a donc N p / H moles d'azote par litre de sang à la surface et N (p' - p) / H moles de plus à 30 mètres de profondeur, soit plus d'une 1 mmole d'azote en plus par litre de sang.

Une remontée trop rapide, dans laquelle l'azote en trop n'a pas le temps de s'évacuer, entraine la formation à l'intérieur du corps (dans le sang et dans les tissus), de bulles de gaz. Le corps humain contient à peu près 5 litres de sang, et le volume molaire d'un gaz à 37° et à une pression de 1 bar (pression à la surface) vaut à peu près 25 litres par mole, donc, dans le sang seulement, si l'azote qui s'y trouve n'est pas éliminé, il y aurait formation d'environ 0,2 litres d'azote gazeux. L'azote contenu dans les tissus s'élimine plus lentement, donc la probabilité de formation de bulles de gaz à l'intérieur est encore plus élevé. On conçoit aisément le danger mortel que la présence d'une telle quantité de gaz non éliminé constitue !

Durée des paliers de décompression

Pour toutes les raisons indiquées ci-dessus, il est demandé aux plongeurs de ne pas remonter trop vite et de faire des paliers de décompression.

Si l'on examine les tables donnant la durée des paliers de décompression, on constate que ceux-ci peuvent être assez longs (cette durée dépend de nombreux paramètres), par exemple on va avoir à faire un palier de 20 minutes, ou une demi-heure, ou 45 minutes...

Or, en une minute, environ 6 litres de sang passent par les poumons, et le corps contient en moyenne environ 5 litres de sang. On pourrait donc penser qu'une minute devrait suffire pour éliminer tout l'azote contenu dans le sang. Pourquoi faut-il donc une aussi longue durée pour l'éliminer? Est-ce dû à un mauvais passage de l'azote du sang à l'air alvéolaire ?

Loi de Fick

Pour être éliminé, l'azote doit passer des cellules dans le sang, être transporté par le sang, et passer du sang aux poumons. Si le transport de l'azote par le sang se fait relativement rapidement, le passage de l'azote des cellules vers le sang se fait plus lentement. Le passage de l'azote, à travers les tissus comme à travers la paroi des poumons, se fait par simple diffusion.

La diffusion d'un gaz à travers la paroi des poumons est assez facile à étudier, elle est décrite par la loi de Fick :

v = D S Δ p / e

où v est la vitesse de diffusion du gaz à travers la paroi, S la surface de celle-ci, D, le coefficient de diffusion du gaz, Δ p la différence de pression partielle du gaz entre les deux côtés de la paroi, et e l'épaisseur de celle-ci.

Lorsqu'on résout cette équation, on trouve que la différence de pression partielle entre les deux côtés de la paroi est décrite par une exponentielle décroissante. De façon analogue à se qui se fait avec d'autres phénomènes régis par des exponentielles, on définit la "période" comme étant le temps au bout duquel la différence de pression partielle entre les deux côtés de la paroi a été réduite de moitié.

D'une façon générale, chaque type de tissus du corps est caractérisé par une "période" (différente selon les tissus). La durée d'un palier, dont l'objectif est de permettre aux tissus de se décharger d'une quantité suffisante l'azote pour éviter tout danger, se calcule à partir de la connaissance de ces périodes.

Cette durée est élevée, car certains tissus mettent beaucoup de temps à éliminer le gaz dissout.

  • L'oxygène n'est pas un problème car étant consommé par les cellules, il n'a pas besoin de diffuser à travers les tissus pour rejoindre le sang si excès il y a.
  • Le plongueur est confronté à d'autres risques que celui de la formation de bulles de gaz dans le sang ou dans les tissus. En effet, le diazote et le dioxygène peuvent tout deux causer des problèmes lorsque leur pression partielle est trop élevée. Au-delà d'une pression partielle de 1,6 bar, le dioxygène est toxique, et au-delà d'une pression partielle de 5,6 bar, le diazote entraine "l'ivresse des profondeurs" qui peut causer des accidents mortels.

Respirer d'autres gaz ?

Une façon d'éviter certains problèmes spécifiques liés à certains gaz (problèmes neurologiques ou risque de formation de bulles de gaz dissout) peut être d'utiliser d'autres gaz, dont les propriétés (solubilité dans l'eau, toxicité) sont différentes.

Les plongeurs sont-ils les seuls confrontés à ces problèmes ?

Les astronautes portent une combinaison pressurisée. A l'extérieur de la station spatiale, la pression dans la combinaison est inférieure à la pression qui règne dans la station (typiquement 0,3 bar dans la combinaison à l'extérieur de la station pour une pression de 1 bar à l'intérieur). S'ils sortaient directement de la station, sans préparation, ils seraient confrontés au même risque qu'un plongueur qui remonte sans faire de palier : la formation de bulles de gaz mortelles dans l'organisme. C'est pour cela que les astronautes doivent se préparer longuement avant une sortie (il est possible, en respirant longuement de l'oxygène pur, de débarasser son corps de l'azote qu'il contient).