Z ciśnieniem lepiej nie igrać

Jcques Piccard i Don Walsh wsiedli 23 stycznia 1960 r. do batyskafu „Trieste” i rozpoczęli podróż na dno rowu oceanicznego, w którym bez trudu zmieściłby się Mount Everest. Siedzieli w małej metalowej kuli, ledwie mieszczącej dwie osoby i podwieszonej do o wiele większego pływaka. Po pięciu godzinach byli już u celu. W chwili, gdy tam dotarli, spojrzeli na przyrządy pomiarowe. Te pokazały wartość 10911 m. Byli w najniższym miejscu planety. Po dwudziestu minutach wyruszyli w drogę powrotną. Trzy godziny i piętnaście minut później znów mogli odetchnąć świeżym powietrzem.

Wyczyn „Trieste” był w większym stopniu zasługą jego konstruktora – szwajcarskiego naukowca i wynalazcy Auguste’a Piccarda – niż dwójki śmiałków, którzy wsiedli do tego niecodziennego środka transportu. Auguste Piccard to postać niezwykła. Był jednym z pierwszych, którzy rzucili wyzwanie ciśnieniu – najpierw atmosferycznemu, a potem hydrostatycznemu. Oba są dla nas zabójcze, jeśli ich wartość wykracza poza bardzo wąski limit. Za duże nas zgniecie, za małe – rozerwie. Przed II wojną światową Auguste Piccard, chcąc zbadać górne warstwy atmosfery, wzniósł się na wysokość ponad 20 km w specjalnej ciśnieniowej gondoli, którą sam zbudował i podwiesił do balonu. Takich lotów odbył wiele, a następnie doszedł do wniosku, że podobną gondolę można, oczywiście po pewnych modyfikacjach, wykorzystać do badania głębin oceanicznych. Rozpoczął więc prace nad batyskafem – samodzielnym pojazdem załogowym mogącym nurkować na znaczną głębokość. W 1954 r. zaprezentował światu „Trieste”. Zbudował go wspólnie ze swoim synem Jakiem, który potem usiadł za sterami pojazdu podczas pamiętnej wyprawy na dno Rowu Mariańskiego, gdzie ciśnienie wody jest ponad 1000 razy większe od ciśnienia atmosferycznego.

Nawet ryby głębinowe tak daleko się nie zapuszczają, choć w zeszłym roku w Rowie Izu-Ogasawara na wschód od Japonii sfotografowano rekordzistkę, która dotarła na głębokość 8336 m. Należała do rodzaju Pseudoliparis, wchodzącego w skład rodziny dennikowatych. Wielu jej przedstawicieli ma przezroczyste ciała pozbawione pęcherzy pławnych, a zamiast tego wypełnione galaretowatą substancją. Ułatwia im to poruszanie się na dużych głębokościach. Inne przystosowanie do życia w otchłaniach to wydzielanie specjalnych enzymów, dzięki którym mięśnie ryb zachowują dużą sprawność w warunkach wysokiego ciśnienia.

Rekord nurkowania z butlą należy do egipskiego żołnierza Ahmeda Gabra, który z akwalungiem zszedł na głębokość 332 m. Zanurzył się w ciągu 14 min, a na powierzchnię wracał 14 godz., by nie zabiła go choroba dekompresyjna. Na głębokości 300 m ciśnienie jest ok. 30 razy wyższe od atmosferycznego, a z eksperymentów laboratoryjnych wynika, że limit wytrzymałości człowieka to 60–70 atmosfer. To niewiele przy 1000 atm panujących na dnie Rowu Mariańskiego i 800 atm wytrzymywanych przez denniki Pseudoliparis.

