На любой высоте воздух в легких пропитан водяным паром, образующимся в организме. Особенно хорошо это видно на холоде, когда в результате выдоха возникает облачко пара. Парциальное давление этих паров – 47 торр. Это значит, что при атмосферном давлении в 47 торр, соответствующем высоте в 19 200 м, легкие целиком заполнятся паром, не оставляя места для кислорода и других газов. Таким образом, доля давления газа в легких, приходящаяся на водяной пар, возрастает по мере набора высоты – с 6 % на уровне моря до 19 % на вершине Эвереста.

Присутствие пара в альвеолах объясняет, почему парциальное давление кислорода в этих воздушных пузырьках ниже, чем в атмосфере (кроме того, кислород постоянно расходуется на нужды организма). Этим же фактором определяется физический предел высоты, которой может достичь человек, даже дыша чистым кислородом. Нижняя граница барометрического давления, при котором поддерживается нормальная концентрация кислорода в легких (100 торр), при дыхании чистым кислородом соответствует примерно 10 400 м, что равно высоте полета большинства пассажирских лайнеров. На большей высоте выжить тоже можно, поскольку при учащенном дыхании выпускается больше углекислого газа и освобождается место под кислород. Однако уже на высоте 12 200–13 700 м кислорода вырабатывается недостаточно, и человек теряет сознание. Выше 18 900 м при температуре тела кровь «закипает», т. е. фактически испаряется. Тем самым объясняется, почему для подобных высот и космических путешествий необходим герметичный скафандр или капсула с автономной системой подачи воздуха (см. гл. 6).

«В случае внезапной разгерметизации кислородные маски выпадают автоматически». В последние 25 лет популярность авиаперелетов неуклонно растет, поэтому фраза эта знакома практически каждому, хотя, к счастью, мало кому пришлось применить это знание на практике. Большинство пассажирских перелетов совершаются на высоте около 10 400 м. Если на этой высоте выбить стекло, мы услышим громкий хлопок вырывающегося из кабины воздуха – внутреннее давление уравновесится с внешним. Непристегнутые предметы и людей вытянет за борт, а кабина наполнится мелкой водяной взвесью, поскольку температура тоже сравняется с наружной и в воздухе сконденсируется водяной пар. Поэтому кислородную маску важно надеть мгновенно, ведь уровень кислорода в легких моментально упадет, и в течение 30 секунд вы потеряете сознание. «Полезное» время, за которое пилоту придется предпринимать какие-то действия, и того меньше – 15 секунд. Одного капитана воздушного судна погубило то, что он не успел надеть кислородную маску, наклонившись за упавшими очками. К счастью, второй пилот оказался расторопнее.

Парциальное давление кислорода в легких на высоте 10 400 м при дыхании несжатым воздухом составляет около 20 торр – это слишком мало для жизни. При дыхании чистым кислородом оно возрастает до 95 торр. Этого хватит, чтобы выжить, если вы будете сидеть смирно, не тратя энергии, поэтому экипаж учат в подобных ситуациях сидеть спокойно, пока самолет не опустится на более приемлемую высоту (а кроме того, еще и потому, что снижение в таких случаях проводят резкое, чтобы опуститься побыстрее).

Падение дееспособности на больших высотах погубило немало людей в начале Второй мировой войны. Если на высоте 5500 м хвостовой стрелок бомбардировщика, дышавший воздухом в своей пулеметной турели, чувствовал себя вполне бодрым, то при попытке перебраться в головную часть многие теряли сознание. Это происходит потому, что работающие мышцы потребляют больше кислорода, чем организм может получить из разреженного воздуха, и оставшегося кислорода не хватает на обеспечение нужд мозга. Однако в спокойном сидячем положении можно подняться в негерметизированной кабине, не теряя сознания, до 7000 м, что, надо отметить, значительно уступает высоте Эвереста.

