Thám hiểm biển sâu - PI

Lên mạng ngày 2/8/2011

THÁM HIỂM BIỂN SÂU

Phần 1. TẠI SAO THỢ LẶN THƯỜNG TỔN THỌ?

Trần-Đăng Hồng, PhD

Con người biết khá nhiều về vũ trụ và tìm cách chinh phục. Biển và đại dương chiếm 70% diện tích địa cầu, nhưng con người lại biết rất ít, nhất là ở độ sâu dưới vài ngàn mét. Hơn 50% diện tích đại dương có độ sâu trên 3.000 m, và khoảng 33 % có độ sâu 200 m. Con người khai thác hải sản trong vòng 200 m độ sâu.

Biển sâu nhất thế giới là 10.971 m ở Thái-Bình-Dương, có tên Mariana Trench, phía bắc quần đảo Mariana. Năm 1951, chiếc tàu Challenger II thuộc Hải Quân Hoàng Gia Anh thám hiểm và đặt tên nơi sâu nhất thế giới ở vùng này là “Challenger Deep”. Năm 1960, chiếc tàu lặn Trieste thành công lặn tới đáy.

Biển sâu nhất ở Đại Tây Dương là Puerto Rico Trench (Milwaukee Deep) có độ sâu 8.648 m.

Java Trench, còn gọi là Sunda Trench, ở Ấn-Độ-Dương sâu 7.725 m.

Hầu hết đáy đại dương chưa được thám hiểm. Bản đồ đáy biển thế giới hiện còn sơ khai, được vẽ năm 1995, với chi tiết của vùng đáy biển lớn hơn 10 cây số vuông, và đo chiều sâu dựa trên phương pháp siêu âm (ultra sound).

CON NGƯỜI CÓ THỂ LẶN SÂU BAO NHIÊU?

Con người không mang trang bị lặn và bình dưởng khí có thể lặn tới độ sâu 15 m. Các thợ lặn mò ngọc trai chuyên nghiệp có thể nín thở trong 6 phút và lặn tới độ sâu 40 m. Nhưng ở độ sâu này có rất nhiều hiểm nguy cho sức khỏe, chưa kể việc có thể bị chết đuối.

Nếu là nước trong vắt, ở độ sâu 1m ánh sáng bị hấp thụ 60%, ở độ sâu 10 m ánh sáng chỉ còn 20%, và ở độ sâu 150 m chỉ còn 1%, và hoàn toàn đen tối ở độ sâu 200 m. Nếu nước đục, có thể mắt không nhìn thấy gì ở độ sâu chỉ vài ba mét.

Ngoài ra, càng xuống sâu, áp xuất của nước càng lớn. Cứ mỗi 10 m chiều sâu, áp xuất tăng 1 atmosphere hay 1,033 kg/cm2. Ở mặt nước, chúng ta chịu một áp xuất 1 atmosphere của không khí. Ở độ sâu 10 m, thân thể chúng ta chịu thêm một áp xuất 1 atmosphere của nước, ở độ sâu 20 m là 2 atmospheres.

Thợ lặn có trang bị bộ phận thở (scuba, self contained underwater breathing apparatus) có thể lặn và làm việc ở độ sâu 100 m, ở độ sâu này có một áp xuất 10 atmospheres (hay 10,33 kg/cm2) nước lạnh hơn, và ánh sáng lờ mờ phải cần tới đèn mới thấy rõ. Khi lặn xuống sâu cũng như khi trồi lên mặt đều rất nguy hiểm cho tánh mạng nếu không áp dụng đúng phương pháp lặn và trồi lên.

Tiềm thủy đỉnh nguyên tử lặn sâu 300 m, nơi có áp xuất 30 atmospheres hay 31 kg/cm2.

Mark Ellyatt (UK) là người phá kỹ lục lặn sâu tài tữ với trang bị Scuba, tới độ sâu 313 m, vượt kỹ lục trước đó là 308 m của John Bennet. Đó là kỹ lục dành cho người lặn tài tử với trang bị Scuba.

Các thợ lặn chuyên nghiệp và người nhái trong quân đội lặn sâu hơn 500 m, với thiết bị lặn đặc biệt hơn.

Tháng 8 năm 1934, William Beebe và Otis Barton ngồi bên trong một hình cầu kim loại thật dày có cửa sổ bằng kính thạch anh lặn sâu tới 908 m ở vùng biển Bermuda.

Năm 1960, máy lặn Trieste của Hoa Kỳ mang 2 khoa học gia lặn sâu 10.911 m tới đáy Challenger Deep tức Mariana Trench là vực sâu nhất thế giới.

