[스쿠버다이빙 이론교육 33] 감압이론

[스키퍼[김승규]]

[이론강좌 33] 감압이론

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 질소장력

질소장력은 인체의 조직이 얼마나 많은 양의 질소를 흡수하였는가 하는 척도이다.
질소장력은 부피가 아닌 압력의 단위에 의해 측정되는데, 보통 해수의 깊이(FSW; Feet Sea Water)로 표시한다.

다이빙을 하면 갑자기 주위의 압력이 높아진다. 그러나 인체의 각 조직들에서의 압력이 주위압과 같은 압력이 되려면 어느 정도의 시간이 걸린다.

즉 시간이 경과하면 질소장력이 점점 증가하고 반대로 수면휴식을 오래 하면 질소장력을 감소시킨다.

만일 수심 10m(33ft)에서 잠수를 하게 되면 공기의 79%가 질소이므로 33 FSW의 79%만 질소의 압력으로 작용한다.

수심이 깊어지면 질소의 비율이 증가하는 것이 아니고 부분압이 증가한다는 사실은 달톤의 법칙을 통해 이미 알고 있을 것이다.

이 변화하는 질소의 부분압이 조직에 질소를 흡수하게 하는 구동력이 된다.

 조직(Tissue)

인체에는 근육(mustle), 관절(connectiv), 상피(epithelial), 신경(nerve) 조직들이 있다. 인체의 각 기관들은 예를 들어 심장이나 허파, 몇 개의 조직들로 복합적으로 구성되어 있다. 이들 인체의 모든 부위들을 조직이라고 부른다.

고압 하에서 질소가 흡수되는 양은 조직별로 각각 달라서 어떤 특정한 질소 흡수 비율로 나타낼 수 없다.
그러나 감압 이론에서는 이들 조직에서 흡수되는 질소의 양(비율)을 수학적으로 얼마라고 숫자로 표기한다.

하지만 사람의 간이나 심장을 떼어 그 조직의 질소 흡수 비율을 측정할 수 없기 때문에 실제로는 정확히 얼마라는 것을 알 수는 없다.

 느린 조직과 빠른 조직(Slow Tissue and Fast Tissue)

느린 조직은 질소가 흡수되고 배출되는 시간이 길고, 빠른 조직은 그 반대이다. 즉 빠른 조직은 반감시간이 짧은데 일정 시간 내에 질소를 더 많이 흡수하기 때문에 다이빙 직후에 느린 조직보다 더 높은 질소장력을 가지게 된다.

또한 빠른 조직은 빠르게 질소를 배출하기 때문에 안전감압정지로 질소의 장력을 크게 낮출 수 있다. 그러나 느린 조직은 재잠수에 있어 매우 중요한 역할을 한다.

수면휴식 후에 빠른 조직의 질소는 거의 배출되지만 느린 조직에 있는 질소들은 충분한 시간이 경과하지 않았기 때문에 아직 조직 내에 남아있게 된다.

어떤 조직이 빠른 조직이 되고 어떤 조직은 느린 조직이 되는 이유는 조직의 질소 수용능력과 혈액공급량 때문이다.

지방질이 많은 조직은 그렇지 않은 조직보다 더 많은 질소를 수용할 수 있기 때문에 조직에 질소가 흡수되거나 방출시키는데 시간이 더 많이 걸린다.

그리고 혈액공급이 잘되는 허파와 복부의 각 기관들은 다른 조직들보다 질소를 더 빨리 흡수한다. 반대로 혈관이 적은 지방 조직, 뼈 조직, 연골 조직과 관절 조직 등은 느린 조직이다. 이 느린 조직들은 다이빙후 기포생성에 기여하는 원료의 저장 탱크 역할을 한다.

 반감시간(Half-time)

인체의 조직 내에서 질소장력이 변화하는 데는 어느 정도의 시간이 필요하다. 이 필요한 시간(변화하는 속도)은 각 조직별로 서로 다른데, 조직의 장력은 각 조직이 흡수할 수 있는 능력(비율)에 따라 달라진다. 인체의 각 조직은 서로 다른 세포로 되어 있어 서로 다른 혈액공급량을 가지고 있기 때문에 각 조직의 질소 흡수비율이 모두 다른 것이다. 감압 이론에서는 이들 각 조직의 서로 다른 흡수비율을 반감시간으로 표시한다.

