La plongée sous-marine est une activité fascinante qui permet d'explorer les profondeurs des océans, des lacs et des grottes. Cependant, cette exploration est intrinsèquement liée à la capacité du plongeur à respirer sous l'eau, ce qui nécessite l'utilisation de gaz spéciaux, compressés et adaptés aux contraintes de l'environnement subaquatique. L'air que nous respirons en surface est composé de divers gaz, et comprendre leur comportement sous pression est fondamental pour la sécurité et l'efficacité des plongées. Au-delà du simple air comprimé, la technologie de la plongée a évolué pour offrir une gamme de mélanges gazeux, chacun conçu pour des profondeurs, des durées ou des objectifs spécifiques. Ces mélanges, tels que le Nitrox, le Trimix, l'Héliox, et même l'Hydrox, transforment la pratique de la plongée, ouvrant de nouvelles perspectives tout en imposant des règles strictes de préparation, d'identification et d'utilisation pour garantir la sécurité des plongeurs.
L'univers de la plongée aux mélanges autres que l'air englobe diverses techniques, allant de l'enrichissement en oxygène à l'introduction de gaz inertes plus légers que l'azote. Ces innovations ont permis de repousser les limites de l'exploration sous-marine, mais elles s'accompagnent de défis physiologiques, logistiques et réglementaires importants. De la simple plongée récréative à l'exploration technique des abysses, le choix du gaz respiratoire est une décision cruciale qui impacte directement la physiologie du plongeur, sa sécurité et la planification de son immersion. Cet article explore les différents gaz utilisés en plongée sous-marine, leurs propriétés, leurs implications physiologiques et les exigences de sécurité qui les entourent.
I. L'Air, Point de Départ de la Respiration Sous-Marine
L'air, mélange gazeux omniprésent dans notre environnement, est le point de départ de toute réflexion sur la respiration sous-marine. Dans la nature, l'air est composé de divers gaz, dont 20,95 % en volume d'oxygène, 78,09 % en volume d'azote et les 0,96 % restants en volume de dioxyde de carbone et d'argon. Ces pourcentages sont souvent arrondis à 21 % d'oxygène et 79 % d'azote pour des raisons de simplicité dans le contexte de la plongée loisir. Pour plonger, cet air est mis sous pression en bouteille, devenant ainsi de l'air comprimé normal. Il est comprimé dans des cylindres à l'aide de compresseurs à haute pression et n'est filtré que pendant le processus de compression pour le débarrasser des impuretés typiques et de l'excès d'humidité.
Un concept fondamental en plongée est celui de la pression partielle. La pression partielle d'un gaz est proportionnelle à l'augmentation de la pression ambiante. En surface, la pression partielle de l'azote (PpN2) est de 0,78 bar et l'oxygène (PpO2) est de 0,209 bar avec de petites contributions d'autres gaz. Lorsque le plongeur descend, la pression ambiante augmente, et avec elle, la pression partielle de chaque gaz dans le mélange respiré. Cette augmentation de pression a des conséquences directes sur le corps humain. Par exemple, le gaz dans les cavités du corps comme les poumons, les sinus, l'oreille moyenne et l'intestin est comprimé pendant la descente et se dilate pendant la remontée. Pour illustrer, un volume de gaz intra-thoracique de 6 litres serait comprimé à 2 litres à 20 mètres de profondeur (3 bars) et 1,5 litres à 30 mètres de profondeur (4 bars). C'est pourquoi la gestion de la flottabilité et le respect des vitesses de remontée sont si importants pour éviter des barotraumatismes.
Il est important de dissiper une idée reçue : les bouteilles que les plongeurs portent sur leur corps sont communément appelées "bouteilles d'oxygène". Mais en fait, lorsque les plongeurs font des plongées peu profondes, ils portent une bouteille d'air comprimé. L'oxygène pur est rarement utilisé comme gaz respiratoire principal à la place de l'air en plongée en circuit ouvert en raison des risques liés à son hyperoxie à des profondeurs relativement faibles.
