이산화탄소(Carbon Dioxide)와 다이빙

이산화탄소 중독(CO2 poisoning)이라고 부르기도 하는 과탄산혈증(Hypercapnia)은 OC (Open Circuit / 개방식) 호흡기와 Closed Circuit (폐쇄식) 호흡기를 사용하는 다이버 모두에게 큰 위험으로 존재한다.

이산화탄소 중독은 치명적인 결과를 초래할 수 있으나 대부분의 다이빙 교육 프로그램에서는 자세하게 다루어지고 있지 않은 부분이기도 하다.

다이빙시에 이산화탄소 중독이 발생하는 원인을 알아보고 방지 대책도 생각 해 본다.

기본 호흡 생리

인간은 수면에서 약 22.5리터의 공기를 폐로 호흡하는 동안 약 1리터의 산소(O2)를 흡수하여 ‘물질대사’를 한다 (O2 metabolism / 조직이 산소를 흡수하여 에너지를 만드는 과정).

호흡량이 많아지면 그만큼 폐로 들어오고 나가는 기체의 양은 증가하고 산소 흡수도 많아지게 된다.

예를 들어 분당 호흡량(RMV = Respiratory Minute Volume)이 20리터, 즉 SAC(Surface Air Consumption)가 20리터라면 분당 약 0.89리터의 산소를 대사시킨다. 만약 호흡량이 40RMV라고 하면 약 1.78리터의 산소를 추출하게 될 것이다.

호흡 생리학적으로 보았을 때 CO2(이산화탄소)는 호흡 작용에 의해 배출되는 기체로 인간이 활동할 수 있도록 세포 조직이 산소와 연료(음식물)를 에너지로 변환하면서 발생하고 버려지는 물질이다.

인간이 1리터의 산소를 호흡하였을때 약 0.9리터의 CO2가 생성되는데 이러한 비율을 호흡 계수 (Respiratory Quotient / Respiratory Coefficient = RQ)라고 하며 탄수화물 섭취양이 많은 경우 비율이 증가하고 지방이 많이 포함된 경우에는 감소한다(다이빙시에 기름진 음식을 너무 많이 섭취하는것은 그다지 권장할 만한 사항이 아니다!).

CO2 생성량(VCO2)은 산소 흡수량(VO2)이 증가할 때 높아지며 RQ 범위와 일치한다. 여기서 한가지 기억해야 할 것은 산소 소모량, 즉 동일한 양의 에너지를 만들어야 하는 산소 원자의 갯수는 수심과 독립적이다.

결과적으로 호흡에 의해 흡수되는 산소의 양과 호흡 계수(RQ)는 수심과는 독립적이다. 지금까지의 알아본 것들로 다음과 같은 예의 계산을 해 볼 수 있다.

  • 30 RMV는 1.33리터의 VO2 (RMV 30 / 22.5 = 1.333)
  • 1.20 리터의 VCO2 (VO2 1.33 x 0.9 RQ = 1.197)

폐로 흡수된 산소는 혈액을 통해 몸의 조직으로 공급된다. 폐에서 기체 교환을 통해 흡수된 산소는 혈액의 적혈구에 있는 헤모글로빈( H b )에 의해 운반된다.

헤모글로빈은 산소의 농도가 높은 폐에서는 산소와 결합하였다가 산소 농도가 낮은 조직에서는 산소를 분리시켜 조직 세포에 산소를 공급한다.

그와 반면 CO2는 혈액을 통하여 조직으로부터 폐를 통하여 호흡시에 배출되게 된다. 이렇게 CO2가 혈액을 통해 움직일 때 3가지 메커니즘이 있다.

  • 혈장속으로 녹아든다.
  • 혈액속의 헤모글로민과 프로테인에 느슨하게 결합한다.
  • 화학적으로 bicarbonate (중탄산염)으로 변환되고 혈액이 폐포의 모세혈관에 도착할 때 원래대로 돌아간다.

호흡을 자극(촉진)하기 위해서는 혈액속에 적당량의 CO2가 있어야 하며 CO2양이 어느정도 증가하여도 배출이 균형을 이루는 경우에는 별다른 생리학적 효과는 나타나지 않는다.

