De Luchtdruk (barometerdruk)

Centraal in de hoogtegerelateerde problematiek staat de luchtdruk. Naarmate men meer boven zeeniveau uitstijgt zal de luchtdruk afnemen. Deze verandering in luchtdruk zal fysiologische- en pathofysiologische veranderingen teweeg brengen in het menselijk lichaam. Naast een daling van de barometerdruk zullen ook de omgevingstemperatuur (6,4 °C/km) en de luchtvochtigheid afnemen en de UV straling zal toenemen (12-20 %/km).

Wanneer iemand reist met een vliegtuig zal een deel van deze veranderde omgevingsfactoren worden opgeheven door het creëren van een kunstmatige luchtdruk en een aangename temperatuur. In een vliegtuig heerst echter niet dezelfde druk als buiten het vliegtuig maar ook niet als op zeeniveau. In de cabine van een lijnvliegtuig heerst een onderdruk. Die heersende luchtdruk komt overeen met een hoogte tussen de 1600 m en 2500 m. Men moet zich realiseren dat dit een vorm van acute hypoxie is (zuurstofgebrek). Op een hoogte van 2400 m daalt bij gezonde personen de PaO2 tot waarden tussen de 8,7-9,3 kPa (65-68 mmHg) en de saturatie met 3-4%. Bij patiënten met COPD die reeds op zeeniveau een verlaagde PaO2 (en saturatie) hebben, kan hypoxemie ontstaan of toenemen (een tekort aan zuurstof in het bloed). Deze hypoxemie zal toenemen wanneer er wordt ingespannen. Mensen met ernstig COPD dienen daarom voordat ze met het vliegtuig op reis gaan hun longarts te raadplegen.
Bergbeklimmers hebben het voordeel van een kunstmatige luchtdruk niet en onderwerpen zich aan alle fysische eigenschappen van hoogte waardoor het lichaam zich moet gaan aanpassen. De bergbeklimmer past zich fysiologisch aan aan de hoogte maar zal zich ook proberen te beschermen tegen UV straling en temperatuur wisselingen. Al vroeg in de geschiedenis wist men dat hoogte iets op het lichaam deed. Aristoteles (384-322 bce) schreef over Mt. Olympus (2919 m)

…air is too thin for respiration
Aristoteles (384-322 BCE)

De “dunne lucht” zou het ademhalen juist moeten vergemakkelijken, de luchtwegweerstand is lager op hoogte. Ondanks dat de ademhaling mechanisch makkelijker gaat bestaat er toch een gevoel van ademnood op hoogte. Het lichaam doet er alles aan om voldoende zuurstof op te nemen. Paul Bert toonde aan dat de deeldruk van zuurstof verantwoordelijk is voor dit gevoel van benauwdheid. Hij kon deze ontdekking doen nadat Evangelista Torricelli in 1644 een belangrijke ontdekking had gedaan.

In 1644 ontdekte Torricelli de luchtdruk, hij kwam tot de volgende conclusie….

We live submerged at the bottom of an ocean of the element air, which by unquestioned experiments is known to have weight, ..
Evangelista Torricelli
Experiment van Torricelli

Hij vulde een één meter lange buis met kwik. Deze buis was aan de bovenkant gesloten en aan de onderkant open. Hij plaatste de buis in een bad met kwik en zag dat het kwik zakte tot 760 mm boven het kwikoppervlakte in de bak. Dit was de ontdekking van de barometerdruk, 760 mm Hg op zeeniveau. Hij voerde dit experiment ook uit op verschillende hoogtes en zag dat het kwik meer daalde dan op zeeniveau naarmate hij dit experiment hoger uitvoerde. De luchtdruk is dus op hoogte minder dan op zeeniveau.
Het klassieke werk van Paul Bert, La Pression barometrique (1878) beschrijft de fysiologische effecten van deze luchtdruk, zowel boven als onder zeeniveau. Het was Dalton die de formule voor luchtdruk samenstelde. Het werd hem duidelijk dat de luchtdruk was opgebouwd uit verschillende deeldrukken (partiële drukken = P). Zuurstof maakt daar een onderdeel vanuit. 21% van de lucht bestaat uit zuurstof, dus 21% van de luchtdruk wordt veroorzaakt door zuurstof (159 mmHg [21% van 760 mmHg]).

