Возрастающее с глубиной погружения давление воды повышает давление и плотность дыхательных газов. Более плотный, а следовательно, и более тяжелый дыхательный газ даже на глубинах около 40 м сильно влияет на органы дыхания водолаза. Так как объем легких практически не изменяется, а давление на каждые 10 м водяного столба увеличивается на 1 атм, на глубине 10 м требуется уже вдвое больше воздуха, приведенного к нормальному давлению, на глубине 20 м — втрое больше и т. д.
Опытный водолаз потребляет в непосредственной близости от поверхности примерно от 25 до 30 л воздуха в минуту. При содержании кислорода, составляющем 21 %, в легкие каждую минуту попадает около 6 л кислорода. Однако потребляется и при выдыхании выделяется в виде углекислого газа только около 22,5 % этого количества, т. е. всего 4,7 % вдыхаемого воздуха. Так как выдыхаемый воздух в аппаратах с открытой циркуляцией выходит непосредственно в воду, дыхательные газы в них используются неудовлетворительно.
Плавучие автономные водолазные аппараты на сжатом воздухе могут работать ограниченное время. Поэтому недавно была начата разработка аппаратов с подачей воздуха с водной поверхности. В противоположность шлемовидному водолазному аппарату здесь сохранялась маневренность легкого водолаза, хотя наличие шланга ограничивало пространственный радиус действия.
Однако по-прежнему водолаз испытывал косвенные влияния давления. Это, во-первых, уже упомянутое выше насыщение тканей тела инертными газами, такими, как азот, в результате чего при быстром всплытии наступает кессонная болезнь, а во-вторых, токсичные воздействия повышенного парциального давления отдельных составных частей дыхательного газа.
Опасность выделения азота из тканей может быть предотвращена ступенчатой декомпрессией при всплытии. Медленное всплытие и остановки на определенных горизонтах постепенно освобождают тело от избытка азота. Для ступенчатой декомпрессии составлены таблицы подъема. В них имеются данные о времени пребывания на каждой ступени в зависимости от глубины погружения, времени нахождения под водой, а также от общей продолжительности всплытия.
Таким образом, наряду с сильно возрастающей потребностью в воздухе, связанной с повышенным давлением воды, время, необходимое для декомпрессии, ограничивает возможности автономных водолазов. При погружении менее чем на 10 м необходимость в декомпрессии отпадает. На глубинах от 10 и примерно до 45 м возможно всплытие без ступеней декомпрессии, если при погружении соблюдались определенные перерывы, так называемые «нулевые периоды». С увеличением глубины нулевые периоды становятся все короче. Так, общее время для погружения и пребывания на глубине 35 м составляет только около 10 мин.
При более длительном пребывании под водой соблюдение ступеней декомпрессии становится обязательным. Если погружение на глубину 45 м продолжается 35 мин, то для подъема требуется уже более часа. Еще менее благоприятно соотношение между временем погружения и эффективным рабочим временем для больших глубин. Пребывание в течение 1 мин на глубине 200 м требует на декомпрессию свыше 12 ч. Таким образом, практически на таких глубинах никакие работы не возможны.
Поэтому в 1957 г. был разработан и в 60-х годах успешно применен принцип «погружения насыщением» (Sattigungstauchens). Этот принцип основан на том, что необходимое для декомпрессии время прямо зависит от количества растворенного в организме азота или другого инертного газа. Как известно, это количество зависит от давления и от времени погружения. Однако растворенное количество газа возрастает не неограниченно, так как в конце концов достигается насыщение тканей тела. По новейшим научным данным для полного насыщения всех тканей азотом требуется около 64 ч. При использовании гелия, применение которого целесообразно при погружениях на глубины большие 50 м, для насыщения нужно примерно 24 ч. Если насыщение тканей достигнуто, время декомпрессии остается постоянным, независимо от того, как долго длилось пребывание под водой.
