Armstrongova Granica

To ima za posledicu da vazduh iz rastvorenog stanja u tkivnim tečnostima naglo prelazi u gasne mehuriće koji se gomilaju u krvi i drugim tkivima, što se manifestuje ključanjem tečnosti na normalnoj temperaturi ljudskog tela (37 °C).

Armstrongova granica ima značaj za vazduhoplovstvo i astronautiku, tj za preživljavanje pilota, padobranaca ili astronauta u slučaju oštećenja (otkaza) kabine vazduhoplova i njenih instalacija za regulaciju pritiska, zaštitne kacige ili visinskog odela na velikim visinama. U toku slobodnog pada kroz atmosferu nakon prinudnog napuštanja vazduhoplova, padobranskog skoka iz balona ili nagle dekompresije kabine vazduhoplova izazvane raznim oštećenjima, na ovoj (19 km) ili većoj visini, kao posledica naglog (eksplozivnog) širenje gasova u telu pilota, padobranca ili astronauta, (zbog razlike u pritiscima gasova u spoljašnjoj sredini i organizmu) oni se...bukvalno (unutar desetak sekundi) pretvaraju u „penušavog džina“ iz čijih očiju i usta izlazi penušava tečnost kao u nekom horor filmu... To traje samo nekoliko sekundi do gubitka svesti i iznenadne smrti.“

Armstrongova granica dobila je naziv po Hariju Džordžu Armstrongu (engl. Harry George Armstrong 1899—1983), osnivaču Odeljenje za vazduhoplovnu i kosmičku medicinu Oružanih snaga SAD, 1947. godine, u Teksasu.

Doktor Armstrong je bio prvi vazduhoplovni lekar koji je na homeotermima u barokomori, 1935. godine, otkrio i proučio fenomen hladnog ključanja tečnosti koji se javlja na nadmorskoj visini između 18.900-19.350 metara (ili oko 12 milja), i odredio tu visinu kao gornju granicu na kojoj ljudi i drugi homeotermi apsolutno ne mogu opstati bez dodatne promene (normalizacije) pritiska vazduha u okolini ili primene zaštitne opreme (visinskog odela i kacige).

Vazdušni omotač Zemlje sastoji se od mešavine gasova. Ma koliko daleko se pružala gasovita frakcija atmosfere od površine Zemlje na nju bitno utiču dva faktora; toplotno zračenje Sunca i gravitacija Zemlje.

Toplotno zračenje Sunca pojačava težnju atmosferskih gasova da se šire u okolnu vakuuma kosmosa. „Rasipanju“ molekula vazduha u kosmosu efikasno se suprotstavlja Zemljina teža. Posledica toga je jasna tipizacija gustine i pritiska atmosfere po njenom vertikalnom preseku.

Gustina (d) gasa je definisana kao masa u jedinici zapremine i izražena je gramima u kubnom metru. Na nivou mora gustina atmosfere je 1.200 gr/m³. Sa povećanjem visine (pod pretpostavkom da je temperatura konstantna) gustina atmosfere opada eksponencijalno. To znači da se gustina smanjuje jednako srazmerno sa jednakim intervalima visine. Tako na visini od 5.500 m gustina vazduha je je upola manja nego na nivou mora. Na visini od 11.000 m gustina iznosi 1/4 vrednosti na nivou mora.

 

Pritisak (p) je količnik sile koja deluje na površinu ili uopšteno, pritisak se definiše kao odnos sile (F) i površine (S) na koju ta sila deluje pod pravim uglom. Ovaj odnos predstavlja se formulom:

${\displaystyle p\,}$

${\displaystyle ={\frac {F}{S}}}$

Atmosferski pritisak je direktna posledica težine vazduha. Vazdušni pritisak se meri u gramima po kubnom santimetru i milimetrima žive. Jedna standardna atmosfera je težina vazdušnog stuba koji vrši pritisak na živin stub površine 1 sm² i iznosi 760 mmHg ili 1 bar = 1,3 kRa.