Năm 1964 và nhiều năm kế tiếp, máy lặn Alvin mang 2 khoa học gia hoạt động 4.200 chuyến lặn ở độ sâu 4.500 m, mỗi chuyến kéo dài từ 6-10 giờ. Ở độ sâu 4.500 m, có áp xuất 450 atmospheres (hay 464,9 kg/cm2) và nước lạnh 4 ºC.

LẶN SÂU HIỂM NGUY CHO SỨC KHỎE VÀ TÁNH MẠNG?

Người thợ lặn thường có tuổi thọ ngắn hơn người có nghề nghiệp khác. Họ là những thợ lặn chuyên nghiệp làm việc dưới đáy biển, dưới sông sâu, như dàn khoang dầu ngoài biển khơi, xây dựng đáy cột cầu, thợ mò ngọc trai, san hô, v.v. Họ cũng là các người nhái trong quân đội, thủy thủ đoàn của tiềm thủy đỉnh, các công nhân xây dựng làm việc trong các thùng kín (caisson) ở đáy sông, biển.. Họ sống, ăn, ngũ và làm việc một thời gian dài trong các phòng kín có áp xuất cao. Ngoài sự kiện chết vì nghề nghiệp đang lúc làm việc, như máy lặn hay trang thiết bị hỏng, thùng kín bị vở, cá mập tấn công, nước chảy trôi xa, tiềm thủy đỉnh bị vở võ tàu vì tai nạn v.v. , người lặn còn mang nhiều chứng bệnh ngặc nghèo. Triệu chứng bệnh do giảm-áp-xuất (decompression sickness) nặng có thể làm chết tức khắc khi trồi lên mặt nước, nhẹ hơn thì toàn thân hoặc bán thân bị liệt , phỗi bị vỡ, bịnh tâm thần, hay lo sợ vớ vẫn, nôn mữa, gân cốt và khớp xương đau nhức suốt đời nhất là đầu gối và háng.

Ngay cả các người lặn tài tử, tiêu khiển, giải trí như một ngành thể thao cũng có cơ nguy nặng nhẹ, tùy trường hợp. Họ có thể chết khi đang lặn, hoặc bị một số bệnh từ nhẹ đến nặng, đưa đến chết sớm, hoặc cuối đời không có cuộc sống khỏe mạnh vì mang nhiều bệnh tật do lặn sâu gây ra.

TẠI SAO LẶN SÂU RẤT NGUY HẠI SỨC KHỎE

Độ sâu lặn an toàn khoảng chừng 10 m, tức thân thể con người chịu thêm một sức ép 1 atmosphere, hay 1,033 kg/cm2. Các cơ quan trong cơ thể con người khó có thể chịu đựng được sức ép lớn hơn. Hậu quả lặn sâu hơn nữa có thể mang tới triệu chứng “Bends”; còn gọi “bệnh do-giảm-áp-xuất” (Decompression sickness (DCS); hay “bệnh thợ lặn” (divers' disease); hay “bệnh của người làm việc trong thùng kín (caisson disease)”. Thân thể con người cấu tạo bởi 60% nước và chứa ít không khí. Không khí hiện diện trong cơ thể như ở phỗi, mủi, lỗ tai, bao tử, não, khớp xương, hòa tan trong máu. Khi thân thể bị sức ép của áp xuất nước, thì các khí này cũng bị ép. Nước không co rút thể tích khi bị nén, ngược lại các loại khí thì nén và trương nở được.

Người lặn với trang bị Scuba có thể lặn sâu và lâu hơn vì nhờ thở qua bình thở khí nén. Khi lặn, tai là cơ quan cảm giác đầu tiên của áp xuất nước. Nhưng khi nước vào đầy phòng tai thì cảm giác này biến mất. Màng nhĩ có thể bị rách ở áp xuất 2.9 PSI (0.204 kg/cm2), tức ở độ sâu khoảng 2 m. Tuy nhiên, nước vào tai làm cân bằng, hoặc cho khí nén vào ống thở có áp xuất cân bằng với áp xuất nước nhờ bộ phận điều chỉnh khí ép (Valsava) của trang bị Scuba. Lặn sâu hơn tí nữa, cảm thấy khó thở vì sức ép vào lồng ngực, thể tích phỗi co rút lại, nhưng nhờ bình thở khí nén đưa khí vào phổi làm cân bằng áp xuất nên thở dễ dàng hơn.