Za dużo źle, za mało – też niedobrze

Równie trudno jest przetrwać człowiekowi tam, gdzie ciśnienie jest dla niego za małe. Każdy słyszał zapewne o chorobie wysokościowej, która najczęściej dopada ludzi wspinających się na najwyższe pasma górskie Ziemi, choć w łagodniejszej formie może uprzykrzyć życie również tym, którzy przebywają na wysokości 3–4 km n.p.m., np. w Alpach lub Pirenejach. Bezpośrednią przyczyną choroby wysokościowej jest niedotlenienie organizmu spowodowane wzrostem wysokości bezwzględnej. Im wyżej się znajdujemy, tym mniejsze jest ciśnienie parcjalne tlenu w naszych pęcherzykach płucnych i tym mniej życiodajnego gazu trafia z rozrzedzonego powietrza do naszego krwiobiegu. Jeśli na dodatek wspinamy się szybko i nie schodzimy na nocleg niżej, dajemy organizmowi za mało czasu na przystosowanie się do funkcjonowania przy zmniejszonym ciśnieniu parcjalnym tlenu (czyli w niedotlenieniu).

Ostre objawy choroby wysokościowej, takie jak skrajne zmęczenie, zawroty głowy i nudności, obserwowano u części osób, który spędziły zaledwie kilkanaście godzin na – wydawałoby się – stosunkowo niewielkiej wysokości 3,5–4 km n.p.m. Zdarzały się u nich nawet przypadki obrzęku płuc, który może zabić w ciągu kilkunastu godzin, jeśli chora osoba nie otrzyma leków lub nie zostanie natychmiast sprowadzona w dół. A przecież taka wysokość stanowi mniej niż połowę tej osiąganej przez olbrzymy z Himalajów i Karakorum. Ciśnienie atmosferyczne na wierzchołku Mount Everestu jest ponad trzy razy niższe niż na poziomie morza i choć niektórzy potrafią wdrapać się na najwyższą górę na Ziemi bez tlenu, to badania prowadzone wśród ludzi wspinających się na najwyższe ośmiotysięczniki wskazują, że praktycznie wyznaczają one kres możliwości fizjologicznych człowieka.

O tym, że ciśnienie atmosferyczne spada wraz ze wzrostem wysokości nad poziomem morza, wiedziano już w XVII w. Najpierw Evangelista Torricelli, włoski fizyk i matematyk, a także uczeń i przyjaciel Galileusza, pierwszy doszedł do wniosku, że powietrze jednak waży i wywiera nacisk na obiekty znajdujące się na Ziemi, a następnie wynalazł instrument do pomiaru tego nacisku, który nazwał barometrem. Wcześniej przeprowadził eksperyment, wykazując, że ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza jest równe ciśnieniu, jakie wywiera słup rtęci o wysokości 760 mm. Było to w 1643 r.

Kilka lat później inny geniusz nauki, Blaise Pascal, wydedukował, że atmosfera ziemska ma skończoną wysokość, a zatem im wyżej się znajdziemy, tym mniejszy będzie wywierała nacisk. Postanowił to sprawdzić poprzez wniesienie barometru na znajdujący się w Masywie Centralnym we Francji wygasły wulkan Puy de Dôme (1460 m n.p.m.), w pobliżu którego mieszkał. Sam był wątłego zdrowia, więc wykonawcą eksperymentu przeprowadzonego w 1648 r. stał się jego szwagier Florin Périer. Faktycznie na szczycie góry poziom rtęci w rurce spadł. Sam Pascal wdrapał się w Paryżu na dzwonnicę kościoła św. Jakuba, mającą 50 m wysokości. Stwierdził, że na górze poziom rtęci w barometrze był nieco niższy niż na dole.

