Gradient Factors

압력경사도 인자(Gradient Factors)
글/Matti Anttila, Ph. D. 번역/최성순

이 글은 테크니컬 다이버이자 우주 탐사 장비 전문가인 마티 안틸라 박사(Matti Anttila, Ph. D.)가쓴 원고로 IANTD의 톰 마운트(Tom Mount) 회장의 저서 Tao of Underwater Survival(Technical Encyclopedia)에 수록되었다가 DiveRite의 library에 재게된 것이다. 테크니컬 다이버들이 감압 소프트웨어를 이용할 때 올바로 알고 압력경사도 인자(GF)를 설정할 수 있도록 하기 위한 목적으로 저술되었던 내용이며, 원저자와 IANTD의 허락을 받아 번역한 것이다. ScubaNet Magazine의 독자들이 감압이론과 압력경사도 인자에 대해 이해하는데 많은 도움이 될 것으로 기대하고 있다.

압력경사도 인자
다이빙을 처음 시작했던 수업에서 배웠던 급상승과 사이다 병의 기포에 관한 내용이 기억나는가? 감압이론에 대한 공부를 아무리 깊이 있게 한다고 해도 이 사이다의 기포에 대한 비유는 여전히 효과적이다. 하지만 이 문제에 대해 보다 근본적으로 알아봐야 할 때가 되었다. 그렇지만 우선 역사부터 시작해보자:

역사
감압 이론은 비교적 오래된 과학이다. 이미 1800년대 후반에 프랑스의 생리학자 Paul Bert(1833-1886)가 감압병과 감압정지 및 느린 상승 속도의 필요성을 발견했다. Bert는 등산과 열기구의 생리적인 효과에 더 많은 관심을 갖고 있었기에 인체에 미치는 산소의 효과에 대해서도 연구를 했다. 그는 연구 분야를 고압환경까지 확장시켰는데 나중에 산소독성을 발견했다. Bert는 CNS 산소 중독의 원인을 설명하면서 고압의 산소 부분압은 인체에 기계적인 것이 아니고 화학적으로 영향을 미친다는 결론을 내렸다. Bert가 공기와 질소를 연구했을 때 감압병의 원인을 혈액과 기타 조직 속에 있는 질소 기포에 의해(기계적인 영향으로) 생기는 것이라고 정확하게 결론을 내렸다. Bert는 DCS 환자에 대해 재압치료와 산소 처치 실험도 했었다. 가장 유명한 Bert의 저서는 1878년에 출판된 ”La Pression barometrique”1으로 저압 및 고압 공기 상태에서 인체의 생리학을 다루고 있다.

Bert가 감압연구의 기초를 다졌다면 스코트랜드의 생리학자 Joh Scott Haldane(1860-1930)은 보다 과학적인 접근으로 감압이론의 문제에 접근하였다. 1905년 할데인은 해군의 다이빙 운용에 대한 연구를 수행하기 위한 목적으로 영국 해군에 배속되었다. 그의 연구 목적은 감압병을 연구하여 어떻게 예방할 수 있는지를 알아내는 것이었다. 할데인은 여러 가지 테스트를 실시하고 수중에서 압축 공기의 효과들에 대해 연구하였으며, 1908년에 그의 실험 결과를 Journal of Medicine2에 발표하였다. 이 논문에는 그의 다이빙 테이블도 포함되어 있었다.

할데인은 현대 감압이론의 아버지로 간주되고 있다. 연구를 통해서 그는 10m 수심에서는 무제한으로 오랫동안 다이빙하고도 DCS 걱정 없이 상승할 수 있다는 중요한 결론을 내린다. 이 결과로부터 그는 인체는 2:1 비율의 압력변화를 견딜 수 있다는 결론을 내린다. (10m의 압력이 2ATA, 수면은 1ATA) 나중에 이 숫자는 Robert Workman에 의해서 1.58:1로 개선되었다. 워크맨은 의사로 1960년대 미 해군의 감압연구관이었다. 그는 당시 미 해군에서 사용되던 할데인의 연구에 근거를 둔 감압모델을 체계적으로 연구했다. 워크맨은 조직 압력 비율을 개선하는 것은 물론 조직의 타입(tissue compartment 또는 TC로 표현하며 기체가 녹는 속도를 뜻하는 반감기가 다른 조직들을 의미)과 수심에 따라 그 비율이 바뀌는 것도 발견했다.

