会当击水三千里，上天“入海”的氢气（一）-氢奇氢趣
大海，人类的故乡
潜水之梦：
神游海底和飞天一样是人类由来已久的梦想。2800年前，米索不达文化全盛时期，阿兹里亚帝国的军队用羊皮袋冲气，从水中攻击敌军，这也许就是潜水的前身。1637年，宋应星所著的《天工开物》中记载了当时潜水技术的要领。用长绳系在潜水员的腰上，再用锡做的环形空管罩在鼻子上，潜水员可通过这个管子呼吸。当他在水下感觉憋气不适时，就拉动绳子。水面上的伙伴就会马上把他提出水面，休息后再下潜作业。
《天工开物》中采珠的记载
不过这项技术和拿根空芦苇伸到水面呼吸空气无本质区别。
如今，随着潜水运动风靡全球，走进水中世界已不再是一个童话般的心愿，而是一份令人惊喜不已的浪漫。而氢气又在其中扮演了什么样的角色呢？本期氢奇氢趣，我们就来带大家了解氢气潜水的历史。
历史起源
16世纪的潜水钟是最早的水下呼吸装置，但这一“钟”的空气，用完即止。
16世纪木制潜水钟
1771年，英国工程师约翰·斯梅顿发明通过软管连接到潜水钟上的空气泵，在这一基础上，法国科学家Sieur Freminet设计出一个可以让人自由活动，并能实现“再呼吸”的装置（hydrostatergatique），实现在水底的“循环呼吸”。从某种意义上来说，这是世界上第一台独立封闭的氧气装置。
但是这一装置也未能解决一个严峻的问题——在压强大的深海如何呼吸。
在大海中深度每增加10米，水压就会增加约一个大气压。所以每个深度的水域，都需要氧气装置供给人体不同压强的空气。没有气压调节装置，凭个人难以完成呼吸。
1860年，法国工程师Rouquayrol发明了史上第一个呼吸调节器。其原理与我们现在所用的水肺调节器原理已几乎相同，都是通过几个阀门分级的形式，来控制输出气压的大小。
“豌豆射手”式海底呼吸装置（hydrostatergatique）
此后水肺的发展开始出现两种模式，开放式和闭路式。开放式是我们现在使用得最多的器材。只提供呼吸的气体（压缩空气），给潜水员使用。
而封闭式呼吸系统又称循环式呼吸器。潜水员在使用供气后，系统会将二氧化碳吸收，并重新注入适当的氧气，再供潜水员使用。一般应用于工业或军事等等级需求更高的潜水活动。
1876年，Henry Fleuss成为史上封闭式水肺的第一人。而且这也是第一批批量生产的封闭式循环呼吸器，被用于潜艇的紧急逃生和维修。不过其本人，在一次潜水试验中，他因高压氧中毒，死在了水下30英尺的海中。
氧虽是维持生命必不可少的物质，但超过一定压力和时长的氧气吸入，人体某些系统和器官功能会被损坏。所以呼吸系统中氧气必须被稀释使用。
Henry Fleuss的呼吸装置
氢氦相逢
使用等压呼吸潜水装备的人所吸收入的气体量会随着深度的增加而加大。在潜水超过60m 时，吸入空气中的氮分压会达到引起氮麻醉的危险程度，因此有必要用其它惰性气体代替氮将氧稀释。通常选用氦和氢。
传统的氦氧大深度潜水受到两个因素的制约，一是超过300米深度的高压神经综合症，二是气体密度对肺通气的损伤。氢气由于具有一定麻醉作用，对预防高压神经综合症有一定价值，另外由于氢气的分子量更小，对减少肺通气损伤也有帮助。
氢对有机体的安全性
法国著名化学家拉瓦锡是最早命名氢，也是最早研究氢的生理作用的科学家。早在1789年，拉瓦锡和塞奎因曾经将氢作为呼吸介质进行动物实验研究。实验中，拉瓦锡等把豚鼠放入钟形玻璃容器内，使容器中维持生命的氮和氧保持一定量，然后添加氢，豚鼠在容器内呼吸氢氮氧三元混合气，历时8-10 h，未发现氢给机体带来任何不利影响。
1937年，英国Case和小Haldane把氢作为潜水呼吸气进行人体实验研究。1941年前苏联Lazarev等把小鼠加压到9.1 MPa（相当900米海底），呼吸氢氮氧混合气，停留3分钟，尔后经过约1小时的减压，获得成功。这些早期研究初步证明，人和动物呼吸氢氧是安全的。
在美国等开展氦氧潜水实验的早期阶段，由于当时许多国家很难获得足够的氦，潜水员曾尝试氢及其他混合气的潜水研究。
氢氧潜水之父Arne Zetterstrom
氢氧混合气潜水尝试
最著名的例子是瑞典工程师Arne Zetterstrom进行的氢氧混合气潜水实验。氢氧混合气具有爆炸性，但在氧浓度低于4%时爆炸不会发生。常压下，4%的氧浓度无法维持生命，但在30米水下，即使4%的浓度氧分压也可以升高到16 kPa，就可以维持机体氧气的需要。
1944年，Zetterstrom发明了安全配制氢氧混合气的方法，可将空气转换成低于4%氧的氢氧混合气并能避免发生爆炸。利用这种方法，他配制了氢氧混合气，并应用到潜水中。在30米深度，Zetterstrom先用含氧4%的氮氧混合气代替空气，然后用同比例的氢氧混合气代替氮氧混合气，采用这种技术，他成功下潜到110米。在这个深度，他变得异常兴奋，而且发生了明显的语音改变，甚至无法与水面进行电话通讯。
1945年8月7日，为了证明氢氧潜水技术在援救潜艇上能发挥重要作用，Zetterstrom成功进行了161米的现场氢氧潜水。由于无现成的氢氧潜水减压表，Zetterstrom根据自己的计算把第一停留站确定为50米。不幸地是，由于错误理解他来自水下的指令，水面支持人员未让他在50米停留，而是直接将他拉到水面，因为无法及时更换高分压氧的呼吸气，导致发生缺氧和严重的减压病，Zetterstrom为此献出了生命。尽管他死亡的直接原因不是呼吸氢氧，但这次事故直接导致此后多年氢氧潜水研究被中断。
海底世界瑰丽无比，也蕴藏着巨大危险
至此，氢氧潜水的研究改何去何从，人们又是如何重新开始研究氢气在潜水中的应用呢？下周氢奇氢趣，我们将继续为您介绍。
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Gortan C , Delauze H G . Hydra V Hydrogen Experimental Dive To 450 Meters.[M] Offshore Technology Conference, 1986.
Ciesielski T , Imbert J . Hydrogen Offshore Diving to a Depth of 530 m: Hydra VIII.[C] Offshore Technology Conference, 1989.