U međunarodnom sistemu mernih jedinica (SI) pritisak se meri paskalom (Ra), koji je definisan kao sila od 1 njutna (N) po 1 m², što se predstavlja formulom:

${\displaystyle 1Pa\,}$

${\displaystyle ={\frac {1N}{1m^{2}}}}$

Pritisak vazduha razlikuje se sa promenom mesta na Zemlji i vremena jer se količina (i težina) vazduha iznad Zemlje isto tako razlikuje. Atmosferski pritisak se smanjuje za 50% na visini od oko 5.000 m (kao što se i oko 50% ukupne mase atmosfere nalazi unutar najnižih 5.000 m). Prosečni atmosferski pristisak izmeren na nivou mora iznosi oko 1 bar = 1 atm = 101.3 kRa. ° Sa povećanjem visine barometarski pritisak opada eksponencijalno, slično gustini vazduha (prikazano na tabeli ispod), uz neznatna odstupanja u padu pritiska sa visinom što je prouzrokovano temperaturom atmosfere.

Nakon što je u prethodnom delu prikazan pregled fizičko-hemijskih uslova u atmosferi, s glediša letenja na visini, u ovom delu biće prikazane neke od mnogostrukih funkcija atmosfere i njeni učinci na letenje. Ove funkcije i učinci atmosfere ne završavaju se na njenim materijalnim granicama; već štaviše oni su ograničeni različitim visinama. Ovi fizilioški nivoi koji su označeni i kao funkcionalni limiti ili granice atmosfere od kojih zavisi održanje života su;

Fiziološka zona (granica) atmosfere ili zona potpune kompenzacije (koja se proteže od 0 metara do 3.000 metara nadmorske visine)

Funkcionalna (vitalna) granica atmosfere (koja se nalazi na 15.000 metara visine) je zona zemljine atmosfere na kojoj je „vreme čiste svesti“ nakon naglog gubitka pritiska (npr dekompresije kabine tokom letenja avionom) samo 15 sekundi.

Fiziološka granica funkcija atmosfere, poznata pod nazivom Armstrongova granica (koja se nalazi na oko 19.000 metara visine) je zona zemljine atmosfere na kojoj će zbog pada atmosferskog pritiska ispod 47 mmHg, telesne tečnosti u telu čoveka proključati.

Zato su sa gledišta letenja čoveka i vazduhoplovne i kosmičke medicine,, koje se bave izučavanjem tih uticaja na organizam pilota i kosmonauta, funkcije i učinci atmosfere podeljeni u više kategorija (10), od kojih će u ovom članku biti razmotrene dve, neposredno povezane sa funkcionalni limitima ili granicama atmosfere;

 

Pritisak kiseonika i disanje

Ključna uloga atmosfere u održavanju života na Zemlji je obezbeđenje kiseonika za disanje. U gornjim slojevima atmosfere iznad 100 km ili Karmanove linije, on je otkriven samo u obliku atomskog kiseonika nastalog u procesu fotodisocijacije biatomskog kiseonika (O₂) pod uticajem vrlo kratkog ultravioletnog zračenja.

Fiziološka zona atmosfere ili zona potpune kompenzacije proteže se od nivoa mora do 3.000 metara visine. To je zona do koje se čovekovo telo dobro prilagođava visini. Nivo kiseonika u ovoj zoni je dovoljan da zadrži normalnu, zdravu osobu u fiziološkom stanju bez pomoći posebne zaštitne (visinske) opreme. Promene u atmosferskom pritisku sa brzim usponima u ovoj zoni mogu jedino da izazovu osećaj pritiska ili pucketanja u uvu ili sinusim zarobljenim gasom, koji se sa porastom visine širi u u ovim šupljinama. Međutim, ove promene su relativno slabe u poređenju sa barotraumatskim oštećenjima telesnih šupljina i drugih organa ispunjenih vazduhom, koja mogu nastati na većim nadmorskim visinama.

Parcijalni pritisak kiseonika rapidno opada sa visinom, a to sniženje odgovara opadanju celokupnog barometarskog pritiska (vidi gornju tabelu) u atmosferi. U odnosu na nivo mora, gde parcijalni pritisak kiseonika iznosi 159 mmHg, na 11.000 m on iznosi 1/4 ili 37 mmHg, a na 19.000 m, ili na nivou Armstrongove granice, 0 mmHg. S obzirom da kiseonik održava život, sniženje barometarskog pritiska na 87 mmHg, koliko iznosi parcijalni pritisak vodene pare i ugljen-dioksida u plućima (što odgovara visini od 15.000 m)—onemogućava ulaz kiseonika iz spoljašnje atmosfere u alveole pluća jer su one već ispunjene (zauzete) ukupnim barometarskim pritiskom koji odgovara parcijalnom pritisku ugljen-dioksida i vodene pare. Kako oba ova gasa potiču iz vlažne sredine tela, ništa se nebi promenilo i kad bi se okolni vazduh sastojao od čistog kiseonika.