Dr. Albert A. Buhlmann(1923-1994)는 취리히 출신으로 감압이론을 더 발전시켰다. 오랜 연구 경력 동안 불만 박사는 조직 구획의 숫자를 16개까지 확장시켰는데 이는 ZH-L16 감압모델의 기초가 되었다.(ZH는 Zurich, L은 Linear, 16은 조직구획의 숫자를 뜻한다) ZH-L16의 첫 번째 테이블은 1990년에 발표되었다.(이전에 발표된 테이블3은 조직구획이 더 적었다)

감압의 기초
기초부터 시작하자: 다이버가 하강하면 탱크로부터 압축된 공기를 호흡하게 된다. 공기는 불활성 기체인 질소를 포함하고 있으며, 다이버의 조직 속으로 녹아 들어 가게 된다. 다이버가 상승을 시작하면 주변압은 감소하게 되며, 녹았던 질소는 다른 조직들에서 혈액으로 이동하게 되고, 혈액의 질소는 폐에서의 호흡을 통해서 최종적으로 몸에서 배출되게 된다. 이렇게 단순하지 않나?.
레크리에이션 다이빙에서는 무감압 다이빙이 실시된다. 다이버들은 바텀 타입을 무감압한계(NDL) 이내로 진행하라는 말을 듣는다. 이 NDL은 다이빙 테이블에 나오며 이와 별도로 다이버들은 주어진 속도 이내에서 상승속도를 지켜야 한다. 이 정보는 대부분의 다이버들에게는 충분하지만 NDL을 초과하여 누적된 감압 시간을 갖게 되면 어떤 일이 생길까?

조직의 포화와 상승 한계(Ascent Ceiling)
우리가 다이빙할 때는 항상 보이지 않는 천정이 우리 위에 있다. 이 천정은 감압병에 걸리지 않고 우리가 상승할 수 있는 수심이다(일반적으로 말하면). 이 천정은 우리 조직에 녹아있는 불활성 기체의 양에 의해 결정된다.
그림 1은 여러 번의 감압정지가 있는 전형적인 감압다이빙 프로파일을 보여준다. 다이빙 전에는 다이버의 천정이 실제 마이너스 수심(즉 수면 위)에 있으며, 이 말은 다이버의 조직이 특정한 과압 기울기를 견딜 수 있다는 의미이다. 다이빙이 진행되고 다이버가 바닥에서 머무는 시간이 증가하게 되면 천정 수심도 따라서 하강하게 되어 상승 기회를 제한하기 시작하며, 감압의 필요성을 만들게 된다. 사실 일부 감압 소프트웨어는 다이버가 원하는 다이빙 수심을 입력하면 천정 수심을 표시해준다. 다이버 컴퓨터들은 가장 깊은 감압 요구 수심으로 천정을 표시한다.


그림 1: 전형적인 감압 프로파일과 천정 수심의 표시. 숫자는 서로 다른 다이빙 단계를 표시한다(그림 2에 표시된 단계를 참조).

상승을 시작하면, 다이버는 감압병의 발병 가능성 없이는 천정 수심 위로 상승할 수 없다. 그림 1에서는 감압 정지를 실시한 것을 분명하게 볼 수 있다. 천정에 가까이 갈수록 안전을 위한 여분은 더 줄어든다. 천정 수심은 아직 기체의 흡수와 배출을 표시하지는 않는다. 불만 박사는 우리 신체에 녹아 들어가는 불활성 기체를 모델링 하기 위해 16개의 조직 구획을 이용했다. 이들 조직들은 더 많은 용해기체를 받아들이거나(on-gassing) 배출한다(off-gassing). 천정 수심은 현재 수심에서부터 압력 변화를 나타내며, 그곳에서 주도 조직의 가스배출이 매우 빨라지는데 여기서 압력 저하가 더 증가하면 감압병의 가능성이 더 높아질 것이다.