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II. La Diversité des Mélanges Respiratoires : Au-delà de l'Air Comprimé
La plongée aux mélanges autres que l'air englobe diverses techniques, chacune offrant des avantages et présentant des contraintes spécifiques. Les principaux gaz utilisés en plongée sont l'oxygène, l'azote et l'hélium. L'azote et l'hélium sont des diluants pour l'oxygène, permettant de contrôler la pression partielle de l'oxygène et de l'azote afin d'éviter les phénomènes de toxicité.
A. Le Nitrox : Sécurité et Confort Accrus en Plongée Loisir
Le terme "NITROX" vient de la contraction des mots "nitrogen" (azote en anglais) et "oxygen". Le Nitrox est un mélange gazeux enrichi en oxygène. Concrètement, dès que votre mélange respiré contient plus de 21 % d'oxygène (par opposition aux 20,95 % de l'air atmosphérique, qui contient environ 78,09 % d'azote), vous respirez du Nitrox. Une plongée au Nitrox est réalisée avec un air enrichi en oxygène (O2) et appauvri en azote (N2), ce qui diminue les risques de narcose à l'azote. Un mélange Nitrox se caractérise par deux nombres, par exemple : 32/68, indiquant 32 % d'oxygène et 68 % d'azote.
Contrairement aux idées reçues, respirer du Nitrox ne permet pas de plonger plus profond mais de réduire significativement la quantité d'azote absorbée par l'organisme lors d'une plongée. À temps d'immersion égal avec une plongée à l'air, la saturation en azote de l'organisme est moindre. Cela a plusieurs avantages majeurs pour le plongeur :
- Réduction des risques d'accidents de désaturation: Le pourcentage d'azote étant moins élevé dans le Nitrox que dans l'air, la respiration est donc facilitée et le corps absorbe moins d'azote. Votre désaturation en azote après la plongée est donc plus courte.
- Diminution de la fatigue de fin de plongée: Cette fatigue est liée en grande partie à l'élimination de l'azote en excès. En utilisant du Nitrox, les plongeurs se sentent également moins fatigués après la plongée.
- Optimisation des plongées successives: Lors de plongées multiples sur la même journée, comme c'est souvent le cas lors de stages de formation ou de séjours sous les tropiques, utiliser du Nitrox réduit considérablement la quantité d'azote accumulée et permet de réduire l'intervalle de surface entre les plongées.
Son principal inconvénient est son prix, car la préparation du mélange est plus complexe que le simple air comprimé. De plus, le Nitrox limite votre profondeur par rapport à une plongée réalisée avec de l'air atmosphérique. En effet, la pression subie par le plongeur augmente avec la profondeur. La pression partielle d'oxygène ne doit pas dépasser 1,6 bars (1,4 bars en plongée loisir) au risque de provoquer un accident de plongée appelé hyperoxie. Plus le pourcentage d'oxygène est élevé dans votre Nitrox, moindre sera la profondeur maximale de votre plongée. Par exemple, avec un Nitrox contenant 40 % d'oxygène, la profondeur maximale sera de 25 mètres. La Profondeur Maximale d'Utilisation (PMU) du Nitrox dépend du pourcentage d'oxygène dans le mélange, généralement entre 1,3 et 1,5 bar, 1,6 bar étant la limite acceptée pour la PpO2. Les ordinateurs de plongée facilitent ce calcul. Par contre, la Limite de Non Décompression (LND) sera fortement augmentée.
Le risque d'hyperoxie impose une formation spécifique à l'utilisateur du Nitrox. En plongée loisir, il existe la qualification Nitrox de base (un seul mélange) où vous apprenez à vérifier le taux d'oxygène du mélange utilisé et à déterminer la profondeur maximale de votre plongée. Lorsque la palanquée compte un plongeur respirant du Nitrox, l'encadrant (guide ou enseignant) doit impérativement posséder la qualification PN-C. De même, le Directeur de Plongée (DP) pour les plongées au Nitrox doit obligatoirement détenir la qualification PN-C.
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B. Le Trimix et l'Héliox : Pour les Profondeurs et la Réduction des Risques
Pour les plongées plus profondes où la narcose à l'azote et l'hyperoxie deviennent des préoccupations majeures, les plongeurs se tournent vers des mélanges gazeux plus complexes. Le Trimix est un mélange de trois gaz : azote, oxygène et hélium. L'Héliox, quant à lui, est composé d'oxygène et d'hélium. L'utilisation de ces mélanges sort le plongeur du cadre de la plongée loisir et s'inscrit dans la plongée technique.
