La plongée sous-marine est une aventure captivante, offrant la possibilité d'admirer la magnifique faune et flore marine. Cependant, elle est bien plus qu'une simple nage sous l'eau. C'est un mélange complexe de physique, de pression, de flottabilité, de gaz respiratoires, de contrôle corporel, de conception de l'équipement et de planification de plongée en toute sécurité. Au cœur de cette activité se trouve un paradoxe fondamental : l'oxygène, substance qui nous maintient littéralement en vie, peut devenir toxique sous l'eau. Accueillir cet environnement signifie comprendre que l'air, un mélange de gaz composé essentiellement d’azote et d’oxygène et de quantités minimes d’autres gaz, se comporte différemment à mesure que la pression augmente. La survie sur les fonds marins du plateau continental, et à toute profondeur, implique l'adaptation de l'organisme humain à un milieu anormal surpressurisé. Il est crucial de saisir pourquoi il est impératif de respirer des gaz à pression en plongée, et quels sont les défis physiologiques et les solutions associés à cette exigence.
La Pression : Le Fondement de la Plongée Sous-Marine
Le concept de pression est un principe fondamental en plongée sous-marine. En surface, le corps est soumis à une pression d'environ 1 atmosphère, soit 1 ATA. Dans l'eau de mer, la pression augmente d'environ une atmosphère tous les 10 mètres de profondeur. Ainsi, à 10 mètres de profondeur, la pression est d'environ 2 atmosphères absolues, soit 2 ATA. À 50 mètres de profondeur, la pression est d'environ 6 atmosphères absolues, soit 6 ATA. Pour les plongeurs de loisir, une profondeur de 100 mètres, où la pression est d'environ 11 atmosphères absolues, soit 11 ATA, ne sert qu'à illustrer l'augmentation spectaculaire de la pression avec la profondeur. Cette augmentation de pression est due au fait que l'eau a un poids et est dense, contrairement à l'air. Même une petite variation de profondeur peut engendrer une variation de pression notable.
Sous l'eau, la pression augmente et les espaces d'air dans le corps se compriment. Les plus touchés sont les oreilles, les sinus et le masque. Si un plongeur ne compense pas la pression, il peut ressentir une pression ou une douleur. La règle est simple : il faut équilibrer la profondeur avant que cela ne devienne douloureux, et l'égalisation doit être douce sans forcer sur les oreilles. 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. Par exemple, 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). Cette loi physique, connue sous le nom de loi de Boyle, stipule que lorsque la pression augmente, le volume du gaz diminue.
L'Air et les Gaz Respirés sous Pression : Un Équilibre Délicat
Lorsque les plongeurs respirent un gaz comprimé sous l'eau, les propriétés de ce gaz sont directement affectées par la pression ambiante. Chacun des gaz composants l'air a une pression partielle qui dépend de sa concentration dans l'air et de la pression atmosphérique. En surface, la pression partielle de l’azote (PpN2) est d'environ 0,78 bar et celle de l’oxygène (PpO2) est d'environ 0,209 bar, avec de petites contributions d’autres gaz. La pression partielle d’un gaz est proportionnelle à l’augmentation de la pression ambiante. C’est là que le concept de pression partielle devient vital et où la loi de Dalton régit le comportement des mélanges gazeux. Paul Bert, à la fin du siècle dernier, fut le premier physiologiste à étudier, dans un caisson, l'effet des surpressions des mélanges gazeux sur l'organisme animal, notant en particulier que l'oxygène sous pression est toxique et que l'azote sous pression exerce un effet narcotique.
Lorsqu'on étudie en biologie les échanges entre le gaz contenu dans les poumons et le sang, on se focalise généralement sur le dioxygène et le CO2. Toutefois, une partie du gaz contenu dans les poumons (qu'il soit « utile » à la respiration ou non) se dissout automatiquement dans le sang. Cela est vrai pour le dioxygène, le CO2 et le diazote. En plongée, la pression augmente d'un bar tous les 10 mètres environ. Lors d'une plongée, la quantité d'azote présente dans le sang et dans les tissus augmente. À pression atmosphérique, la quantité de dioxygène dissout dans l'eau est faible. L'Hb étant pratiquement saturée à pression atmosphérique, une augmentation de la pression n'entraîne pas de changement dans sa capacité de transport. En revanche, la quantité d'O2 dissout augmente proportionnellement à la pression. On va donc avoir une augmentation de la part du dioxygène dissout dans l'ensemble du dioxygène transporté. Ainsi, sous oxygène pur et sous pression, on peut atteindre des valeurs qui permettraient de transporter assez d'oxygène pour vivre sans hémoglobine (sous trois atmosphères cela correspond à 6 mL d'O2 dissout/100 mL de sang ce qui est loin d'être négligeable comparé aux 20 mL d'O2/100 mL de sang combiné à l'Hg).