Tại sao con người không thể lặn sâu hơn nữa nếu không mang thiết bị lặn thích ứng?

Khi lặn càng sâu, áp xuất nước càng lớn đè lên cơ thể. Thân thể bị giảm thể tích, các cơ quan như phỗi bị co rúm trước tiên. Các khớp xương trở nên đau nhức.

Năm 1850, hồ sơ y học ghi trường hợp một người lặn sâu 36 m, khi trồi lên mặt nước thì chảy máu mũi, đầu và cả cơ thể rất đau nhức, các khớp xương đều sưng phù.

Đó là triệu chứng bệnh-giảm-áp-xuất (Bends, decompression sickness). Nghiên cứu cho biết khi lặn sâu thì một số lượng khí nitrogen (N2) chứa trong không khí (chiếm 79%) hít thở vào phỗi được hòa tan trong dòng máu. Nitrogen ở trong máu càng độc hại khi lặn xuống càng sâu và càng lâu, và triệu chứng nguy hiểm cho tánh mạng bắt đầu khi trồi lên. Chỉ cần ở độ sâu 20 m, người lặn tài tử với bình thở khí an toàn cảm thấy như bị say rượu hay ngây ngất như thuốc phiện, y học gọi là nitrogen narcosis, và HPNS (High pressure nervous syndrome) làm âu lo, nôn mữa, run rẫy. Càng xuống sâu, triệu chứng càng trầm trọng, rõ ràng nhất từ độ sâu 40 m, sâu hơn nữa thị giác bị mất. Thở với trimix (hổn hợp oxy, nitrogen và helium), hay heliox (hổn hợp oxy và helium) thì làm giảm say nitrogen.

Vì trồi lên nhanh, áp xuất lên cơ thể giảm nhanh, làm khí nitrogen hòa tan bị nén ở độ sâu bây giờ trương nỡ thể tích, sủi bọt bong bóng trong máu, tương tự như nước soda có chứa khí nén sủi bọt khi mở nắp chai. Bong bóng bọt làm tắc nghẽn và vở tung các mạch máu nhỏ, nhất là ở nảo làm hư nảo bộ, gây đột quỵ (stroke). Nếu bọt bong bóng lớn thì làm tắc nghẽn van tim, làm tim ngừng đập và chết.

Khí oxy, chiếm 21% của không khí, trở nên độc hại ở áp xuất cao khi lặn sâu quá 100 m, làm rối loạn hệ thần kinh, tay chân bủn rủn, tay không điều khiển được ống thở, vì vậy chết đuối. Quy định là khi lặn sâu quá 55 m, bình thở phải chứa thành phần oxy dưới 21 %. Vì vậy bình thở dành cho người lặn chuyên nghiệp thật sâu chứa không khí nhân tạo gồm khí helium và oxy, được điều chỉnh với nồng độ oxy khác nhau tùy theo độ sâu. Chiều sâu tối đa mà người thợ lăn chuyên nghiệp với bình dưởng khí đặc biệt an toàn là 540 m (1.800 feet).

Các nghiên cứu sau này còn cho biết, ngoài khí Nitrogen, còn có khí carbon dioxide (CO2), chiếm 0,3% trong không khí nhưng khí lượng oxy sắp hết do thở thì tỷ lệ CO2 gia tăng, cũng là chất độc và hấp thụ vào dòng máu. Khi lặn sâu 60 m, thì khí CO2 tích tụ trong phỗi ở mức độ nguy hiểm, làm người lặn cảm thấy choáng váng. Nếu tiếp tục lặn sâu hơn sẽ bị đứt hơi thở và chết.

Mất thân nhiệt. Nước dẫn truyền nhiệt 25 lần nhanh hơn không khí, nên khi thân thể tiếp xúc với nước, thân thể mất thân nhiệt (từ 37º C) rất nhanh để cân bằng với nhiệt độ nước, khoảng 25 º C ở mặt biển nhiệt đới và lạnh hơn ở độ sâu, đưa đến triệu chứng cóng lạnh (hypothermia), gồm óc mất khả năng nhận định và tay chân bủn rủn, cứng đờ, đưa đến chết đuối. Vì vậy ngưởi lặn phải có bộ áo lặn để cách nhiệt và bảo tồn thân nhiệt.