L'introduction de l'hélium dans les mélanges gazeux présente des avantages significatifs :
- Réduction de la narcose à l'azote: L'hélium est un gaz inerte moins narcotique que l'azote. En diminuant la proportion d'azote dans le mélange respiré et en y intégrant de l'hélium, on réduit ainsi les risques d'ivresse des profondeurs.
- Réduction des risques d'essoufflement: En utilisant des mélanges gazeux à base d'hélium, la densité du gaz respiré est moindre, ce qui réduit l'effort respiratoire et, par conséquent, les risques d'essoufflement, surtout à grande profondeur où la densité des gaz comprimés est très élevée.
- Accès à des profondeurs plus importantes: Plonger avec du Trimix permet de repousser le risque de narcose mais également d'hyperoxie, permettant ainsi de dépasser les profondeurs maximales autorisées avec l'air ou le Nitrox. En France, la plongée à l'air est limitée à 60 mètres (40 mètres dans les règles PADI). Utiliser du Trimix permettra de dépasser ces profondeurs, avec une limite à 90 mètres pour les plongeurs qualifiés "Trimix normoxique" et 120 mètres pour les plongeurs qualifiés "Trimix hypoxique".
L'utilisation du Trimix nécessite une formation spéciale ainsi qu'un âge minimum de 18 ans. La "formation Trimix" (Trimix normoxique) permet d'utiliser des mélanges avec un minimum de 18 % d'oxygène associé à de l'hélium entre 20 et 40 % selon les plongées. Les plongées à l'hélium présentent une particularité réglementaire : la réglementation ne tient pas compte du fait que certains mélanges sont hypoxiques et donc non respirables avant une certaine profondeur. Il est donc crucial de connaître la composition exacte du mélange et de planifier la plongée en conséquence.
Pour les plongées au Trimix ou à l'Héliox, le Directeur de Plongée (DP) doit être au moins E3 + PTH-120 pour les profondeurs allant jusqu'à 40 m en enseignement et 70 m en exploration. Pour l'exploration, des qualifications spécifiques sont requises : minimum E3 + PTH-40 pour 0 à 40 m ; E4 + PTH-70 pour 0 à 70 m ; E4 + PTH-120 pour 0 à 80 m.
Cependant, l'utilisation du Trimix et de l'Héliox n'est pas sans inconvénients. Le matériel du plongeur est alourdi, souvent avec deux bouteilles de Trimix dans le dos pour une meilleure autonomie et une (ou des) bouteilles de décompression (Nitrox) sur le ventre utilisées lors de la remontée vers la surface. Outre les problèmes de dos pouvant survenir lors de la mise à l'eau et de la sortie du plongeur, le risque d'essoufflement est accru lors des déplacements en immersion, même si l'hélium réduit ce risque par sa faible densité, la quantité de matériel peut compliquer les choses. Enfin, en cas d'incident en plongée, il est très difficile d'intervenir sur un plongeur suréquipé pour l'assister jusqu'au retour en surface. Pour cela, des formations sont indispensables afin de préparer au mieux le plongeur dans la planification de la plongée (préparation du mélange) et la gestion des risques.
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C. L'Hydrox : L'Exploration des Très Grandes Profondeurs
L'Hydrox est un mélange gazeux (hydrogène-oxygène) utilisé en plongée sous-marine très profonde. Il permet de descendre à plusieurs centaines de mètres de profondeur. Il est principalement utilisé par des professionnels lors de plongées de prospections et d'études scientifiques, dans des contextes très spécifiques où les profondeurs atteintes excluent l'utilisation d'autres mélanges. L'hydrogène, comme l'hélium, est un gaz léger et peu narcotique, mais il présente des défis de sécurité supplémentaires en raison de son inflammabilité.