Z barometrem na Mont Blanc

W kolejnych dekadach inni badacze próbowali dokładniej określić zależność między ciśnieniem powietrza a wysokością bezwzględną, co im się na tyle udawało, że barometr zaczął służyć do pomiaru wysokości szczytów. W ten właśnie sposób szwajcarski uczony Horace-Bénédict de Saussure ustalił w 1787 r. prawidłową hierarchię alpejskich szczytów. Wcześniej próbowano poznać wysokość Mont Blanc, alpejskiego olbrzyma, przy pomocy metod trygonometrycznych, które były wówczas jeszcze niedokładne. W 1727 r. uzyskano wynik 4276 m, a w 1760 r. podniesiono górę do 4660 m. Wciąż jednak za wyższe od niego uchodziły Matterhorn i Monte Rosa. Profesor Université de Genève udał się na wspinaczkę, w której towarzyszyło mu kilkunastu górali z Chamonix. Zabrał barometr oraz wiele innych instrumentów meteorologicznych, z których część sam skonstruował, jako że był wielkim fanem obserwacji pogodowych. Przy pomocy barometru ustalił, że Mont Blanc ma 4775 m n.p.m., a zatem jest najwyższą górą Alp. Pomiar sprzed ponad 200 lat okazał się zadziwiająco precyzyjny. De Saussure ujął szczytowi tylko ok. 30 m.

Ciśnienie odgrywa jednakże kluczową rolę także w wielu innych zjawiskach naturalnych. Jednym z nich są gejzery. Choć gorących źródeł na świecie nie brakuje, niewiele jest takich, które regularnie wyrzucają w górę słup wrzącej wody i gorącej pary. Steamboat w Parku Narodowym Yellowstone potrafi wystrzelić na wysokość blisko 100 m i jest pod tym względem światowym rekordzistą. Z kolei Strokkur na Islandii nie może zaznać spokoju – budzi się co 5–10 min.

Jak powstają te naturalne fontanny wrzątku? Potrzebne są woda, ciepło i… oczywiście ciśnienie. W głębi ziemi bąbelki pary wodnej uciekające z wód podgrzewanych ciepłem geotermalnym gromadzą się w wąskich komorach i przewodach skalnych, nie znajdując z nich ucieczki. Ciśnienie rośnie. W końcu presja pary i bulgocącej wody staje się tak duża, że w pewnej chwili odnajdują drogę na powierzchnię poprzez wąski wylot gejzeru i wystrzeliwują – tym wyżej, im wyższe ciśnienie narosło pod ziemią. Nagromadzona tam energia znajduje ujście, a podziemny rezerwuar gorących wód zostaje opróżniony. Potem wszystko zaczyna się od nowa.

Ciśnienie to, najprościej mówiąc, siła przypadająca na jednostkę powierzchni. Gejzer wystrzeliwuje, gdy wartość graniczna owej siły zostaje przekroczona. Ponieważ nie istnieją dwa identyczne gejzery, każdy ma własny limit wytrzymałości. Podobnie dzieje się w przypadku wulkanów. Najgroźniejsze z nich są te, które wybuchają rzadko, ale z wielką mocą. W znajdującej się pod nimi komorze gromadzą się olbrzymie ilości gorącej lawy bogatej w gazy. Gdy ciśnienie gazów i lawy w komorze przekroczy punkt krytyczny, następuje wybuch, który może zniszczyć wszystko w promieniu wielu kilometrów. Bywa jeszcze bardziej apokaliptycznie. Podczas gigantycznych erupcji superwulkanów, zdarzających się średnio co kilkadziesiąt tysięcy lat, na powierzchni skorupy ziemskiej powstają wyrwy o głębokości ponad kilometra i średnicy nawet 100 km. Z ciśnieniem nie ma żartów.