Učinak hipoksije na različitim nadmorskim visinama uslovljen je manjim zasićenjam hemoglobina kiseonikom zbog sniženog parcijalnog pritiska kiseonika u udahnutom vazduhu

Zato se na visini od 15.000 metara nalazi funkcionalna (vitalna) granica atmosfere, na kojoj je „vreme čiste svesti“ nakon naglog gubitka pritiska (npr dekompresije kabine tokom letenja avionom) samo 15 sekundi, što znači da život na ovoj visini zavisi isključivo od male rezerve kiseonika u telu koja iznosi oko 1 litar.

Barometarski pritisak i telesne tečnosti

Samo nekoliko kilometara iznad prve granice, funkcionalne granice atmosfere, postoji i druga ili fiziološka granica funkcija atmosfere, poznata pod nazivom Armstrongova granica.

Tečnosti ispoljavaju izvestan pritisak pare iznad svoje površine. Njen maksimum ili pritisak zasićene pare zavisi od temperature tečnosti. Zagrevanje tečnosti povećava pritisak pare do tačke na kojoj se on izjednačava sa barometarskim pritiskom iznad tečnosti. Na toj tački tečnost počinje da ključa (vri). Na normalnom atmosferskom pritisku od 760 mmHg voda ključa na 100 °C. Isto se postiže i sa tečnostima izvesne, konstantne temperature—smanjivanjem barometarskog pritiska do pritiska pare u konkretnoj tečnosti.

Pritisak vodene pare u tečnostima našeg tela pri normalnoj telesnoj temperaturi od 37 °C, iznosi 47 mmHg. Onog trenutka kada sa visinom barometarski pritisak opadne ispod 47 mmHg, telesne tečnosti u našem telu će proključati. Prvi koji je to proučio i dokazao na homeotermima u barokomori bio je dr Armstrong. Ovaj poremećaj se manifestuje u mukoznim membranama usta i konjuktiva očiju, otičanjem kože usled difuznog obrazovanja mehuri tkivima i formiranja mehurića u krvi.

Na visini iznad 19.000 m atmosferski pritisak je 47 mmHg. Iznad ove visine gubi se vitalno važna zaštita atmosferskog pritiska protiv ključanja tečnosti ili ebulizma, na sličan način kao da nismo okruženi atmosferom. Ovo je drugi fiziološki limit za boravak čoveka na velikim visinama, koji iziskuje antivakuumsku zaštitu ili specijalno odelo i kiseoničku kacigu pod pritiskom, drugojačije nazvano visinsko odelo, ili presurizovanu kabinu.

Nakon dekompresije ili naglog izlaganja niskom atmosferskom pritisku ili hipobariji), (koja je najizraženija iznad Armstrongove granice), nastaje po život više opasnih posledica, pre svega na: plućima, srcu i mozgu, ali i ne manje značajene u mišićima i potkožnom tkivu.

 

Oštećenje pluća

U brzoj ili eksplozivnoj dekompresiji oštećenje pluća javlja se prvenstveno zbog razlike između natpritiska koji vlada u plućima i niskog pritisak u spoljašnjoj sredini, ili diferencijalne razlike od oko 80 mm Hg koja je dovoljno je da izazove cepanje pluća i alveolarne rupture ; krvarenje u plućima, u rasponu od petehijalnog do kontinuiranog krvarenja (u zavisnosti od veličine i brzine dekompresije). U plućima vrlo brzo nastaju i emfizematozne promene koje su posebno izražene u gornjim delovima, a atelektaza i edem u nižim delovima pluća.

Kardiovaskularna oštećenja

Promene u srčanom mišiću povezana su sa pojavom gasnih mehurića (ebolusa) koji izazivaju istezanje miokarda pre svega zbog nedostatka kiseonika (hipoksija). Puls raste prvih 20 sekundi, zatim nakon šezdeset sekundi opada na 40% od osnovne vrednosti. Nakon oko dva minuta arterijski krvni pritisak pada na nulu a pulsni talas se gubi, ali se kontrakcije srca održavaju najmanje još 5 do 7 minuta.

