Atmosféra, zkráceně atm, je jednotka tlaku široce používaná v potápění pro vyjádření tlaku vzduchu nebo vody. Jedna atmosféra odpovídá atmosférickému tlaku na hladině moře při standardních podmínkách, což je přibližně 101 325 pascalů nebo 1,01325 baru. V potápění se atmosféra používá k popisu tlaku, kterému je potápěč vystaven v různých hloubkách, a k výpočtům souvisejícím se spotřebou vzduchu, dekompresními limity a fyziologickými efekty. Jednotka atm umožňuje snadno pochopit, jak se tlak zvyšuje s hloubkou. Každých přibližně 10 m hloubky ve slané vodě přidává 1 atm tlaku. Na hladině je tlak 1 atm, v hloubce 10 m je 2 atm, ve 20 m je 3 atm a tak dále. Tato znalost je základní pro bezpečné plánování ponorů a pochopení fyziologických procesů probíhajících v těle potápěče.
Definice a fyzikální základ
Atmosféra jako jednotka tlaku je konvenčně definovaná referenční hodnota odvozená od hmotnosti vzduchového sloupce nad zemským povrchem. Standardní atmosférický tlak na hladině moře při teplotě 15 °C je definován jako 1 atm.
V mezinárodním systému jednotek SI není atmosféra oficiální jednotkou. Základní jednotkou tlaku je pascal (Pa). Přesto se atmosféra v potápění nadále hojně používá kvůli své praktičnosti a intuitivnosti.
Převodní vztahy:
- 1 atm = 101 325 Pa
- 1 atm = 1,01325 bar
- 1 atm = 14,696 psi (pounds per square inch)
- 1 atm = 760 mmHg (milimetrů rtuťového sloupce)
- 1 atm = 10,33 m vodního sloupce (sladká voda)
- 1 atm = přibližně 10 m vodního sloupce (slaná voda, aproximace)
V praktickém potápění se často zaměňuje 1 atm s 1 bar, protože rozdíl je zanedbatelný pro rekreační účely. Technicky je 1 bar = 100 000 Pa, tedy mírně méně než 1 atm. Pro většinu výpočtů v rekreačním potápění je tento rozdíl irelevantní.
Absolutní vs. manometrický tlak
V potápění rozlišujeme mezi absolutním a manometrickým tlakem. Toto rozlišení je kritické pro správné výpočty a bezpečnost.
Absolutní tlak (ATA – atmospheres absolute): Celkový tlak působící na těleso. Zahrnuje atmosférický tlak na hladině plus tlak vodního sloupce. Absolutní tlak vyjadřuje skutečný tlak, kterému je potápěč vystaven.
Zjednodušený vzorec pro mořskou vodu: ATA = (hloubka v metrech ÷ 10) + 1
Příklady:
- Hladina (0 m): 1 ATA
- Hloubka 10 m: 2 ATA
- Hloubka 20 m: 3 ATA
- Hloubka 30 m: 4 ATA
- Hloubka 40 m: 5 ATA
Manometrický tlak (angl. gauge pressure): Tlak měřený nad atmosférickým tlakem. Manometry na potápěčských lahvích ukazují manometrický tlak. Když manometr ukazuje 200 bar, je skutečný absolutní tlak v lahvi 201 bar (200 + 1 atm okolního tlaku).
Pro fyziologické výpočty a dekompresní plánování je nutné používat absolutní tlak. Parciální tlaky plynů, rozpouštění dusíku v tkáních a dekompresní algoritmy pracují s absolutními hodnotami.
Tlak a hloubka
Vztah mezi tlakem a hloubkou je lineární. Každých přibližně 10 m vodního sloupce přidává 1 atm tlaku.
Tento princip vyplývá z hydrostatického tlaku: P = ρ × g × h
Kde:
- P = tlak
- ρ = hustota kapaliny (vody)
- g = gravitační zrychlení (9,81 m/s²)
- h = hloubka
Pro slanou vodu (hustota cca 1 025 kg/m³) je změna tlaku přibližně 1 bar na 10 m. Pro sladkou vodu (hustota 1 000 kg/m³) je změna mírně menší – 1 bar na 10,33 m.
V praxi se pro jednoduchost používá aproximace 10 m = 1 atm pro obě typy vody. Tento rozdíl je zanedbatelný pro rekreační potápění do hloubek 30–40 m.