즉, 운동중에 산소가 더 많이 소모되고 그만큼 늘어난 혈액속의 CO2가 호흡을 자극하여 배출을 증가시킨다. 결과적으로 우리의 RMV가 증가하는데 이것은 호흡량(한번에 호흡하는 전체 기체의 양)과 호흡 횟수 (분당 호흡 횟수)가 증가되는 것이다.

이렇게 정상적인 상황에서는 운동시에 발생하는 CO2와 배출이 어느정도 균형이 맞는것이며 다음과 같이 식으로 나타낼 수 있다.

PaCO2 = VCO2 / VA

  • PaCO2 = 동맥혈의 이산화탄소 부분압
  • VCO2 = 신체조직이 만들어내는 이산화탄소
  • VA = 폐포의 배출

수식을 통해서 짐작할 수 있듯이 폐포를 통한 배출량이 줄어들 경우 CO2 양이 증가하게 되는데 이것은 CO2 배출과 체내 CO2 축적에 직접적인 연관이 있으며 이산화탄소 중독을 이해하는데 가장 중요한 내용이기도 하다.

호흡 저항

다이빙시 발생하는 호흡 저항의 원인과 CO2 배출의 제한에 알아보자.

1. 혈액량의 재분배

일상 생활시에 중력에 의해 신체의 아래쪽에 쏠려 있던 혈액이 다이빙시 일반적인 자세, 수압, 혈관 수축등의 작용으로 중심부로 쏠리게 된다.

이러한 영향때문에 폐에 미세한 압력이 가해지고 이로 인해 호흡 저항은 높아지게 된다.

2. 수압 불균형

우리가 잘 아는것과 같이 물의 부피 1 세제곱미터는 약 1톤의 무게로 굉장히 무겁다. 물의 밀도 때문에 수직 간격간의 압력 차이도 큰 편이다.

우리가 다이빙시에 사용하는 대부분의 호흡기들이 이러한 수직 압력 차이에 영향을 받으며 이러한 현상을 Static Lung Load (SLL) 또는 Hydrostatic imbalance (수압 불균형)이라고 부른다.

호흡 주머니를 통해 호흡하는 재호흡기의 경우 이러한 수압 불균형 현상이 더 크게 작용하는데 호흡 주머니의 위치(예: 백마운트, 체스트 마운트)에 따라 불균형의 차이가 크다.

이와 같이 개방식 호흡기의 성능이나 재호흡기의 호흡 주머니의 위치등이 수압 불균형에 영향을 주며 호흡 저항을 증가시킨다.

3. 기체의 밀도

기체의 밀도는 수심과 선형으로 증가한다. 다이버가 수면에 비해 두배의 압력에 노출 될 때 기체의 밀도도 두배로 증가된다.

인간은 해수면의 공기(밀도가 낮은)를 호흡할 수 있도록 진화했다. 하지만 수심이 증가하면서 기체의 밀도가 증가하고 밀도가 높아진 기체를 옮기는 것(호흡)은 더 많은 에너지를 필요로 한다.

다이빙 시에는 호흡 자체가 운동 부하의 요인이 되는데 이것은 압력에 의해 밀도가 증가된 기체는 흐름의 저항도 증가하게 되어 그만큼 호흡시에 사용되는 모든 근육들의 운동량도 증가하게 되는 것이다.

“수심이 증가할 수록 배출할 수 있는 기체의 양이 줄어든다”는 매우 중요한 사실로 수심 30m에서 수면보다 약 50%가 줄어들고 45m 수심에서는 33% 밖에는 되지 않는다.

결과적으로 깊은 수심에서는 이산화탄소(CO2) 배출량이 줄어들게 된다. 조직이 필요한 산소와 대사에 따른 CO2 생산량은 수심과는 독립적이므로 결국 수심이 깊어질 수록 이산화탄소 배출량이 줄어든다는 의미이다.

위 그래프는 재압 챔버에서 가벼운 활동복을 입고 실제로 측정한 결과이며 다이빙시에 착용하는 드라이수트, 웻수트 또는 하네스의 압박에 의해 폐의 탄력(Lung elastance)이 줄어 들기 때문에 실제 다이빙시에는 이산화탄소 배출 능력이 더욱 저하 될 수 있다.

기체 밀도의 상승과 기체 배출 능력의 저하는 “Deep water blackout” 즉, “이산화탄소 배출 능력 저하로 인한 의식 상실”로 이미 잘 알려져 있는 내용이다.