Oštećenja centralnog nervnog sistema

U brzoj ili eksplozivnoj dekompresije iznad 19.000 metara, centralni nervni sistem trpi najveća oštećenja. Ona su pre svega posledica hipoksije zbog nedostatkom kiseonika u moždanom tkivu, kao posledica smanjenog protoka krvi kroz mozak izazvanog cerebralnom ili globalnom ishemijom

Promene u koži i mišićima

Promene u koži i mišićima nakon dekompresije su najizraženije, iako direktno ne ugrožavaju život. Promene su u vidu gomilanja gasnih mehurića ili embolusa (izazvanih hladnim ključanjem tečnosti), koji se manifestuju potkožnim otokom i bolovima u mišićima. Ove promene mogu vrlo brzo „naduvati“ telo čija se zapremina može uvećati i do dva puta od normalne.

Disanje pod natpritiskom

 

Disanje pod natpritiskom je veštački povećanje smanjenog parcijalnog pritiska kiseonika u udahnuti vazduhu, kao jedna od osnovnih mera u borbi protiv smanjenog barometarskog pritiska atmosferskog vazduha i pojave hipoksije u telu pilota za vreme letenja na većim visinama.

Pritisak gasa ostvaruje se samo za vreme udisanja, dok u toku izdisanja pritiska nema. Na ovaj način je izmenjen normalni respiratorni ciklus jer je sada udah pasivna faza a izdah aktivna faza. U toku izdisanja potrebno je izvršiti određeni rad da bi se stvorio povećan negativan pritisak u grudnom kosšu, koji će istisnuti vazduh kako bi pritisak izjednačio sa spoljašnjim. Dok disanje dovodi u pluća pozitivni pritisak ostali delovi tela su izloženi okolnim pritisku vazduha.

Disanje 100% kiseonika pod natpritiskom od 11,7 kpa obezbedilo bi trajnu uspešnu zaštitu od hipoksije na bilo kojoj visini. Međutim ovako veliki natpritisak je neostvarljiva jer dovodi do; dekompresione bolesti i fizioloških poremećaja u radu respiratornog sistema.

Mogućnosti disanja kiseonika pod natpritiskom nisu neograničene, te nakon prelaska vrednosti od 7,8 kPa, dolazi do značajnih poremećaja u radu kardiovaskularnog i respiratornog sistema, a na većim pritiscima moglo bi da dođe i do rupture pluća.

Da bi se ovo sprečilo uvedena su specijalna odela sa natpritiskom koja stvaraju pritisak sa spoljne strane tela pilota, sa ciljem da se spoljni pritisak izjednači sa unutrašnjim pritiskom. Samo sa ovakvim odelom dobro se podnosi disanje pod natpritiskom i do 20,7 kPa.

Kako je disanje kiseonika pod natpritiskom veoma naporno, njegova primena nije preporučljiva duži vremenski period, a i sama oprema koja se koristi za tu namenu znatno otežava rad pilota. Zato su savremeni avioni tako konstruisani da su njihove kabine pod natpritiskom, što omogućava normalan rad pilota, a odelo se koristi samo u slučaju nastanka vanredne situacije (rashermetizacija kabine ne velikim visinama).

Zaštita funkcije disanja na visini

 

Kako bi čovek obezedio normalan proces disanja na visini on mora disanja dopuniti nizom zaštitnih mera;

Aklimatizacija

Aklimatizacija se postiže dužim boravkom na visini iznad 3.000 metara, na kojoj sde organizam privikava smanjenom parcijalnom pritisku kiseonika pokretanjem čitavog niza fizioloških procesa.

Bavljenjem sportom

Bavljenjem sportom uz pravilnu ishranu i povremeni boravak na visini povećava se disajni kapacitet organizma što ga čini otpornijim na smanjeni parcijalni pritisak kiseonika.

Pravilna primena ugljenih hidrata

Pravilno doziran i povećan unos ugljenih hidrata i belančevina smanjuje toleranciju organizma i povećava njegovu izdržljivost tokom boravka u atmosferi sa niskim parcijalnim pritiscima kiseonika.

Udisanje kiseonika

Dopunsko udisanje kiseonika može se obezbediti preko zaštitne maske, ili tokom boravkak u hermetizovanim kabinama vazduhoplova sa upotrebom specijalnog visinskog odela.