De deeldruk van zuurstof is één van de grootste, zo niet de grootste tegenstander op weg naar de top van een 8000 m hoge berg. Doordat de luchtdruk (PB) afneemt, neemt ook de deeldruk van zuurstof af. In de zomer van 1998 zijn meer dan 2000 metingen van de luchtdruk verricht op Mt. Everest. De gemiddelde PB waarden gedurende de maanden mei, juni, juli en augustus op “South Col” waren respectievelijk, 284, 285, 286 en 287 mm Hg. Op basis van deze gegevens kan de luchtdruk worden uitgedrukt in een formule met de hoogte als variabele.

Intermezzo: de wet van Dalton en de waterdamp spanning

Wanneer iemand inademt zal de lucht in de luchtwegen worden bevochtigd. Er komt dus in de formule van Dalton een druk bij en wel de waterdampspanning. Deze waterdampspanning is afhankelijk van de temperatuur. De lichaamstemperatuur van een klimmer is ongeveer 37˚C. De waterdampspanning die hierbij hoort is 47 mm Hg. Dit betekent dat de luchtdruk nu verdeeld moet worden over 3 drukken, zuurstof, stikstof en waterdamp. Wanneer de lucht in de longen uiteindelijk bij de longblaasjes aankomt waar de gaswisseling plaatsvindt zal er nog een druk bijkomen en wel de koolstofdioxide spanning. Inmiddels wordt de totaaldruk opgebouwd uit 4 deeldrukken.
Het deel dat de waterdamp inneemt blijft constant in druk en is op zeeniveau 47 mm Hg maar op de top van Mt. Everest ook. Dat betekent dat de waterdampspanning op hoogte een belangrijke rol speelt omdat er minder druk overblijft voor zuurstof. (Zie taart figuren)

Luchtdruk verdeeld over deeldrukken

De figuren laten duidelijk zien dat de waterdampspanning een prominentere rol speelt op hoogte (van 6 naar 19%). De waterdampspanning is afhankelijk van temperatuur en de temperatuur blijft constant, 37˚C. De onderstaande figuur maakt dit goed duidelijk. Bij een temperatuur van 37˚C is de waterdampspanning 47 mm Hg. Water van 100˚C heeft een waterdampspanning van 760 mm Hg, (gelijk aan de luchtdruk op zeeniveau) dit wordt het atmosferische kookpunt genoemd. Dit is de temperatuur waarbij de dampdruk van een vloeistof gelijk is aan de atmosferische druk. Uit de figuur is ook af te leiden dat het atmosferische kookpunt van water op de top van Mt. Everest ligt bij ongeveer 72˚C.

Kookpunt van water en druk

De figuur hieronder is een schematische weergave van de afname in atmosferischedruk en de simultaan dalende deeldruk van zuurstof. Wat opvalt aan deze grafiek is dat de zuurstofwaterval afneemt naarmate de hoogte toeneemt. Dus wanneer zuurstof schaarser wordt gaat het lichaam zuiniger om met deze zuurstof. In volgende hoofdstukken zal hier verder op worden ingegaan.

Zuurstofdruk in relatie tot hoogte

Ondanks deze extreem lage luchtdruk en dus ook een extreem lage deeldruk van zuurstof is het mogelijk om zonder zuurstof de Mount Everest te beklimmen. Dit hebben Peter Habeler en Reinhold Messner op 8 mei 1978 bewezen toen ze als eerste zonder extra zuurstof de top bereikten.

Last published: Thursday, 13 August 2020