D. L'Oxygène Pur : Un Gaz Spécifique pour des Utilisations Ciblées
L'oxygène pur est également un gaz respiratoire utilisé en plongée, mais ses applications sont très spécifiques. Il est couramment utilisé dans les paliers de décompression, notamment pour accélérer l'élimination de l'azote du corps, ou dans les recycleurs, où il est mélangé avec d'autres gaz pour maintenir une pression partielle d'oxygène constante et sûre. Pour éviter toute confusion potentiellement mortelle, chaque bouteille de plongée doit clairement afficher le gaz qu’elle contient. Les bouteilles d’oxygène pur sont étiquetées Oxygen ; 100% Oxygen ou Oxygen. Lorsque les bouteilles sont remplies de gaz dont la teneur en oxygène est supérieure à celle de l'air, une attention supplémentaire doit être portée à leur propreté et aux lubrifiants et joints (o-rings) utilisés. Ceci est particulièrement important lorsque les bouteilles sont remplies d'oxygène pur ou de nitrox à plus de 40 %, c'est-à-dire les mélanges utilisés en plongée technique.
III. Principes Physiologiques et Risques Associés à la Respiration de Gaz Sous Pression
La respiration de gaz sous pression expose le corps humain à des contraintes physiologiques uniques, pouvant entraîner divers risques si les précautions nécessaires ne sont pas prises.
A. Les Pressions Partielles et Leurs Implications
Comme mentionné précédemment, la pression partielle (Pp) de chaque gaz respiré augmente avec la profondeur. Cette pression partielle est un facteur clé pour comprendre les effets des gaz sur le corps. Pour l'oxygène, la pression partielle ne doit pas dépasser 1,6 bars (1,4 bars en plongée loisir) au risque de provoquer un accident de plongée appelé hyperoxie. Pour l'azote, une pression partielle trop élevée (à partir de 3,2 bars environ) peut provoquer la narcose. Le calcul et la surveillance constante des pressions partielles sont donc essentiels pour une plongée en toute sécurité. Les ordinateurs de plongée modernes sont des outils précieux pour aider les plongeurs à gérer ces paramètres.
B. La Narcose à l'Azote ou "Ivresse des Profondeurs"
La narcose à l'azote, également appelée ivresse des profondeurs, est un état neurologique altéré causé par l'augmentation de la pression partielle d'azote dans le sang et les tissus à partir d'une certaine pression. Elle survient généralement à partir de 30 mètres chez les sujets les plus sensibles. Les symptômes peuvent inclure des troubles du jugement, une désorientation, une euphorie, une anxiété ou une perte de coordination, similaires à ceux de l'intoxication alcoolique. C'est pourquoi la réduction du pourcentage d'azote dans les mélanges comme le Nitrox ou le Trimix est un objectif majeur.
C. L'Hyperoxie : Danger de l'Excès d'Oxygène
L'hyperoxie est une élévation trop importante de la pression partielle d'oxygène dans l'organisme. Un excès d'oxygène, bien qu'essentiel à la vie, peut devenir toxique à des pressions partielles élevées. Les symptômes de la toxicité à l'oxygène peuvent inclure des spasmes musculaires, des troubles de la vision (vision en tunnel), des nausées, des étourdissements, et dans les cas les plus graves, des convulsions pouvant entraîner la noyade. C'est pourquoi la limite de 1,6 bar de PpO2 (ou 1,4 bar en plongée loisir) est une règle stricte en plongée et explique pourquoi le Nitrox ne permet pas de plonger plus profond, mais au contraire, peut limiter la profondeur en fonction de son pourcentage d'oxygène.
D. Impacts sur la Fonction Pulmonaire
L'exposition à la plongée, caractérisée par la respiration répétée de gaz dense, froid et sec, peut contribuer à des changements de la fonction pulmonaire. Il a été montré que les plongeurs avaient des volumes pulmonaires plus importants que les populations de référence standard, avec une augmentation plus importante de la CVF (capacité vitale forcée) que du VEMS (Volume Expiratoire Maximal par Seconde), entraînant ainsi une réduction du rapport VEMS / CVF. Ces changements affectent principalement la conductance des petites voies respiratoires. Cependant, il est important de noter que d'autres études plus récentes ont montré des résultats différents, soulignant la complexité de l'adaptation physiologique à la plongée.
