氢气潜水深度和氧气浓度

潜水深度是潜水技术的一个关键指标，氢气用于潜水只在大深度情况下使用，其背后的原因是避免氧气助燃浓度，就是要在氧气浓度低于4%的情况下，避免氢氧混合气燃烧或爆炸的可能。氧气浓度低于4%，常压下会发生缺氧，但在5个大气压以上，则因为氧气分压的增加，潜水员不会发生缺氧。这就是只能在高压或深度比较大的情况下使用氢气潜水的基本道理。

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潜水的最核心道理是在水中呼吸，因为水深可增加压强，因此潜水过程必需吸入和周围环境同样压强的气体，人类最早使用的潜水气体是压缩空气。但是空气潜水存在两个缺陷，一是高压下的呼吸阻力大，二是高压下氮气会出现麻醉作用，这导致使用空气潜水的深度不能超过60米，一般要求在45米深度以浅。解决空气潜水缺陷的策略是使用密度小麻醉作用小的氦气代替氮气。氦氧混合气潜水就诞生了，让人类实现了超过60米深度更大深度的目的，利用这种技术，人类很快达到数百米的潜水深度。但深度超过150米时，氦气几乎没有任何麻醉作用也存在另一个不足，就是无法对抗大深度高压强带来的神经兴奋作用。另外就是氦气非常昂贵，难以获取，驱动人们寻找氦气的代替品。1943年瑞典潜水员和潜水技术专家开启了氢气潜水的历史。

氢气作为惰性气体应用于潜水，一般只能在深度超过100米以上才使用氢气。原因是避免燃烧，因为人很难耐受低氧，必需吸入一定分压的氧气，常压空气中氧气分压是21kpa，潜水时一般不能少于20kpa，主要是避免潜水员缺氧。但一般也不要超过100kpa，纯氧气在常压下分压为100kpa，主要是避免氧气的毒性。潜水过程中，水深每增加10米，就会增加一个大气压。如果吸入空气，所有气体分压都会增加一个大气压比例，例如在常压下氧气是21kpa，那么20米深度，3个大气压下，氧气分压就是21X3=63kpa。90米深度是10个大气压，氧分压可达到210kpa，此时氧气毒性很大，为安全就需要降低氧气浓度，以减少氧分压。例如可以将氧浓度从21%降低到2.1%，在10个大气压下，氧分压可达到21kpa，这类似常压空气的氧分压。

燃烧需要三个条件，燃料、氧气和火种，氢气和氧气混合时，两种气体浓度都不能低于4%才能燃烧。氧气是燃烧的条件，当低于4%的浓度时，即使增加大气压，也不会发生燃烧。所以当潜水深度增加到100米，即使4%的氧浓度可以达到44kpa氧分压，而这个浓度即使其他气体都是氢气也不会发生燃烧。在100米深度潜水，为避免氧气毒性，需要降低氧气浓度，可因为氧气浓度下降而无法燃烧，此时混合气中加入氢气就安全了。所以一般氢气潜水都在深度比较大的时候使用。

1789年拉瓦锡就报道，在常压下哺乳动物吸入氢气没有毒性，但动物也不能代谢氢气。氢气用于潜水有许多优点，例如密度比氦气小，呼吸阻力也比氦气小。氢气容易制备，价格便宜。有轻微麻醉作用，具有对抗高压神经综合征的作用。肠道内存在代谢氢气的甲烷菌等，氢气潜水时可利用细菌代谢途径进行生物减压。根据目前氢气生物学研究，氢气和羟基自由基反应也有利于减压，这也是值得深入研究的课题。