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L'Oxygène : Ami Essentiel, Ennemi Potentiel des Profondeurs
L'oxygène est absolument essentiel à la vie, mais comme cet ami qui est amusant à petites doses mais épuisant en grandes quantités, l'oxygène devient problématique quand il y en a trop. À pression atmosphérique normale, respirer de l'oxygène pur est en fait bénéfique (pensez à l'oxygénothérapie médicale). Mais comprimez ce même oxygène sous l'eau, et il se transforme en potentiel tueur. C’est ce qu’on appelle l'intoxication à l'oxygène. L'oxygène et l'azote peuvent avoir des effets nocifs en cas de pressions partielles élevées.
Intoxication à l'Oxygène du Système Nerveux Central (SNC)
L’intoxication à l’oxygène survient chez la plupart des personnes lorsque la pression partielle de l’oxygène atteint 1,4 atmosphère ou plus. Si une personne respire 100 % d’oxygène, cette pression partielle sera atteinte à une profondeur de 4 mètres (13 pieds). Comme l’air ne contient que 21 % d’oxygène, pour atteindre cette pression partielle toxique, l’air respiré nécessiterait une plongée à une profondeur légèrement supérieure à 57 mètres (187 pieds). Quand la pression partielle de l'oxygène devient trop élevée, elle commence à interférer avec l'activité électrique normale du cerveau. La limite sûre généralement acceptée pour la plongée récréative est une PPO2 de 1,4 bar, avec 1,6 bar étant le maximum absolu pour de courtes expositions en plongée technique. Au-delà, vous entrez en territoire de convulsions.
Les symptômes comprennent :
- des picotements
- des convulsions localisées (spasmes du visage, des lèvres ou picotements d’un côté du corps)
- des vertiges
- des nausées
- des vomissements
- des troubles de la vision (vision en tunnel)
- des problèmes d'oreilles (bourdonnements, changements d'audition)
- l'irritabilité
- des convulsions
Environ 10 % des personnes sont atteintes de convulsions ou de malaises qui entraînent habituellement la noyade. Pour éviter la toxicité de l’oxygène pendant les plongées profondes, il est nécessaire d’acquérir une formation spéciale et d’utiliser des mélanges de gaz spéciaux.
Plusieurs facteurs peuvent augmenter le risque de toxicité à l'oxygène. Des niveaux élevés de dioxyde de carbone dans le sang (rétention de CO2) augmentent le risque, d'où l'importance des techniques de respiration appropriées et d'un équipement bien entretenu. Un effort intense (exercice) augmente le taux métabolique et rend la toxicité plus probable à des pressions partielles plus faibles. Être en surchauffe (hyperthermie) augmente la susceptibilité. Certaines personnes sont simplement plus sensibles (sensibilité individuelle), et certains médicaments peuvent augmenter le risque. Enfin, un historique d'épisodes de toxicité à l'oxygène rend le plongeur plus susceptible de récidiver à des pressions partielles plus faibles.
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La Profondeur Maximale d'Utilisation (PMU) et Nitrox
Chaque mélange nitrox a une profondeur maximale d'utilisation (PMU) basée sur le maintien en dessous de 1,4 bar PPO2. Voici la formule que tout professionnel de plongée devrait connaître : PMU = (limite PPO2 ÷ fraction d'oxygène) - 1 atmosphère × 10 mètres. Par exemple, pour EANx32 (32% oxygène), la PMU est de (1,4 ÷ 0,32) - 1 × 10 = 33,75 mètres (arrondi à 33 mètres). Pour EANx36 (36% oxygène), la PMU est de (1,4 ÷ 0,36) - 1 × 10 = 28,9 mètres (arrondi à 28 mètres). Ces calculs déterminent les profondeurs maximales sûres pour la plongée nitrox. Dépasser ces profondeurs, c'est jouer avec la toxicité de l'oxygène. Le nitrox est fantastique pour prolonger les temps de fond et réduire la charge d'azote, mais il vient avec un risque accru de toxicité de l'oxygène. C'est pourquoi la certification nitrox met tant l'accent sur l'analyse de votre gaz et le calcul des profondeurs maximales d'utilisation.