반감시간이란 질소가 포화된 상태의 50%가 되는데(half saturated) 걸리는 시간이다. 대부분의 감압 이론에서는 역으로 질소가 50% 배출되는 데도 같은 시간이 걸린다고 가정한다. 이런 식으로 나머지 절반이 50%(총 75%) 포화되는 데도 같은 시간이 걸린다고 가정하고, 그 다음의 50%(총 87.5%) 포화되는 데도 같은 시간이 걸린다고 가정한다. 반감시간은 방사능 물질의 반감기 개념과 같다.

이 개념을 보다 잘 이해하기 위해 반감시간이 60분 짜리인 조직을 예로 들면, 60분 조직은 60분 후에 전체 용량의 절반이 질소로 채워진다. 이 조직은 2번의 반감기(60+60=120) 즉 120분이 지난 다음에는 전체 용량의 75%가 질소가 채워지고, 3번의 반감기(60+60+60=180) 후에는 87.5%가 채워진다. 이런 방식으로 6번의 반감기가 지나면 98.4%가 채워지는데, 다이빙 이론에서는 6번의 반감기 후에 전체 용량이 다 채워졌다고 가정한다.

참고로 할데인(Haldane)은 그의 모델에서 인체의 조직을 5, 10, 20, 40, 75분의 5개 조직으로 나누었고, 미 해군에서는 5, 10, 20, 40, 80, 120분의 6개 조직으로 나누었다.

 포화 및 과포화(Saturation and Supersaturation)

조직이 어떤 압력(수심)에서 흡수가능한 모든 양의 질소를 흡수하였을 때 그 조직은 그 수심에서 포화되었다고 한다.

다이빙 이론에서 어떤 조직이 100% 포화되거나 탈포화(desaturation)되려면 6번의 반감시간이 필요하다고 가정한다. 즉 10분 짜리 조직은 60분이 필요하다.

그러나 실제로 탈포화 과정을 느리게 하는 많은 요인들이 있지만 이론적으로는 보통 포화와 같은 속도로 탈포화가 진행된다고 가정한다.

미 해군 테이블에서 사용되는 가장 긴 반감시간은 120분이다. 즉 다이빙후 모든 조직이 탈포화되는데 걸리는 시간은 12시간이다. 이것이 미 해군에서 12시간 이내의 잠수를 재잠수로 정의하는 이유이다.

최근의 다이브 테이블이나 다이브 컴퓨터에서는 120분보다 더 긴 480분이나 720분 짜리 반감시간을 가진 조직을 모델로 사용하고 있다.

다이빙을 오랫동안 하여 어떤 조직에서 질소가 포화된 상태로 상승을 하게 되면 인체내의 압력이 감소되고 이미 포화가 된 조직들의 장력을 더욱 높이게 된다.

그러나 포화상태의 장력을 초과하였다고 해서 기포가 금방 생기는 것은 아니다. 각 조직들은 기포가 생성되기 전까지 각기 다른 과포화량에 대해 견딜 수 있다.

이를 감압 이론에서는 과포화비(supersaturation ratio)로 표시하는데, 과포화비는 기포를 발생시키기 직전 상태에 이른 조직의 질소장력과 주위압력과의 비율을 말한다.

지금까지 밝혀진 바에 의하면 빠른 조직에서는 느린조직보다 높은 과포화비에 대해 견딜 수 있는 것으로 되어 있다.

 M-값(M-value)

M은 최대(maximum)를 나타내는 글자이다. M값이란 조직 장력의 최대 허용치를 나타낸다. 과포화율 이론의 발달 초기에는 과포화율이 어떠한 특정한 최대 값을 넘지만 않는다면 조직에서 기체가 빠져나와 기포를 생성하지 않는다고 생각되었다.

M값이라고 불리는 특정한 최대 값은 각각의 반감 조직들에 대하여 계산한다. M값은 압력이기 때문에 fsw단위로 나타낸다. 과포화율은 어떤 기준압력과의 비이기 때문에 M값도 어떤 기준 압력이 있어야 한다. 수심 10feet와의 M값을 M10, 수면과의 M값을 M0이라고 하며 보통 M값이라고 하면 M0를 말한다.