Praktický příklad: V hloubce 30 m je absolutní tlak 4 ATA. To znamená, že vzduch v plicích potápěče má čtyřikrát větší hustotu než na hladině. Stejný objem plic obsahuje čtyřikrát více molekul vzduchu. Proto je spotřeba vzduchu z lahve ve 30 m také čtyřikrát vyšší než na hladině.
Vliv tlaku na lidské tělo
Změny tlaku během ponoru mají zásadní fyziologické dopady na lidské tělo.
Stlačitelné prostory: Tělo obsahuje dutiny naplněné vzduchem. Při změně tlaku se objem těchto dutin mění podle Boyleova zákona.
Boyleův zákon: P₁ × V₁ = P₂ × V₂
Při konstantní teplotě je součin tlaku a objemu plynu konstantní. Když se tlak zdvojnásobí, objem se zmenší na polovinu.
Praktické důsledky:
Při sestupu (zvyšování tlaku):
- Vzduch v plicích, masce, středním uchu a dutinách se stlačuje
- Je nutné vyrovnávat tlak v masce (výdechem nosem) a uších (Valsalvův manévr nebo jiné techniky)
- Neopren se stlačuje, snižuje se jeho izolační schopnost
Při výstupu (snižování tlaku):
- Vzduch v dutinách se rozpíná
- Nutno vydechovat při výstupu, aby nedošlo k přetlaku v plicích
- BCD žaket je nutné postupně vypouštět
Největší relativní změna objemu: Mezi hladinou (1 ATA) a 10 m (2 ATA) dochází ke 100% změně tlaku. Objem se změní na polovinu. To je důvod, proč jsou poslední metry výstupu nejkritičtější. Mezi 40 m (5 ATA) a 30 m (4 ATA) je změna pouze 20 %.
Parciální tlaky plynů: Daltonův zákon říká, že celkový tlak směsi plynů je součtem parciálních tlaků jednotlivých složek.
Vzduch obsahuje přibližně 21 % kyslíku a 79 % dusíku (zanedbáváme argon a stopové plyny pro potápěčské účely). Na hladině (1 ATA):
- Parciální tlak kyslíku (ppO₂) = 0,21 ATA
- Parciální tlak dusíku (ppN₂) = 0,79 ATA
V hloubce 30 m (4 ATA):
- ppO₂ = 0,84 ATA
- ppN₂ = 3,16 ATA
Vyšší parciální tlak dusíku vede k většímu rozpouštění dusíku v tělních tkáních podle Henryho zákona, který říká, že množství plynu rozpuštěného v kapalině je přímo úměrné parciálnímu tlaku tohoto plynu nad kapalinou. To je základem pro vznik dekompresní nemoci a potřebu dodržovat bezdekompresní limity nebo provádět dekompresní zastávky.
Vysoký parciální tlak kyslíku může být toxický. Proto techničtí potápěči používají směsi s nižším obsahem kyslíku (trimix) pro hloubky přes 40–50 m.
Tlak a spotřeba vzduchu
Spotřeba vzduchu přímo závisí na absolutním tlaku. To je klíčový faktor při plánování délky ponoru.
Minutová ventilace (angl. respiratory minute volume, RMV): Objem vzduchu, který spotřebujete za minutu na hladině při normální aktivitě. Typicky 15–25 litrů za minutu pro dospělého potápěče v klidu.
Surface Air Consumption (SAC): Podobný koncept jako RMV, používaný pro výpočet spotřeby z lahve.
Výpočet skutečné spotřeby: Spotřeba na hladině × absolutní tlak = skutečná spotřeba
Příklad: RMV na hladině: 20 l/min Hloubka 30 m (4 ATA): 20 × 4 = 80 l/min
Pokud máte lahev s 200 bar a objemem 12 litrů, obsahuje 2 400 litrů vzduchu (200 × 12). V hloubce 30 m s RMV 20 l/min: 2 400 ÷ 80 = 30 minut teoreticky
Prakticky je nutné počítat s rezervou pro výstup, bezpečnostní zastávku a možné komplikace. Reálný čas na dně by byl 15–20 minut.
Použití v dekompresních výpočtech
Dekompresní tabulky a potápěčské počítače pracují s absolutním tlakem pro výpočet saturace a desaturace dusíku v tkáních.