그림 2는 그림 1에서 보여준 다이빙에서 이들 16개 조직 구획을 묘사하고 있다. 조직 구획이 100% 가득 차면 포화점에 도달하게 된다. 상승 단계에서 조직 구획은 과포화(100% 초과)가 된다. 감압의 핵심은 우리의 조직과 혈액에 과도한 기포가 형성되지 않는 수준에서 과포화를 유지하는 것이다.

바닥으로 하강. 모든 조직 구획에서 기체를 흡수한다
바텀 타임이 끝났다. 빠른 조직들은 느린 조직들에 비해 100% 포화에 가깝다
딥 스톱중, 빠른 조직만이 과포화 되어있고 다른 조직들은 계속 기체를 흡수하고 있다 .
마지막에서 2번째 감압중, 대부분 빠른 조직들이 과포화 되었고 기체를 배출하고 있다
그림 2: 조직 속의 불활성 기체 누적의 예. 조직 구획 내의 압력은 주변압을 100%로 했을 때에 대한 퍼센트로 표시되어 있다.

바닥으로 하강. 모든 조직 구획에서 기체를 흡수한다.
바텀 타임이 끝났다. 빠른 조직들은 느린 조직들에 비해 100% 포화에 더 가깝게 가있다.
딥스톱 중. 빠른 조직만이 과포화되어 있으며, 다른 조직들은 계속해서 기체를 흡수하고 있다.
마지막에서 2번째 감압 중. 대부분의 빠른 조직들이 과포화 되었고 기체를 배출하고 있다.

보여지듯이 용해 기체의 양 또는 조직 속에 녹아 있는 불활성 기체의 부분압은 다이빙하는 동안에 머물고 있는 주변압을 따라가는 경향이 있다. 압력차이(압력 경사, pressure gradient)가 크면 클수록 기체가 녹는(양쪽 방향으로) 속도가 더 빨라진다. 이는 다음과 같은 분명한 질문을 하게 만든다. 왜 바로 상승할 수 없나? 과포화의 한계가 무엇이고, 어떻게 정의되나?

M-값
역사로 돌아가면 Robert Workman이 M-값을 처음 소개하였는데 이는 감압병 없이 우리가 견딜 수 있는 가설적 조직 구획 속의 최대 불활성 기체의 압력이다. 앞에서 말했듯이 할데인은 그의 연구에서 M-값이 2라는 것을 발견했고, 워크맨은 이를 1.58로 개선했다. 이 숫자는 2ATA에서 1ATA로 압력이 변하는 것에서 나왔으며, 공기에 79%의 불활성 기체(질소)가 있다는 것을 고려해서 나온 것이다.

워크맨은 압력비 대신에 수심(압력 값)을 이용하여 M-값을 결정했는데 수심에 대한 1차 함수로 직선 형태를 띠게 된다. M-값 직선의 기울기는 ΔM(델타-M)이라고 하며, 이는 수심(수심 압력)에 따른 M값의 변화를 의미한다.
워크맨이 M-값들을 표현했지만 불만도 동일한 방법을 이용했는데, 다만 수심압력(상대압력)을 이용하는 대신에 수심보다 1ATA가 더 높은 절대압을 사용하였다. 이 차이가 그림 3에 표시되어 있는데 워크맨의 M-값 직선은 불만의 M-값 직선 위에 있다.

그림 3: M-값 직선의 비교

그림 3은 워크맨과 불만 M-값 직선들의 차이를 비교해서 보여준다. 더욱 자세한 설명은 참고문헌4에서 발견할 수 있지만 가장 큰 차이를 확인하는 것은 쉽다; 워크맨의 M-값 직선은 불만 M-값의 기울기보다 더 급하며, 안전을 위한 여분이 더 적다는 것이다. 워크맨의 M-값은 또한 불만에 비해서 더 높은 과포화를 허용해준다.

문제를 보다 복잡하게 만들어보자면, M-값이 조직 구획에 따라 변하며, 각각의 조직 구획에 두 셋트의 M-값들이 사용된다는 것을 주목해야만 한다. M0-값(수심압력의, 수면으로 향하는 압력. M0는 M-영으로 읽는다) 그리고 압력비에 따른 M-값(ΔM, 델타-M 값)이다. 워크맨은 이들 서로 다른 M-값을 다음과 같이 정의했다.