Практически этот принцип осуществляется так: водолазы перед спуском вдыхают в барокамере газовую смесь под давлением, зависящим от предстоящей глубины погружения. После насыщения они под этим давлением в погружаемой камере доставляются к месту работы. Спустя несколько часов водолазы возвращаются в камеру и все еще под давлением поднимаются на поверхность. На борт рабочего судна они чаще всего принимаются в барокамере большего размера и здесь ожидают следующего погружения. После окончания работ, часто продолжающихся несколько дней, в барокамере на палубе судна производится декомпрессия. Принцип погружения насыщением является весьма выгодным при длительных работах под водой, так как соотношение между полезным временем погружения и временем декомпрессии значительно сокращается.
Так же как и кислород, углекислый газ вызывает отравление при повышенном парциальном давлении. Поэтому водолазные аппараты с замкнутой или полузамкнутой циркуляцией должны снабжаться механизмами, контролирующими норму парциального давления кислорода и углекислого газа. При кратковременном пребывании под водой парциальное давление кислорода должно находиться в пределах от 0,2 до 1,8 атм, а при длительном — не должно превышать 0,5 атм. Для углекислого газа допустимое парциальное давление лежит между 0,005 и 0,01 атм.
Токсические действия углекислого газа и кислорода при повышенном парциальном давлении были известны давно. Позднее выяснилось, что даже такие трудно вступающие в реакцию газы, как азот, при превышении определенного давления также вредны. С середины 30-х годов этими вопросами специально занимались Бенке в США и Орбели и Лазарев в Советском Союзе. Во время опытов в барокамере, а также при глубоких погружениях водолазов в шлемах было обнаружено наркотическое действие азота. Наступало глубинное опьянение с понижением трудоспособности, потерей контроля за собственным поведением и в конце концов бессознательное состояние.
В октябре 1943 г. при одном из первых опытных погружений в жестком скафандре на глубину 64 м сотрудник Кусто сообщал о глубинном опьянении: «Я ощущал странное чувство счастья. Я был как пьяный и полностью беззаботный… Я был близок к засыпанию, однако я не мог спать с этим ощущением головокружения».
Глубинное опьянение и его последствия у неопытных водолазов заметны примерно на глубине 40 м. Хорошо тренированные и опытные водолазы могут достигать глубин свыше 60 м без появления опасных признаков. Однако на больших глубинах они также становились жертвами глубинного опьянения. Иногда это даже приводило к смерти.
Как до применения ступенчатой декомпрессии последствия выделения азота из тканей тела затрудняли длительное пребывание под водой, так теперь глубинное опьянение при дыхании сжатым воздухом оказалось преградой для более глубокого проникновения человека в море. На помощь пришли искусственные газовые смеси. Так как опасность глубинного опьянения возрастает с увеличением доли азота, сначала в порядке опыта часть азота была заменена кислородом. Однако для значительных глубин этот путь оказался неприемлемым, так как более высокая доля кислорода приводила к увеличению его парциального давления, что вызывало опасность отравления. На основании этих опытов пришли к выводу, что азот следует заменять трудно вступающим в реакцию благородным газом — гелием. В 1939 г. в США при погружении водолазов в обычных скафандрах со шлемами, снабженными шлангами, в качестве дыхательного газа впервые с успехом была применена кислородно-гелиевая смесь. Эти водолазы с помощью колокола спасли с глубины 73 м большую часть экипажа затонувшей подводной лодки.
По другому пути пошел шведский инженер Цеттерштрем, который заменил азот водородом. Чтобы предотвратить образование взрывчатого гремучего газа, дыхательный газ содержал только 4 % кислорода. У поверхности при погружении и всплытии Цеттерштрем применял сжатый воздух, а глубже — водородно-кислородную смесь. В августе 1945 г. в Балтийском море он достиг 150 м без признаков глубинного опьянения, но погиб из-за ошибок, допущенных на борту обеспечивающего судна.