E. Gestion de l'Azote et la Désaturation
L'accumulation d'azote dans les tissus corporels pendant la plongée et son élimination pendant la remontée (désaturation) est au cœur de la prévention des accidents de décompression. L'utilisation de mélanges comme le Nitrox, avec un pourcentage d'azote réduit, améliore la sécurité des plongeurs en réduisant les risques d'accidents de désaturation et diminue la fatigue de fin de plongée. L'élimination de l'azote en excès est un processus qui consomme de l'énergie et contribue à la sensation de fatigue. En contrôlant la quantité d'azote absorbée, on facilite et on raccourcit le processus de désaturation.
IV. Sécurité et Réglementation : Une Priorité Absolue en Plongée
La complexité des mélanges gazeux et les risques physiologiques associés imposent des mesures de sécurité et une réglementation strictes pour toutes les plongées autres qu'à l'air.
A. Identification Inéquivoque des Bouteilles
Pour éviter toute confusion potentiellement mortelle, chaque bouteille de plongée doit clairement afficher le gaz qu’elle contient. Cela doit être fait de manière visible et indélébile, sans possibilité d’ambiguïté. La réglementation n’impose pas de méthode d’identification précise ; un scotch ou un autocollant suffisent, à condition qu'ils soient clairs et durables.
Les bouteilles destinées à d’autres gaz portent des marquages spéciaux. Les bouteilles d’oxygène pur sont étiquetées Oxygen ; 100% Oxygen ou Oxygen. Les bouteilles remplies de Trimix, c’est-à-dire un mélange d’oxygène, d’hélium et d’azote, sont étiquetées TMx et la composition en pourcentage d’oxygène et d’hélium (la composition en pourcentage d’azote est implicitement complétée à 100%), par exemple TMx 20/30 (20% O2, 30% He, 50% N2). Le fabricant du gaz et l’utilisateur final doivent confirmer la composition du mélange respiratoire, ajoutant une couche de vérification essentielle.
B. Qualifications et Encadrement des Plongées aux Mélanges
La plongée aux mélanges gazeux nécessite des qualifications spécifiques pour les plongeurs et l'encadrement :
- Pour le Nitrox: Lorsque la palanquée compte un plongeur respirant du Nitrox, l'encadrant (guide ou enseignant) doit impérativement posséder la qualification PN-C. Le DP pour les plongées au Nitrox doit obligatoirement détenir la qualification PN-C.
- Pour le Trimix ou l'Héliox: Le DP doit être au moins E3 + PTH-120 pour les profondeurs allant jusqu'à 40 m en enseignement et 70 m en exploration. Pour l'exploration, les qualifications sont plus élevées : minimum E3 + PTH-40 pour 0 à 40 m ; E4 + PTH-70 pour 0 à 70 m ; E4 + PTH-120 pour 0 à 80 m. Ces niveaux de qualification garantissent que le personnel encadrant possède les compétences et l'expérience nécessaires pour gérer les complexités de ces plongées.
C. Équipement et Préparation des Bouteilles
Le choix et l’utilisation des bouteilles de plongée dépendent également du type de gaz avec lequel elles sont remplies. Les bouteilles de plongée, qu’elles soient utilisées en circuit ouvert ou fermé (comme avec les recycleurs), doivent être adaptées pour recevoir divers types de gaz respirables autres que l’air. Lorsque les bouteilles sont remplies de gaz dont la teneur en oxygène est supérieure à celle de l'air, une attention supplémentaire doit être portée à leur propreté et aux lubrifiants et joints (o-rings) utilisés. Ceci est particulièrement important lorsque les bouteilles sont remplies d'oxygène pur ou de nitrox à plus de 40 %, c'est-à-dire les mélanges utilisés en plongée technique. Les méthodes de préparation du mélange nitrox doivent également être prises en compte pour éviter toute contamination.
Il est essentiel de disposer, pour les plongées avec mélanges respiratoires autres que l’air, d’au moins une bouteille de secours équipée de détendeurs, dont le contenu doit être approprié au type de plongée. Pour les plongées en recycleur au-delà de 6 m, chaque plongeur doit avoir un « système respiratoire de secours en circuit ouvert » pour retourner à la surface en toute sécurité.