M = M0 + ΔMd,
여기서:
M = 각 조직 구획을 위한 부분압 한계(ATA 단위)
M0 = 각 조직 구획을 위한 해수면에서의 부분압 한계(ATA)
ΔM = 수심에 따라 증가하는 M, 각각의 조직 구획에 따라 정의 된다(ATA)
d = 수심(m)

이 값들은 참고문헌4에 표시되어 있다. 그러나 이들은 똑 같은 것에 관심이 있는데: 조직 구획들의 최대로 허용된 과압이다. 감압병이 M-값을 정확하게 따르지 않는다는 것을 아는 것 또한 중요하다. M-값으로 표현된 압력이나 그 이상에서 감압병이 더 일어나고, M-값의 훨씬 아래에 다이버들이 머물 때 감압병이 덜 일어난다.

Gradient Factors(압력경사도 인자)
압력경사는 불만의 감압 모델을 위한 보수성 설정을 제공하기 위한 것이다. 앞에서 언급했듯이, M-값 직선은 상승 및 감압하는 동안 초과해서는 안 되는 한계를 설정하고 있다. 그러나 다이빙이나 다이버들은 모두 제 각각이기 때문에 모든 DCS 사례를 긍정적으로 예방할 수 있는 감압 모델은 없으므로, 추가의 안전 여분을 적용해야만 한다.

그림 3에서 보이듯이, 상승과 감압은 M-값 직선과 주변압 직선 사이에서 일어난다. 기체 배출이 가능 하려면 조직 구획 속의 불활성 기체 압력은 주변압보다 높아야 한다. 이와 달리 안전 때문에 우리는 M-값에 너무 가까이 가기를 원치 않는다. 압력 경사도 인자는 여기서 보수성을 정의한다.

압력경사도 인자(GF)는 주도적인 조직 구획 속에 과포화 되어 있는 불활성 기체의 양을 정의한다. 따라서 GF 0%는 주도적인 조직 구획 속에서 과포화가 일어나지 않거나 불활성 기체의 부분압이 주변압과 동일하다는 것을 뜻한다(주의: 주도적인 TC가 가장 빠른 TC일 필요는 없다). GF 100%는 감압을 해야 하는 상황으로 주도적인 TC가 불만의 M-값 라인 상에 있어서 더 낮은 GF를 이용하는 것보다 DCS의 위험성이 훨씬 더 크다(주의: 가끔, 등식과 계산에서 GF들은 퍼센티지 대신에 0.00 … 1.00 의 숫자로 표시될 수 있다. 하지만 이는 100% =1 로 생각하는 것이 효과적이기 때문이다).
일부 다이버들은 상승 과정 전체에 동일한 보수성 요인을 사용하는 것을 좋아하지 않는다. 하나의 GF를 사용하는 대신에 상승하는 동안 안전 여분에 변화를 줄 필요가 있다는 것이다. 이는 GF Low와 GF High라는 2개의 GF 값을 사용하게 만든다. 낮은 GF는 첫 감압정지를 정의하고, 높은 GF는 수면으로 상승하는 값을 정의한다. 이 방법을 사용하면 GF는 실제 상승하는 중에 변한다. 이것이 그림 4에 표시되어 있는데 GF Low와 GF High가 GF 직선의 시작과 끝점을 만들고 있다. 이 그래프에서 감압은 불활성 기체의 부분압이 다이버의 조직 구획의 주변압 직선과 M-값 직선 사이의 30%에 도달했을 때 시작된다. 그러면 다이버는 TC의 부분압이 다음 감압정지 수심까지 상승이 가능할 정도로 충분히 낮아질 때까지 해당 감압정지 수심에서 시간을 보내야 한다. 이는 다시 좀 더 높은 GF를 갖게 된다. 이들 두 GF 값은 종종 GF Low-%/High-%로 표시된다. 예를 들면 GF30/80인데 여기서 30%는 GF Low 값이고, 80%는 High 값이다.