Si vous suspectez une toxicité de l'oxygène chez vous, il faut réduire la pression partielle d'oxygène immédiatement (remonter s'il est sûr de le faire), signaler à son binôme, et terminer la plongée en surveillant les symptômes. Si vous êtes témoin de toxicité de l'oxygène chez un autre plongeur, il faut l'empêcher de se noyer (le plus grand risque immédiat), s'assurer que son détendeur reste dans sa bouche, contrôler sa remontée s'il convulse, l'amener en sécurité à la surface et être prêt pour la respiration de secours si nécessaire.
Toxicité Pulmonaire à l'Oxygène
Bien que la toxicité du SNC attire toute l'attention, il y a aussi la toxicité pulmonaire de l'oxygène, qui implique des dommages aux tissus pulmonaires causés par une exposition prolongée à des pressions partielles d'oxygène élevées. C'est davantage une préoccupation pour les plongeurs techniques effectuant de longs paliers de décompression ou les personnes en traitement hyperbare médical. Les symptômes incluent une sensation de compression thoracique, une toux et une capacité pulmonaire réduite. Cela se développe sur des heures plutôt que des minutes, donc c'est rarement un problème pour les plongeurs récréatifs.
L'Azote : De la Narcoze à l'Accident de Décompression
L'azote, gaz inerte composant la majeure partie de l'air respiré, est également une source majeure de préoccupations en plongée, principalement à travers la narcose et la maladie de décompression.
Narcose à l'Azote pendant la Plongée
La narcose à l’azote (ivresse des profondeurs) est provoquée par une pression partielle de l’azote élevée. Les symptômes ressemblent à ceux de l’intoxication alcoolique. Les personnes sont euphoriques, désorientées et leurs capacités de jugement sont altérées. Elles peuvent ne pas être capables de remonter à la surface à temps, ou bien plonger encore plus en profondeur en pensant qu’elles remontent vers la surface. Cet effet devient reconnaissable à environ 30 mètres de profondeur chez les plongeurs qui respirent de l’air comprimé et il devient habituellement invalidant à environ 90 mètres. Paul Bert observa aussi que l'azote sous pression exerce un effet narcotique.
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Pour minimiser ce phénomène, les plongeurs qui descendent à des profondeurs importantes respirent habituellement un mélange particulier de gaz plutôt que de l’air normal. Ils utilisent de l’oxygène à basse concentration dilué avec de l’hélium plutôt qu’avec de l’azote, car l’hélium n’induit pas de narcose. Cependant, il n'est malheureusement pas possible de substituer l'oxygène à l'azote pour résoudre tous les problèmes, car l'oxygène exercerait un effet toxique à une pression de plus de deux atmosphères.
Accident de Décompression (ADD)
Lorsque l'organisme vit dans un milieu à forte pression, l’azote se dissout dans les tissus. En plongée, la quantité d'azote présente dans le sang et dans les tissus augmente. Si un plongeur remonte trop vite, l'azote peut former des bulles dans son corps, augmentant ainsi le risque d'accident de décompression (ADD). Un accident de décompression survient lorsque l’azote forme des bulles dans le corps suite à une chute de pression trop rapide. Une décompression trop rapide entraîne la formation de bulles dans les humeurs, provoquant ainsi cette maladie des caissons dont les symptômes sont bien connus : des douleurs articulaires et abdominales aiguës et, dans certains cas, des embolies gazeuses mortelles. Le gaz dans les tissus s'élimine plus lentement, donc la probabilité de formation de bulles de gaz à l'intérieur est encore plus élevé.
Les plongeurs remontent lentement car l'azote absorbé pendant la plongée a besoin de temps pour être éliminé sans danger par l'organisme. La décompression est le processus qui permet aux gaz dissous, principalement l'azote, de quitter le corps à mesure que la pression diminue lors de la remontée. Les plongeurs, au cours de leur remontée, doivent donc observer des périodes de décompression à des paliers qui sont déterminés par la durée et la profondeur de la plongée. Un palier de sécurité est une courte pause en fin de plongée, généralement à environ 5 mètres de profondeur (15 pieds), pendant environ 3 minutes. Le transport de l'azote par le sang se fait relativement rapidement, mais le passage de l'azote des tissus vers le sang se fait plus lentement. Si les astronautes sortaient directement de la station, sans préparation, ils seraient confrontés au même risque qu'un plongeur qui remonte sans faire de palier : la formation de bulles de gaz mortelles dans l'organisme.
Les Gaz Nocifs : Dioxyde et Monoxyde de Carbone
Au-delà de l'oxygène et de l'azote, d'autres gaz, même en faibles concentrations, peuvent devenir dangereux sous l'eau en raison de l'augmentation de leur pression partielle.