Wybuchowe bąbelki

Wiedzą o tym doskonale producenci (i konsumenci) szampanów. Gromadzi się w nim dwutlenek węgla wytwarzany przez drożdże dodane do wina w momencie jego butelkowania. Im więcej gazu zbierze się w butelce, tym wyższe będzie w niej ciśnienie, dzięki czemu bąbelki CO₂ łatwiej rozpuszczą się w cieczy. W przypadku szampanów to ciśnienie jest całkiem pokaźne – wynosi ok. 6 barów, a zatem jest jakieś trzy razy większe od ciśnienia powietrza w oponach samochodowych (i ok. 6 razy większe od ciśnienia atmosferycznego na poziomie morza). Dlatego butelki, w których dojrzewa taki energetyczny napój, muszą być wykonane z grubego wzmocnionego szkła. Gdy otwieramy taką butelkę, ciśnienie w jej wnętrzu szybko spada, a gaz nie może już pozostać w napoju i w postaci bąbelków wydostaje się na zewnątrz. Tak samo dzieje się w przypadku napojów gazowanych, tyle że one są sztucznie nasycane dwutlenkiem węgla, co da się zrobić tylko wtedy, gdy gaz wtłaczamy pod odpowiednim ciśnieniem.

Dobrze wiemy, co się dzieje, gdy butelkę szampana lub pojemnik z napojem gazowanym umieścimy w ciepłym miejscu lub, co gorsza, potrząśniemy nimi mocno tuż przed otwarciem. W obu przypadkach dwutlenek węgla zaczyna się oddzielać od napoju, a bąbelki tylko czekają na uwolnienie. Gdy się doczekają, cała zawartość naczynia może wylecieć w powietrze niczym w gejzerze. Efekty bywają nieprzyjemne. Wypchnięty korek może polecieć na odległość nawet 10 m. Lepiej nie znaleźć się na jego drodze.

W przypadku ciał stałych igraszki z ciśnieniem wyglądają inaczej niż w przypadku cieczy i gazów. Kto próbował chodzić po głębokim śniegu w butach, ten wie, że daleko zajść się nie da, ponieważ natychmiast się w nim zapadamy. Winne jest właśnie ciśnienie, czyli nacisk naszego ciała skoncentrowany na małej powierzchni. Jest on na tyle duży, że z łatwością przebijamy taflę śniegu. Wynalazek nart lub rakiet śnieżnych umożliwił poruszanie się po śniegu bez zapadania, ponieważ dzięki nim można rozłożyć ciężar ciała na większą powierzchnię (czyli zmniejszyć ciśnienie).

W przypadku ciał stałych takich jak śnieg zmiany ciśnienia zachodzą lokalnie, czyli w danym miejscu. Bierze się to stąd, że ich atomy są nieruchome. Natomiast w przypadku gazów i cieczy ciśnienie zmienia się w całej ich objętości. Dotyczy to butelki szampana, dętki, a także najzwyklejszego balonu. Zanim go nadmuchamy, ciśnienie wewnątrz i na zewnątrz balonu jest takie samo. Nadmuchiwanie balonu (albo dętki) polega na wprowadzaniu do niego dodatkowych cząstek gazu. Wywierają one nacisk na wewnętrzne ścianki. Ciśnienie rośnie w całej objętości, a balon zaczyna się równomiernie rozszerzać. Oczywiście, jeśli przesadzimy i będziemy próbowali wepchnąć do niego za dużo dodatkowych cząstek, nie wytrzyma zbyt wysokiego ciśnienia i pęknie.

Samolot naciskany od dołu

Zasada, że wzrost ciśnienia w dowolnej części cieczy znajdującej się w zamkniętym pojemniku lub układzie przewodów zachodzi równomiernie w całej jej objętości, została zastosowana w niezliczonych maszynach o napędzie hydraulicznym. Weźmy np. hamulce samochodu. Naciskając pedał, kierowca wprawia w ruch tłok, który napiera na płyn hamulcowy. Zmiana ciśnienia w płynie jest przenoszona na szczęki, które zaciskają się na tarczy hamulcowej koła i zmniejszają prędkość pojazdu.