Aquarius là phòng nghiên cứu thế giới biển sâu tọa lạc ở độ sâu 20 m tai Conch Reef, ngoài khơi Florida Keys, Hoa Kỳ, thuộc tổ chức NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) và do Đại học North Carolina ở Wilmington điều hành. Sáu nhà khoa học sống và làm việc liên tục trong 10 ngày/phiên, rồi đổi phiên với nhóm 6 nhà khoa học khác. Phòng nghiên cứu là một ống đường kính 3 m, dài 15 m, đặt trên một dàn trụ nặng 118 tấn đóng từ đáy biển. Ngoài việc nghiên cứu đời sống sinh vật đại dương, ở đây còn nghiên cứu ảnh hưởng của việc sống dưới nước vào cơ thể con người. Các nhà khoa học sống, ăn, ngũ và làm việc trong phòng thí nghiệm, cũng như các chuyến lặn sâu tới 40 m trong nhiều giờ mỗi ngày, trung bình khoảng 9 giờ/ngày.

CÓ THỂ TRÁNH HIỂM NGUY TỔN THỌ DO LẶN SÂU?

Có thể giảm thiểu hiểm nguy tổn thọ chứ không thể hoàn toàn tránh được hiểm nguy sức khỏe. Có thể giảm thiểu bằng cách biết lặn đúng kỹ thuật, và xử dụng đúng trang bị lặn tùy theo độ sâu và thời gian lặn.

Các thợ lặn, ngay cả các người lặn tài tử, lặn là môn thể thao hay giải trí, đều phải được huấn luyện, và được cấp chứng chỉ trước khi thực hành lặn một mình.

Từ “SCUBA” (Self-Contained Underwater Breathing Apparatus) xuất hiện đầu tiên trong thế chiến thứ 2 khi đội quân người nhái Hoa Kỳ xử dụng bình dưởng khí để lặn sâu, lặn xa, và lặn lâu cho chiến tranh dưới nước.

Scuba sau đó được thương mại hóa với tên Aqualung thiết kế bởi Emile Gagnan và Jacques-Yves Cousteau (Pháp), người lặn hít thở từ một bình chứa không khí nén, và thở ra vào một bình khác để tái xử dụng oxy. Phương pháp thở này thường gây triệu chứng oxy độc hại, vì người lặn tái xử dụng khí sau khi khử bỏ carbon dioxide ở bình khí thải.

Aqualung cổ điển kiểu Cousteau với 2 ống

Một kiểu khác thiết kế bởi Ted Eldred (Úc) là thở qua một ống ngậm ở miệng được điều chỉnh khí ép phù hợp với áp xuất nước quanh miệng.

Một ống thở điều khiển khí

Vì nhiều hiểm nguy, nên có quy định dành cho người lặn tài tử, thể thao hay giải trí là chiều sâu lặn tối đa 40 m. Chỉ thợ lặn chuyên nghiệp mới được phép lặn sâu hơn 40 m.

Trang thiết bị phù hợp

Lặn tài tử hay chuyên nghiệp, ngoài bộ áo bảo hộ chắc chắn, phải có bộ phận thở Scuba, với khí thở phù hợp cho việc lặn sâu. Khí thở đặc biệt này là một hổn hợp khí oxy với một hay vài khí khác, có mục đích giảm thiểu triệu chứng do giảm-áp-xuất, giảm triệu chứng say-nitrogen, giảm thời gian ngưng trồi (decompression stops) để có thể lặn sâu và trồi lên an toàn.

Vì vậy, khí thở an toàn phải thỏa mản 3 yếu tố:

· Phải chứa đủ oxy cho hô hấp trong suốt thời gian lặn.

· Không được chứa khí độc như carbon monoxide, carbon dioxide.

· Các khí này không trở nên độc ở áp xuất cao. Chẳng hạn, oxy trở nên độc ở độ sâu 100 m, nitrogen độc ở độ sâu 40 m, không khí thường ở độ sâu 62 m.

Vì vậy, tùy theo chiều sâu, thời gian lặn mà người lặn phải chọn khí thở phù hợp.

- Không khí ép: Không khí chứa 21% oxy, 78% khí nitrogen, và 1% khí khác. Chiều sâu tối đa để lặn an toàn là 62 m, mặc dầu ở độ sâu 40 m người lặn có cảm giác say nitrogen.

- Oxy nguyên chất 100% dành cho lặn cạn, tối đa 6 m, vì sâu quá 6 m oxy nguyên chất trở nên độc. Thường dùng cho người nhái. Ngoài ra, còn dùng để thở khi trồi lên để giàm thiểu triệu chứng giảm-áp-xuất.

- Nitrox là một hổn hợp khí oxy và không khí, tức không khí chứa trên 21% oxy. Xử dụng để trồi lên, và giảm thiểu triệu chứng giảm áp-xuất.