각각의 반감 조직들은 다른 M값을 가지고 있다. 수면으로 직접 상승하기 위해서는 어떠한 조직도 각자 자신의 수면 M값을 초과해서는 안된다.

M값보다 장력이 높다는 것은 그 조직의 질소 압력이 기포 성장을 시작하는데 충분하다는 것이다. M값을 초과한 diving에서도 그 기준을 낮추면 질소의 최대허용치를 넘지 않는 깊이가 있을 것이다.(예를 들면 M15) 그 수심이 첫 번째 감압 정지를 해야하는 수심이다.

감압 정지를 통해 조직의 장력이 수면에서의 조직의 M값과 같거나 작게 낮추어 질 수 있도록 충분히 기체를 배출하게 되는 것이다.

M값을 초과하지 않는다고 해서 기포가 생성되지 않는다고 할 수는 없다. 신체에는 M값을 절대적인 기준으로 사용할 수 없게 만드는 수많은 변수들이 있다. 그간의 감압 결과의 변화를 보아도 역시 M값은 절대적인 안전한계라고 할 수 없다. 또한 M값은 모세혈관을 통하여 기체가 제거되는 속도에 비해 기체의 생성속도가 매우 느린 불활성 기체의 부분압이라고 정의할 수도 있다.

오늘날엔 다양한 M값을 가진 dive table과 computer가 있다. 이 말은 diving을 마쳤을 때 조직내 비활성기체의 장력이 미해군 table이 제시한 최대 값과 다른 값, 때로는 더 높은 값도 가질 수도 있다는 뜻이다.

다양한 dive computer나 table중에 하나를 구입하려 할 때 반드시 염두에 두어야 할 사항은 같은 수심에서라면 짧은 시간을 보낼수록 더 적은 양의 질소를 흡입한다는 것이다.

 할데인의 이론

1908년 영국의 생리학자 존 스코트 할데인(John Scott Haldane)은 염소를 이용한 실험으로부터 주위 압력의 1/2에 해당하는 압력까지는 빠르게 상승을 하여도 기포가 형성되지 않는다는 이론을 발표하였다. 즉 주위의 압력이 4기압(30m)에서 2기압(10m)으로 별안간 낮아져도 문제가 없다는 이론이다.

이런 가정에 기초를 하여 할데인은 인체의 조직을 5, 10, 20, 40, 75분의 반감시간을 갖는 5개의 조직으로 분류하고 이들 조직의 임계 과포화비를 전부 2:1로 제한하여 감압표를 만들었다.

할데인 모델은 불활성 기체의 흡수와 배출 과정을 단지 혈액과 조직 사이의 기체 교환의 거시적인 관점에 기초하여 바라본 것이다.

기본적으로 할데인 모델은 용해된 기체와 압력에 대해서만 고려를 하고 다른 기포 형성 과정이나 기체들 간의 상호 작용 등은 고려을 하지 않았다.

이러한 과정은 급작스러운 감압에서는 확실히 일어나지만 안정된 상태에서는 거의 일어나지 않는다. 최근 신체 조직에는 작은 안정된 기체낭이 존재하여 감압을 하면 이것이 성장한다는 이론을 뒷받침하는 자료들이 발표되면서 할데인 이론을 약간은 경험적인 이론이라고 간주하고 있지만 여전히 유용하다.

 미 해군 모델

한편 미 해군에서는 1937년 미 해군 고유의 감압표를 만들기 전까지 할데인의 것을 사용하였다. 미 해군 테이블과 할데인 테이블의 가잔 큰 차이점은 각각의 조직에 대해 서로 다른 임계비율을 적용시킨다는 것이다.

그리고 감압의 관점에서 볼 때 산소는 신진대사 작용으로 소비되기 때문에 불활성 기체인 질소의 부분압만 중요하다고 여겨 총임계비율을 질소임계비율로 수정하였다.

즉 공기중 질소의 비율이 79%이므로 할데인 모델에서의 총임계비 2:1은 미 해군 모델에서 질소임계비 1.58:1이 된다. 다음 표는 미 해군 모델의 임계비율이다.