W identyczny sposób, czyli konstruując rozmaite urządzenia, można wykorzystać również ciśnienie gazów. Jednym z takich wynalazków jest sprężarka stosowana m.in. w pompach, dmuchawach, wentylatorach, turbinach, a także w najzwyklejszym odkurzaczu. Znajdujący się w tym ostatnim urządzeniu wentylator obniża ciśnienie powietrza po jednej stronie łopatek, a podnosi po drugiej. Powietrze w pomieszczeniu, dążąc do wyrównania ciśnień, wpada do węża, porywając drobiny kurzu i brud. Kluczowym elementem każdej sprężarki jest wirnik – to on, obracając się, wytwarza różnicę ciśnień.

Stąd już bardzo blisko do helikoptera, który unosi się dzięki wirującym łopatom wirnika nośnego, zwanego popularnie śmigłem. Gdy śmigło z odpowiednio ustawionymi łopatami zostaje wprawione w ruch, powyżej niego tworzy się strefa podciśnienia, a poniżej – nadciśnienia. Ta różnica ciśnień daje początek ogromnej sile nośnej, pchającej helikopter do góry. Ta sama siła nośna powstaje również w chwili, gdy mające odpowiedni kształt skrzydła samolotu tną powietrze. Powietrze opływające je od góry porusza się szybciej niż opływające je z dołu. W takim szybciej płynącym powietrzu ciśnienie jest niższe. I znów pojawia się siła nośna, która unosi samolot.

Niezdrowe skoki ciśnień

Piloci, czy to helikoptera, czy samolotu, muszą stale śledzić pogodę, aby w razie potrzeby skorygować trasę podróży albo zwiększyć siłę nośną i przelecieć ponad strefą burz. W ten sposób wróciliśmy na koniec do ciśnienia atmosferycznego. Nie jest ono stałe w danym miejscu, lecz zmienia się w pewnych granicach. Od tych wahań zależą w dużym stopniu pogoda i klimat. Wszak wiatry wieją właśnie dlatego, że mamy wyże i niże atmosferyczne, czyli obszary podwyższonego i obniżonego ciśnienia. W wyżu powietrze opada, a następnie przemieszcza się jako wiatr ku niżowi, gdzie wędruje ku górze. Układ ten dąży do równowagi, więc im większa jest różnica ciśnień pomiędzy wyżem a sąsiednim niżem, tym silniej będzie dmuchać. Ponieważ w niżach spotykają się masy powietrza zassanego z różnych stron i z tej przyczyny mające różną temperaturę i wilgotność, w strefach ich kontaktu powstają fronty atmosferyczne.

Wszystko to pierwszy opisał, także przy pomocy równań matematycznych, norweski uczony Vilhelm Bjerknes, twórca współczesnej meteorologii synoptycznej. Po I wojnie światowej zaczął nanosić na mapy pogody wyże, niże i fronty atmosferyczne. Uważał on, że pogodę można przewidywać, pilnie obserwując przede wszystkim zmiany ciśnienia powietrza. Koncepcja frontu jako ostrej granicy oddzielającej dwie masy powietrza o różnej temperaturze i wilgotności skojarzyła mu się z operacjami wojskowymi podczas I wojny światowej.

Frontom atmosferycznym towarzyszy zwykle niestabilna pogoda i wpływają niekorzystnie na samopoczucie wielu z nas. Jeszcze gorzej bywa, gdy nad jakąś okolicę nadciąga silny niż lub wyż. Wielu ludzi bardzo źle znosi takie zmiany ciśnienia atmosferycznego. Największy dyskomfort odczuwają osoby z chorobami układu krążenia, wśród których pokaźną grupę stanowią nadciśnieniowcy, czyli ci, u których krew naciska zbyt mocno na ścianki tętnic. Wahania ciśnienia atmosferycznego mogą sercowców i nadciśnieniowców przyprawić o zawał lub udar mózgu. Bywają zabójcze. Podobnie jest z długo utrzymującymi się falami upałów, nakręcanych przez uparty wyż, który nie chce odejść. Tak, ciśnienie to potęga. Lepiej z nim nie igrać, a ciśnienie tętnicze mieć zawsze pod kontrolą.