Intoxication au Dioxyde de Carbone (CO2) pendant la Plongée
Le dioxyde de carbone est libéré par l’organisme dans l’air expiré. Une partie du gaz contenu dans les poumons, le CO2, se dissout automatiquement dans le sang. Certains plongeurs en scaphandre autonome présentent une intoxication au dioxyde de carbone car ils n’augmentent pas leur respiration de façon suffisante pendant l’effort. D’autres accumulent du gaz carbonique parce que la pression de l’air comprimé étant plus élevée en profondeur, des efforts plus importants sont nécessaires pour respirer. Une diminution volontaire de la fréquence respiratoire pour conserver de l’air (« respiration sautée ») peut également causer une accumulation de dioxyde de carbone dans le sang. Le dysfonctionnement d’un système de réinspiration clos ou semi-clos constitue une autre cause potentielle d’intoxication au dioxyde de carbone.
L’augmentation de la concentration de dioxyde de carbone dans le sang est le signal qui commande la respiration. Les plongeurs en apnée sans appareil de plongée utilisent souvent une technique qui consiste à augmenter volontairement leur taux respiratoire (hyperventilation intentionnelle) avant de plonger. Cette manœuvre leur permet d’exhaler une grande quantité de dioxyde de carbone sans grand apport d’oxygène dans le sang, et ainsi de retenir leur respiration et de nager longtemps sous l’eau car leur taux de dioxyde de carbone est faible. Néanmoins, cette manœuvre est également dangereuse, car les plongeurs peuvent manquer d’oxygène et perdre connaissance (ce que l’on appelle syncope en apnée ou syncope hypoxique) avant que le dioxyde de carbone n’atteigne un taux suffisamment élevé pour leur signaler la nécessité de remonter à la surface pour respirer. Cette séquence d’événements est probablement responsable de nombreuses noyades inexpliquées.
Les symptômes de l’intoxication au dioxyde de carbone peuvent comprendre :
- Céphalées
- Gêne respiratoire
- Nausées
- Vomissements
- Bouffées de chaleur
Des taux élevés de gaz carbonique peuvent provoquer une perte de connaissance et augmentent le risque de convulsions liées à l’intoxication par l’oxygène ainsi que la gravité de la narcose à l’azote. Les plongeurs qui ont fréquemment des maux de tête après la plongée ou les personnes qui se vantent d’utiliser peu d’air présentent probablement une rétention de gaz carbonique. Le dioxyde de carbone diminue progressivement au fur et à mesure que le plongeur remonte. Les personnes qui développent des symptômes pendant la plongée doivent remonter progressivement à la surface. Les personnes qui souffrent régulièrement de maux de tête après la plongée ont probablement besoin de modifier leur technique de plongée.
Intoxication au Monoxyde de Carbone (CO) pendant la Plongée
Le monoxyde de carbone est un produit de combustion. Il peut contaminer l’air des plongeurs si la valve de prise d’air est placée trop près de l’échappement d’un moteur ou si l’huile de graissage d’un compresseur qui fonctionne mal devient suffisamment chaude pour entraîner une combustion partielle et produire du monoxyde de carbone. L’intoxication au monoxyde de carbone est potentiellement l’une des intoxications les plus dangereuses liées à une contamination du gaz respiratoire. La gravité de l’intoxication au monoxyde de carbone dépend de la concentration en CO dans le gaz respiratoire et du temps d’exposition. En plongée, la pression partielle de CO augmente avec la profondeur. Ainsi, même une légère contamination de l'air respiré au CO, qui n’aurait aucun effet toxique à la pression atmosphérique normale et après une exposition prolongée, pourrait devenir dangereuse en profondeur.
Lors de la descente sous l'eau, la saturation de l'hémoglobine en CO peut réduire sa capacité à fixer l’oxygène, bien que la pression partielle accrue de l’oxygène en profondeur puisse maintenir le sang suffisamment oxygéné pour couvrir les besoins cellulaires. Ainsi, la baisse de la quantité d’oxygène transportée par l’hémoglobine est partiellement compensée par le volume d’oxygène dissous dans le plasma sanguin. Cependant, durant la remontée, lorsque la pression partielle de l’oxygène diminue, la quantité d’oxygène dissous baisse également et peut mener à l’hypoxie.
