潜水士がヘリウムと酸素の混合気体を呼吸する理由は、いくつかの重要な科学的原則に基づいています。深海での作業は非常に過酷であり、潜水士の安全を確保するために特別な気体を使用することが求められます。通常の空気は窒素を含んでいますが、この窒素が深海での潜水において問題を引き起こす可能性があります。そこで、ヘリウムと酸素の混合気体を使用することが選ばれます。
1. 窒素酔い（ナルコーシス）の回避
潜水中、特に深い水深では、空気に含まれる窒素ガスが高圧下で作用し、神経系に影響を与えることがあります。これを「窒素酔い（ナルコーシス）」と呼び、酩酊状態や判断力の低下を引き起こします。深海においては、潜水時間が長くなるほど、窒素酔いのリスクが高まります。これを防ぐために、潜水士は窒素を含まない気体を使う必要があります。
ヘリウムは無色、無臭で、気体として非常に軽いため、圧力が高くても神経系に与える影響が少ないです。このため、ヘリウムを使用することで窒素酔いを避けることができます。
2. 酸素とヘリウムの役割
深海での呼吸において、酸素は必要不可欠です。しかし、酸素の濃度が高すぎると、酸素中毒のリスクが増加します。酸素中毒は、高圧環境下で酸素が過剰に体内に取り込まれることによって引き起こされ、神経系に悪影響を及ぼすことがあります。このため、酸素の濃度は制御され、ヘリウムと混ぜることで、酸素の濃度を適切に保つことができます。
ヘリウムは酸素と混ぜて使うことで、酸素の中毒を防ぎつつ、潜水士が十分な酸素を取り込むことができます。ヘリウムは非常に軽く、肺に対しても負担をかけにくい性質があります。
3. 声の変化
ヘリウムを呼吸することで、潜水士の声が高くなる現象が見られます。これはヘリウムが音速を速くし、人間の声帯で発生する音波の伝達速度が速くなるためです。これはあくまで一時的な変化であり、潜水士の業務には影響しませんが、作業中にチームとのコミュニケーションを円滑にするために使用されることもあります。
4. 他のメリット
ヘリウムは低温で圧縮されても凝縮しにくく、腐食性がないため、深海で使用しても非常に安全です。また、ヘリウムは体内で迅速に排出されるため、潜水後の急激な浮上においても安全性が高いとされています。
5. まとめ
深海潜水士がヘリウムと酸素を混合して呼吸する主な理由は、窒素酔いや酸素中毒を防ぎ、安全に作業を行うためです。ヘリウムは神経系に対して無害で、酸素の過剰摂取を避けることができるため、深海での潜水作業において非常に重要な役割を果たします。このような理由から、ヘリウムと酸素の混合気体は、深海作業を行う際に標準的に使用されるガスとなっています。