Bezdekompresní limity (angl. no-decompression limits, NDL): Maximální čas, který lze strávit v určité hloubce bez nutnosti dekompresních zastávek. NDL limity jsou kratší při větších hloubkách kvůli vyššímu parciálnímu tlaku dusíku.
Příklady NDL podle PADI RDP tabulek (zaokrouhlené hodnoty):
- 10 m (2 ATA): 219 minut
- 18 m (2,8 ATA): 56 minut
- 30 m (4 ATA): 20 minut
- 40 m (5 ATA): 9 minut
Poznámka: Jiné certifikační agentury mohou mít mírně odlišné hodnoty podle použitých algoritmů.
Víceúrovňové ponory: Moderní potápěčské počítače sledují změny hloubky a tlaku v reálném čase. Vypočítávají saturaci pro různé tkáňové kompartmenty s různými poločasy.
Při víceúrovňovém ponoru (například 15 minut ve 30 m, pak 20 minut ve 20 m, pak 15 minut v 10 m) počítač průběžně upravuje NDL limity podle aktuálního tlaku a celkové saturace.
Tlak a nitrox
Nitrox je obohacený dýchací plyn s vyšším obsahem kyslíku než standardních 21 %. Běžné směsi jsou EAN32 (32 % O₂) a EAN36 (36 % O₂).
Výhody nitroxu:
- Nižší parciální tlak dusíku = delší NDL limity
- Nižší celková saturace dusíkem
- Rychlejší desaturace mezi ponory
Rizika nitroxu: Kyslíková toxicita při vysokých parciálních tlacích. Limit pro rekreační potápění je ppO₂ = 1,4 ATA, pro technické potápění až 1,6 ATA.
Maximální provozní hloubka (angl. Maximum Operating Depth, MOD): Maximální hloubka pro danou směs nitroxu. Vzorec pracuje s absolutním tlakem (ATA).
MOD = ((maximální ppO₂ ÷ % O₂) – 1) × 10
Příklad pro EAN32 s limitem 1,4 ATA: MOD = ((1,4 ÷ 0,32) – 1) × 10 = 33,75 m
Pro EAN36: MOD = ((1,4 ÷ 0,36) – 1) × 10 = 28,9 m
Překročení MOD vede k riziku kyslíkových křečí, které mohou být pod vodou fatální.
Tlak a technické potápění
Techničtí potápěči pracují s daleko širším rozsahem tlaků a různými dýchacími směsmi.
Hluboké ponory: Ponory přes 40 m vyžadují speciální plynové směsi. Vzduch není vhodný kvůli:
- Dusíkové narkóze (zvyšuje se s tlakem)
- Kyslíkové toxicitě
- Vysoké hustotě plynu (ztížené dýchání)
Trimix: Směs kyslíku, helia a dusíku. Helium snižuje narkotický efekt a hustotu dýchací směsi. Například trimix 18/45 (18 % O₂, 45 % He, 37 % N₂) se používá typicky pro ponory do hloubek kolem 55–65 m.
Dekompresní ponory: Ponory přesahující NDL limity. Vyžadují plánované dekompresní zastávky na různých hloubkách (tlacích) pro bezpečnou desaturaci dusíku.
Ilustrativní příklad dekompresního profilu (konkrétní zastávky závisí na algoritmu a použitých plynech):
- Dno: 60 m (7 ATA) po dobu 20 minut
- Dekompresní zastávky: 21 m, 15 m, 12 m, 9 m, 6 m, 3 m
- Celkový čas dekomprese: 60–90 minut
Rebreathery: Uzavřené nebo polouzavřené dýchací systémy. Udržují konstantní parciální tlak kyslíku (typicky 1,2–1,3 ATA) napříč různými hloubkami přidáváním čistého kyslíku.
Měření a monitorování tlaku
Potápěči používají několik přístrojů pro měření tlaku.
Hloubkoměr: Měří hloubku, ze které se odvozuje tlak. Moderní elektronické hloubkoměry používají piezorezistivní senzory. Starší mechanické hloubkoměry pracují na principu Bourdonovy trubice nebo membránového mechanismu.
Manometr: Ukazuje tlak vzduchu v lahvi. Důležité je rozlišovat mezi tlakem v lahvi a okolním tlakem. Regulátor snižuje vysoký tlak z lahve (150–200 bar) na okolní tlak prostřednictvím dvou stupňů redukce.