Куда коварнее внезапной разгерметизации медленное падение давления в кабине, поскольку постепенное снижение содержания кислорода в воздухе замечается не сразу. Пилот, не подозревая об опасности, может не успеть предпринять необходимые шаги. Как подробно описывали первые воздухоплаватели, кислородное голодание вызывает эйфорию, рассеянность и неверную оценку обстановки. В итоге наступает мышечная слабость, потеря сознания, затем кома и смерть. Все это вызвано неспособностью организма достаточно быстро реагировать на снижение доли кислорода в воздухе на больших высотах.

Официальный предел для полета в негерметизированной кабине без кислорода – 3000 м, хотя кислородом пользуются начиная с 2400 м, для перестраховки. В салонах пассажирских самолетов создается давление, соответствующее высоте 1500–2400 м над уровнем моря, поскольку, чтобы обеспечить более высокое давление, пришлось бы значительно увеличивать вес фюзеляжа и тратить слишком много мощности двигателей на наддув. Кроме того, в этом нет необходимости, поскольку на такой высоте парциальное давление кислорода достаточно для нормального насыщения им крови. Однако страдающие легочными или сердечными заболеваниями могут не справиться с понижением уровня кислорода, и им потребуется в полете кислородный баллон. Именно из-за перепадов давления (когда внутреннее давление в кабине приводится в соответствие с внешним) у нас закладывает уши при взлете и посадке на уровне моря (подробнее об этом см. гл. 2).

В отличие от пассажирских самолетов, многие истребители не герметизируют или герметизируют слабо, создавая давление, соответствующее 7600 м над уровнем моря, поскольку более сильная герметизация потребует увеличения веса и лишит истребитель маневренности. Поэтому летчикам приходится надевать плотно прилегающую маску и дышать смесью воздуха с чистым кислородом. Смесь регулируется автоматически в зависимости от высоты, снабжая летчика кислородом в достаточном количестве, не вызывающем кислородного опьянения (см. гл. 2). Выше 11 500 м подается под давлением чистый кислород. Дышать сжатым воздухом непривычно – в отличие от нормального дыхания, когда вдох представляет собой активный процесс, а выдох происходит при расслаблении мышц грудной клетки, сжатый воздух заполняет легкие сам, а вот выдыхать его приходится с усилием. Поэтому такое дыхание – достаточно трудоемкий процесс. Кроме того, при слишком сильном «наддуве» легкие может разорвать – как ту лягушку в эзоповой басне, что пыжилась, пока не лопнула. Однако если на стенки грудной клетки будет обеспечено давление извне, легкие могут выдержать больший «наддув», поэтому пилоты истребителей облачаются в специальный костюм. По сути, это плотно облегающий комбинезон, который при низком давлении накачивается воздухом в районе грудной клетки и живота. Его используют военные летчики, поднимающиеся выше 12 000 м, чтобы спастись в случае полной разгерметизации (если, например, корпус истребителя пробьет шрапнелью). Аналогичный костюм надевала Джуди Леден, когда в 1996 г. спускалась на дельтаплане с воздушного шара, поднявшегося на высоту 12 000 м над Иорданской пустыней, тем самым побив мировой рекорд высоты для дельтапланеристов.

Гражданские самолеты конструируются таким образом, чтобы в случае разгерметизации окна воздух выходил не так быстро и давление падало постепенно (именно поэтому иллюминаторы на «Конкордах» такие маленькие). Однако если снаряд попадет в истребитель или летчику придется катапультироваться, разгерметизация произойдет в считанные секунды. Поэтому летчиков учат правильно выдыхать в процессе разгерметизации, чтобы легкие не разорвало от резкого притока воздуха. Кроме того, им грозит «кессонная болезнь», возникающая, когда растворенные в крови и тканях организма газы при низком давлении выделяются из раствора в виде пузырьков. Ощущения и опасность при разгерметизации на большой высоте сходны с опасностью, подстерегающей ныряльщиков, всплывающих с глубины на поверхность (более подробно об этом см. в гл. 2).