4. 호흡 저항의 원인들

호흡은 폐를 움직이는 근육에 의해 이루어지고 사용되는 에너지는 다음 조건들에 의해 달라진다.

  • 밀도 : 기체의 밀도는 수심이 증가할 수록 높아진다.
  • 저항 : 기체의 저항은 밀도가 높아질 수록 증가한다.
  • 속도 : 기체의 속도는 저항이 높아질 수록 낮아진다.
  • 수압 불균형에 의한 호흡 저항의 상승

결국 수심이 증가할 수록 다이버가 수면과 동일한 호흡을 유지하기 위해서는 더 많은 에너지를 필요로 한다는 뜻이된다.

이산화탄소 중독의 생리적 영향

혈액에 CO2 수치가 증가하면 호흡을 자극하게 된다. 공기중에는 약 0.033% (0.00033 bar/ata)의 CO2가 존재하는데 이것은 우리의 호흡을 자극하는데 충분한 양이다.

만약 PCO2 (이산화탄소 부분압)가 0.02bar 정도만 상승해도 호흡 속도가 빨라지게 되고 호흡 곤란(dyspnea)를 유발 시킬 수 있다.

만약 PCO2가 0.1bar로 상승하면 혼란 증상과 상황 판단이 느려지거나 졸음이 올 수 있다. PCO2가 0.15bar에 이르면 호흡 곤란, 근육 경련등의 증상이 나타나며 이산화탄소가 계속 축적되면 결국 의식을 잃게 되어 익사할 수 있는 치명적인 상황이 된다.

이산화탄소는 혈관 확장제(vasodilator)이기도 하다, 즉 혈관을 확장시키고 이로 인해 혈액의 흐름이 빨라진다. 결과적으로 신체 조직, 특히 뇌로 더 많은 질소를 공급하게 되어 질소 마취를 가속시키는 역할을 한다(공기로 다이빙하는 수심을 제한해야 하는 이유).

참고로 이산화탄소 자체도 마취 효과가 질소보다 더 강하다.

이산화탄소 축적에 의해 불활성 기체(질소)가 조직으로 녹아 들어가는 양이 많아지고 가속될 수 있으므로 이러한 상황이 일정 시간 유지될 경우 우리가 일반적으로 사용하는 감압 알고리즘에 변수로 작용하여 결과적으로는 감압병의 위험성도 커지게 된다.

또한 이산화탄소에 의해 뇌의 혈관이 확장되어 있는 상태에서 높은 부분압의 산소를 호흡할 경우 산소가 뇌로 과다 공급되어 “중추신경계 산소 중독(CNS O2 Toxicity)”의 위험성도 높아질 수 있다.

이산화탄소 중독의 증상으로 나타날 수 있는 두통, 구역질, 가슴 근육 통증등은 증상이 오래 지속 될 수 있으며 호흡 건너 뛰기, 장비의 호흡 저항과 과도한 신체 활동은 문제를 더욱 악화시킬 수 있다.

이산화탄소 중독의 방지

지금까지의 내용으로 이해할 수 있듯이 체내의 이산화탄소 과다 축적은 다이빙시에 대단히 위험한 상황을 만들 수 있기 때문에 최대한 미리 예방하는 것이 좋다.

  • 공기로 다이빙하는 수심을 줄여라.
  • 헬륨을 사용하라. 헬륨은 가벼운 기체로 호흡 저항을 줄여준다.
  • 알맞는 호흡 방법. 숨참기, 호흡 건너 뛰기등의 좋지 않은 버릇을 버려야 함.
  • 활동량을 최소화 한다.
  • 이산화탄소 중독의 다음 증상들에 대해서 자각(자기 인식)하라.

“호흡이 빨라짐, 심장이 빨리뜀, 호흡이 가쁘다, 공포, 시야가 좁아짐, 단순한 일이 힘들다, 어지럼증, 두통”

하지만 이러한 증상을 느끼기 전에 갑자기 정신을 잃을 수도 있으므로 항상 조그마한 이상에도 주의를 기울이는 것이 좋다.

다이빙시 무엇인가 이상하다는 느낌이 든다면 그것은 정말로 위험한 상황의 초기 증세 일 수도 있다는 것을 기억하자.

약간이라도 이상을 느끼면 즉시 움직임을 멈춘 후 본인의 호흡이 정상인지 확인하고 이상을 느꼈을 때 깊은 수심에서 가능한 벗어나는 것이 좋다.

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