- Trimix là một hổn hợp khí oxy, nitrogen và helium. Xử dụng để lặn thật sâu, giảm thiểu chứng say nitrogen và oxy độc hại.

- Heliox là hổn hợp oxy và helium; xử dụng khi ở độ sâu, tránh triệu chứng say nitrogen,

- Heliair là hổn hợp helium với không khí.

- Hydreliox là hổn hợp oxy, helium và hydrogen, Xử dụng để lặn sâu quá 130 m.

- Hydrox là hổn hợp hydrogen, oxygen; xử dụng để thở ở nơi thật sâu.

- Neox hay neonox là hổn hợp oxy và neon; xử dụng lặn thật sâu. Thường có triệu chứng độc, nên nay ít xử dụng.

Lặn đúng phương pháp phải được áp dụng thật nghiêm khắc.

Khi lặn xuống, phải lặn từng chặng, ngơi nghĩ để thân thể có thời gian thích ứng với áp xuất cao, sau đó lặn xuống chặn hai sâu hơn, và tiếp tục như vậy, cho tới độ sâu mong muốn.

Khi trồi lên, lại càng phải cẩn thận hơn nữa để tránh khí nén trong máu xủi bọt làm chết người. Chẳng hạn, bắt đầu ở độ sâu 30 m, khi trồi lên tới độ sâu 24 m, người lặn phải ngừng trồi và ngơi nghĩ trong 30 phút, để nitrogen trong máu có thời gian thoát từ từ qua hô hấp, sau đó trồi lên tới độ sâu 18 m rồi ngưng trồi và ngơi nghĩ một thời gian, tiếp tực như vậy cho tới khi trồi lên tới mặt nước. Các thời gian ngưng trồi lần sau ngắn hơn lần trước, vì trồi đến gần mặt nước hơn, áp xuất nhẹ hơn, và khí nén hòa tan trong máu vì vậy ít hơn. Thay vì chỉ cần vài phút để trồi thẳng lên mặt nước, người lặn phải ngưng trồi nhiều lần, vì vậy phải tốn nhiều giờ để được an toàn. Trước khi lặn, phải đọc bảng áp dụng thời gian ngưng trồi (decompression table) để áp dụng.

Kiểm soát độ nỗi (buoyancy).

Để kiểm soát vận tốc lặn xuống, hay trồi lên, hay thời gian ngưng trồi, người lặn phải có trang bị đặc biết để kiểm soát độ nỗi.

Theo định luật Archimedes, khi một vật có trọng lượng P1 ở trong một chất lỏng, vật này bị chất lỏng đẩy lên bởi một lực bằng trọng lượng P2 của khối chất lỏng mà vật đó choán chổ. Lực đẩy lên P2 chính là tích số (nhân) thể tích của vật và tỷ trọng (density) của chất lỏng. Nếu P1>P2, vật đó chìm. Nếu P1<P2, vật đó nỗi. Nếu P1=P2, vật đó lơ lửng ở trong chất lỏng. Nước ngọt có tỷ trọng 1, nước biển có tỷ trọng 1.04, còn thủy ngân có tỉ trọng 13.2. Con người chìm trong nước biển và nước ngọt, nhưng lội dễ trong nước biển hơn vì nước biển có tỷ trọng lớn hơn. Con người nỗi trên mặt thủy ngân khi nằm, nhưng chìm khi đứng, cho tới khi lơ lững ở một vị trí khi hai trọng lượng người và thủy ngân bằng nhau.

Người lặn cùng trang thiết bị mang theo khi vào nước thì chìm để lặn, vận tốc lặn nhanh hay chậm thì tùy theo thể tích của người lặn và trang thiết bị. Muốn lặn nhanh, người lặn ở thế đứng để sức cản của nước ít. Muốn lặn chậm, người lặn nằm ngang, và bơm khí vào bộ phận phao trong bộ áo làm thể tích gia tăng. Muốn lơ lững ở một độ sâu nào đó, cho thời gian ngừng trồi, tiếp tục bơm khí cho đến khi P1=P2. Muốn trồi lên nhanh, tiếp tục bơm khí vào phao.

Mặc dầu áp dụng đúng phương pháp lặn với trang bị đầy đủ và phù hợp, người thợ lặn vẫn còn mang nhiều thương tích tiềm tàng trong cơ thể, có thể bộc phát khi sức yếu về già, và vì vậy tuổi thọ thường không được cao.

Reading, 8/2011.

Trần Đăng Hồng, PhD