D. Transport et Manipulation des Bouteilles : Un Enjeu de Sécurité
Le transport des bouteilles est un défi majeur pour les plongeurs, et il est important de savoir que dans de nombreux pays, les réglementations limitent le transport de bouteilles remplies. Dans la pratique, il n’y a aucun problème à transporter une ou deux bouteilles dans la voiture. Cependant, il est important de rappeler que la bouteille est un objet très dangereux en cas d’accident. Les bouteilles doivent toujours être fixées à des supports spéciaux dans les porte-bagages. Il est conseillé de séparer la zone de chargement par une grille solide, etc. En outre, il faut veiller à ce que, par exemple, la chute d’une bouteille n’endommage pas ou ne brise pas son robinet. Il est également important de se rappeler que même une chute de faible hauteur d’une bouteille lourde entraînera plus que probablement la déformation du robinet et l’impossibilité de visser l’automate - le résultat le plus courant d’une chute de bouteille. Une bonne solution consiste donc à emprunter des bouteilles sur le site de plongée. Comme les sites de plongée se trouvent très souvent là où nous prenons l’avion, il n’est pas possible de transporter des bouteilles en raison de leur poids. Cependant, si nous devons transporter les bouteilles par voie aérienne (comme dans le cas des bouteilles d’argon, par exemple), nous devons les préparer à cet effet, en les vidant ou en les transportant à une pression réduite et en respectant les réglementations des compagnies aériennes.
E. Les "Pieds" de Bouteille : Fonctionnalité, Débats et Évolution
Lors du transport des bouteilles, et en particulier lors de leur habillage ou de leur stockage, il est important que la bouteille puisse être placée librement ou non. Afin d’éviter que la bouteille ne bascule, mais aussi qu’elle ne se cogne en dessous, les fabricants ont placé des protections en caoutchouc - des “pieds”, parfois appelés “pantoufles” - sur les bouteilles. Certains plongeurs utilisent ces pieds, d’autres les retirent, et l’internet est plein de discussions sur la meilleure façon de procéder. La mode de l’arrachage des pieds en caoutchouc est née de la plongée en grotte. En plongée souterraine, d’après ce que disent les habitués, les pieds sont arrachés parce qu’ils pèsent à la surface. Lorsque vous transportez votre équipement dans des couloirs à la surface pour atteindre des siphons éloignés, chaque kilogramme compte.
Les arguments des "anti-pieds" sont divers. Premièrement, sous les pieds, le cylindre pourrait rouiller plus vite. Bien entendu, si quelqu’un utilise d’abord un cylindre sans pieds et pose ensuite ses pieds sur la peinture abîmée, celle-ci rouillera davantage, car l’humidité reste plus longtemps sous les pieds. Mais si les alliages sont neufs, la peinture qui se trouve en dessous est en meilleur état que celle des autres parties du cylindre, car elle est complètement protégée des dommages mécaniques. Deuxième argument : si vous n’avez pas de pieds, il n’est pas tentant pour un plongeur de laisser une bouteille debout sans surveillance et la bouteille ne chavirera pas. Bien sûr, il y a quelque chose là-dedans, mais de nombreux plongeurs ayant des pieds sur leurs cylindres ne les mettent pas non plus debout car il est clair qu'ils ne sont pas autorisés ou que ce n'est pas sûr. Troisième argument : l’empilement des ailes, les pieds pouvant gêner l'assemblage. Quatrième argument : la coulée en V (lest attaché à la ficelle sous la forme d’une coulée triangulaire) peut être plus difficile à positionner. Cinquième argument : les pieds affectent l’assiette (de façon minimale). Mais c’est un inconvénient pour les plongeurs en combinaison, dont le centre de gravité doit être déplacé vers la tête.
En général, sous l’eau, il importe peu que nous ayons les pieds sur les cylindres ou non. Toute la discussion porte sur les surfaces. Heureusement, les fabricants de bouteilles en acier ont commencé à imiter les fabricants de bouteilles en aluminium et fabriquent des bouteilles à fond plat. En d’autres termes, à l’intérieur, le cylindre est à terminaison sphérique, mais à l’extérieur, il y a un trop-plein et le cylindre a un fond plat. D’ici peu, tous les cylindres seront probablement dans cet état et les spéléologues n’auront plus à se poser la question du transport de ce surplus dans les grottes.