Potápěčský počítač: Kombinuje měření hloubky (tlaku), času a teploty. Vypočítává saturaci dusíku v tkáních na základě aktuálního tlaku a historie ponoru. Moderní počítače podporují multigas módy pro nitrox a trimix směsi.
Kalibrovaná hloubka vs. skutečný tlak
Potápěčské přístroje jsou kalibrovány pro slanou vodu (hustota 1 025 kg/m³). Při potápění ve sladké vodě (hustota 1 000 kg/m³) je skutečný tlak mírně nižší než ukazovaná hloubka.
Příklad: Ukazovaná hloubka: 30 m Skutečný tlak ve sladké vodě: 3,97 ATA (ne 4 ATA)
Tento rozdíl je zanedbatelný pro rekreační potápění. Dekompresní počítače používají konzervativní přístup a počítají s ukazovanou hloubkou, což vytváří bezpečnostní rezervu.
Při potápění ve vysoké nadmořské výšce (horská jezera) je nutné počítat s nižším atmosférickým tlakem na hladině. Potápěčské počítače mají speciální módy pro nadmořskou výšku.
Praktické tipy pro potápěče
Plánování spotřeby vzduchu: Vždy počítejte s pravidlem třetin nebo polovin. Třetina/polovina vzduchu pro cestu tam, třetina/polovina pro cestu zpět, třetina jako rezerva. Ve větších hloubkách (vyšších tlacích) spotřeba vzduchu roste rychleji.
Sledování hloubky: Věnujte pozornost maximální hloubce ponoru. I krátký výlet o 5 m hlouběji může výrazně zkrátit NDL limit.
Bezpečnostní zastávka: Bezpečnostní zastávka na 5 m (1,5 ATA) po dobu 3–5 minut umožňuje částečnou desaturaci dusíku. Doporučená i pro bezdekompresní ponory.
Kontrolovaný výstup: Rychlost výstupu maximálně 9 m/min. Při rychlejším výstupu může dusík v tkáních vytvářet bubliny rychleji, než tělo stačí eliminovat. Absolutní změna tlaku je největší v mělčích hloubkách.
Vyrovnávání tlaku: Začněte vyrovnávat tlak v uších už při prvních metrech sestupu. Nikdy nesestupujte s bolestí nebo tlakem v uších. V opačném případě riskujete poškození ušního bubínku nebo vnitřního ucha.
Převodní tabulka tlakových jednotek
| ATA | bar | psi | kPa | m H₂O |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 1,01 | 14,7 | 101,3 | 10,3 |
| 2 | 2,03 | 29,4 | 202,7 | 20,6 |
| 3 | 3,04 | 44,1 | 304,0 | 30,9 |
| 4 | 4,05 | 58,8 | 405,3 | 41,2 |
| 5 | 5,07 | 73,5 | 506,6 | 51,5 |
Historický kontext
Jednotka atmosféra byla poprvé definována v 19. století. Původně sloužila jako referenční tlak pro meteorologické a vědecké účely.
V potápění se atmosféra začala používat s rozvojem moderního scuba vybavení v polovině 20. století. Tehdy vědci jako Jacques-Yves Cousteau a Émile Gagnan vyvinuli první funkční regulátor s dvoustupňovou redukcí tlaku.
První dekompresní tabulky vypracoval John Scott Haldane v roce 1908. Používal tkáňové kompartmenty s různými poločasy saturace dusíku. Moderní dekompresní algoritmy stále vycházejí z Haldaneova modelu, i když s výraznými vylepšeními.
S příchodem elektronických potápěčských počítačů v 80. letech 20. století se výpočty saturace a desaturace staly dostupnější a přesnější. Dnes většina rekreačních potápěčů používá počítače namísto tabulek.
Meta popis: Atmosféra (atm) je jednotka tlaku v potápění. Každých 10 m hloubky přidává cca 1 atm. Základní pro výpočty spotřeby a dekomprese.
Použité zdroje:
- PADI Open Water Diver Manual – Physics of Diving
- SSI Science of Diving Manual
- U.S. Navy Diving Manual Revision 7
- DAN (Divers Alert Network) – Pressure and Diving Physiology
- Bühlmann Decompression Theory and Application
- EN 250 – Respiratory equipment for diving