조직의 반감시간(분)	총 임계비율	질소 임계비율	Mo값(fswa)
5	4 : 1	3.15 : 1	104
10	3.4 : 1	2.67 : 1	88
20	2.75 : 1	2.18 : 1	72
40	2.22 : 1	1.76 : 1	58
80	2 : 1	1.58 : 1	52
120	1.96 : 1	1.55 : 1	51

또한 미 해군 테이블에서는 5, 10, 20, 40, 80, 120분의 반감시간을 가진 6개 조직을 사용한다.
미 해군 테이블은 조직내의 질소량을 영문자로 표시하는데 문자군당 질소압력은 2 FSWA이다.
즉 문자군이 A인 다이버는 120분 조직에서 총압력 33-35FSWA 혹은 질소압력 26-27.65 FSWA가 된다.
잔류질소는 120분 조직에 있어서의 질소량에 근거를 두고 재잠수를 할 수심에서 이미 사용되어졌다고 생각되는 시간을 분단위로 환산한 것이다.

 다른 다이브 테이블들

미 해군 테이블 외에도 영국의 BSAC(British Sub Aquatic Club) 테이블이나, 스위스 테이블 등은 할데인의 이론에 근거를 두고 있다.

반면 DSAT(Dive Science and Technology Coorporation)이나 캐나다의 DCIEM(Defence and Civil Institute of Environmental Medicine) 등은 할데인 모델과는 약간 다른 개념을 사용하고 있다.

영국 해군의 테이블은 미 해군 테이블보다 수중에 체류할 수 있는 시간을 더 짧게 하고 좀 더 보수적인 임계비율을 사용한다.

그리고 수면휴식시간에 관계없이 모든 재잠수를 하나의 연속된 잠수로 간주한다.

1980년에는 영국 해군의 생리학 실험실인 RNPL(Royal Navy Physiological Laboratory)에서 어느 정도의 수면휴식시간이 고려되어 수정된 감압표가 제시되었다.

한편 스위스 쥬리히(Zurich) 대학에서 개발된 스위스 이론은 근원을 할데인의 이론에 두고 있지만 조직을 반감시간 2.65분에서 635분까지의 16개로 구분한다.

이 테이블은 영국이나 미국의 테이블과는 달리 M-값을 상수로 두지 않고 M-값이 대기의 압력에 따라 변한다고 가정하여 그 이론을 고도 다이빙에까지 확장하여 사용하고 있다.

이 이론은 현재 대부분의 다이브 컴퓨터에서 알고리듬으로 채택하고 있고 기술 잠수에서도 많이 사용하고 있다.
이와는 다르게 캐나다 테이블은 그 기원이 할데인 이론이 아니라고 할 수 있다.

할데인 이론에서는 인접한 조직에 관계없이 각 조직들이 주위 환경으로부터 독자적으로 질소를 흡수하고 배출된다고 가정하는데 반하여, DCIEM 이론에서는 연속된 일련의 조직들을 사용한다.

즉 첫번째 조직만 주위 환경으로부터 질소를 흡수하거나 배출하고 두번째와 그 다음의 조직들은 주위 환경이 아니라 단지 앞의 조직으로부터 질소를 흡수하거나 배출한다고 가정한다.
이 연속적인 조직의 개념은 할데인 테이블보다 더 보수적이라 할 수 있다.

그리고 DSAT에서는 1987년 미 해군에서 사용되는 60분짜리 조직만 사용하는 모델을 소개하였다. 이들의 논리는 상업이나 군사적 목적의 잠수에는 긴 반감시간을 갖는 조직의 사용이 타당하지만 스포츠 다이빙에서는 60분 조직만 사용해도 무리가 없다는 것이다.

이 테이블에서는 재그룹군의 숫자를 늘리고 미 해군의 무감압한계 시간보다 낮은 값을 채택하고 있다. 이 외에도 Huggins는 해군 다이버를 대상으로 만들어진 미 해군 테이블을 스포츠 다이빙에 적용하는 부적절함을 지적하고, 미 해군 테이블을 사용하여 다단계 잠수(Multi-Level Diving)의 이론을 적용시키는 위험성을 고려하여 No-Decompression 테이블을 제작하였다.

또한 Spencer는 초음파 탐지기를 사용해서 미 해군 테이블의 무감압한계 내에서도 기포가 형성된다는 사실을 발견하여 인체에 기포가 형성되지 않도록 무갑압한계를 더욱 줄인 테이블을 제작하였다.

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NAUI Course Director

NAUI Nitrox diving Instructor

ASHI CPR Instructor

김승규

 팀 드레이크/team DRAKE