Les symptômes comprennent la nausée, les maux de tête, de la faiblesse, de la maladresse et de la confusion. Les cas graves d’intoxication par le monoxyde de carbone peuvent provoquer des convulsions, une perte de connaissance ou un coma. Le diagnostic repose sur une analyse de sang, qui doit être réalisée au plus vite afin de poser le diagnostic car le taux sanguin diminue avec le temps. La réserve d’air des plongeurs peut être également analysée pour détecter le monoxyde de carbone. Les personnes reçoivent de l’oxygène. Des taux élevés d’oxygène dans le sang aident à éliminer le monoxyde de carbone du sang mais cela ne permet pas toujours de résoudre les lésions des organes. Les personnes gravement intoxiquées peuvent recevoir une oxygénothérapie à haute pression dans un caisson hyperbare.
Pour la prévention, il est important de contrôler le compresseur utilisé pour remplir les bouteilles d’air ainsi que l’endroit où ils se trouvent. Il faut s’assurer que le clapet d’admission d’air des compresseurs est éloigné de toute source de contamination, telle que les véhicules à moteur, générateurs de diesel ou autres échappements de gaz. La vérification régulière de la qualité de l’air peut se faire à l’aide de tubes de détection ou d’analyseurs électroniques. Un dispositif personnel de détection de CO est également recommandé, en particulier en cas de doutes sur la qualité du fournisseur.
Le Syndrome Nerveux des Hautes Pressions (SNHP)
Un ensemble de symptômes neurologiques mal compris peut se manifester lorsque des personnes plongent à une profondeur supérieure à 150-180 mètres, en particulier lorsque la plongée est rapide et que les plongeurs respirent un mélange d’hélium et d’oxygène. C'est le syndrome nerveux des hautes pressions. Ces symptômes comprennent la nausée, les vomissements, des tremblements, de la maladresse, des étourdissements, de la fatigue, de la somnolence, des mouvements musculaires saccadés, des crampes d’estomac et de la confusion. Le syndrome se dissipe de lui-même si les plongeurs remontent ou si la vitesse de plongée est ralentie.
La Maîtrise de la Plongée : Au-delà de la Respiration
Au-delà des considérations purement gazeuses, la plongée implique une compréhension holistique de l'environnement et des réactions du corps.
La Flottabilité et la Remontée
La flottabilité est la force qui permet à un objet de flotter, de couler ou de rester en équilibre dans l'eau. Une bonne maîtrise de sa flottabilité permet d'économiser l'air, de protéger les coraux, d'éviter l'envasement des cénotes, de rester détendu et de profiter pleinement de la plongée. La flottabilité neutre signifie que le plongeur ne coule pas et ne remonte pas à la surface. La perte de flottabilité ne se produit pas à une profondeur précise, elle varie progressivement avec l'augmentation de la pression. C’est pourquoi les plongeurs gonflent légèrement leur gilet stabilisateur à la descente et le dégonflent à la remontée. Les poumons influent également sur la flottabilité : à l'inspiration, leur volume augmente légèrement et le plongeur peut remonter un peu à la surface. Les plongeurs expérimentés utilisent une respiration calme pour ajuster leur flottabilité.
Les plongeurs remontent lentement car la pression diminue à mesure qu'ils remontent. Une remontée lente permet également aux plongeurs de mieux contrôler leur flottabilité. Lors de la remontée, l'air contenu dans le gilet stabilisateur et la combinaison se dilate, ce qui peut accélérer la remontée si elle n'est pas maîtrisée.
Règles de Respiration et Équipement
La règle de respiration la plus importante en plongée sous-marine est simple : ne jamais retenir sa respiration. Si un plongeur retient sa respiration pendant la remontée, l'expansion de l'air dans ses poumons peut engendrer un risque grave. C'est l'une des premières règles de sécurité enseignées lors des formations de plongée.
L'effet Venturi explique comment l'air en mouvement crée une différence de pression qui favorise la continuité du flux d'air. Certains détendeurs de plongée sont équipés d'un système Venturi ou d'un sélecteur plongée/pré-plongée. En mode plongée, le débit d'air est assisté pour une respiration plus fluide sous l'eau. Cela rend la respiration plus aisée dès l'inspiration.
L'Environnement Sous-Marin
L'eau absorbe la chaleur du corps beaucoup plus rapidement que l'air, il est donc important de se protéger du froid. Les couleurs s'estompent avec la profondeur, le rouge disparaissant en premier. Le son se propage différemment sous l'eau, rendant plus difficile de déterminer précisément d'où provient un son. Le type de fond peut avoir une grande influence sur le déroulement d'une plongée : le sable fin ou le limon peuvent rapidement réduire la visibilité s'ils sont remués. La houle, mouvement de l'eau provoqué par les vagues, peut affecter la maîtrise de la flottabilité, la photographie, le confort et la distance à respecter par rapport au récif ou au fond.
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