GF 값을 이용한 감압
그림 4: 조직 1개의 감압 모델. 그래프는 오른쪽 상단에서 시작해서 왼쪽 아래로 진행되는데 주변압 직선과 GF 직선 사이에 머문다. GF 라인은 M-값 직선 아래에 있으며 감압을 위한 안전 여분을 형성한다. 순수 불만 감압은 M-값 직선(GF 100/100)을 따른다.

실제적인 적용과 안전 다이빙 습관
무감압 모델은 다이버가 감압병에 걸리는 것을 분명하게 예방할 수 있다. M-값은 감압병 증세가 나타나지 않는 것과 감압병에 걸리는 것 사이에 확실한 경계선을 만들어주는 것은 아니다. 사실 현대의 감압 과학은 다이빙 후에 감압졍 증세가 없을 때라도 우리 조직 속에는 버블이 있을 수 있다는 것을 증명했다. 따라서 M-값은 기포가 없는 상황을 대변할 수도 없지만 조직 속에 있는 침묵의 기포들이 견딜 수 있을 만큼이라는 것은 말해줄 수는 있다.

그림 5: 감압병의 증세가 나타나지 않을 때라도 침묵의 기포들이 우리 조직에 있다. 개인적인 안전 여분과 감압병에 대한 민감도를 아는 것이 중요하다.

다이빙이나 사람에 따라서 서로 다른 안전 여분이 필요하다는 것을 이해하는 것이 중요하다. 따라서 서로 다른 GF가 사용되는 다이빙 계획들 사이에 실제적인 차이가 있다는 것을 이해하는 것이 좋다. 다른 예를 들어보자:
다이버가 50m에서 20분간 바텀 타임을 가지면서 트라이믹스 18/45(18% 산소, 45% 헬륨)를 메인 기체로 사용하고, 산소를 6m부터 감압을 위해 사용한다. 하강 속도는 15m/min이고, 상승 속도는 10m/min이다. 감압 알고리즘은 불만 ZH-L16B와 다른 감압 테이블들, 그리고 테이블 1에 나오는 5가지 다른 GF에 따랐다.
테이블 1: 50m/20min 다이빙을 위한 서로 다른 GF를 이용한 감압 테이블들

이들 GF 변수들은 서로 다른 타입의 다이빙들(예를 들어 재호흡기, 딥/찬물 다이빙, 일부 감압 소프트웨어의 초기 설정 값 등)을 위해 일상적으로 사용되고 있으며, 여기에 표시된 GF 100/100은 순수 불만 테이블(여분이 없으므로, 별로 안전하지 않은)이기 때문에 참고를 위해 표시한 것이다. 테이블 1에서 분명하게 나타나듯이 낮은 GF Low 숫자들은 깊은 수심의 정지를 요구한다. 사실 일부 다이버들은 10%의 GF Low 값을 사용하여 딥 스톱을 5번이나 만들어낸다. 딥 스톱은 다른 말로 필레 스톱(Pyle Stops)이라고도 부르며 깊은 상승 단계에서 미세 기포를 감소하기 위한 수단이다. 그러나 딥 스톱 중에도 많은 느린 조직들은 여전히 기체를 흡수하고 있으며 결과적으로 전체 감압 시간은 증가하게 될 것이다(하지만 다시 말하지만 안전을 위해서는 좀 더 매달려 있어도 된다). 테이블 1에서 보면 역시 작은 GF High 값은 얕은 수심에서의 감압정지 시간을 더 길게 만든다.

그림 6: 압력 경사도 인자에 대한 기본적인 지식은 다이버의 안전 다이빙을 위해서 필수적이다.
긴 감압 다이빙에서 안전 여분은 감압병을 예방하기 위해서뿐만 아니라 기체 계획, 물자수송, 장비 준비 등을 위해서도 고려해야 할 대상이다. 훌륭한 다이버는 자신의 개인적인 신체적성, 환경 그리고 다이빙 타입 등에 따라서 개인적인 GF를 적용한다. 어떤 장비를 사용하는 것과 상관없이 감압과 보수성에 따라 다이빙 계획을 짜야 할 것이다.

다른 GF를 사용함으로써 다이빙 계획을 극단적으로 변경하는 것은 쉽다. 대부분의 현대 감압 소프트웨어들은 보수성 설정(용어나 숫자로) 또는 GF 설정을 제공한다. 다이버들은 이러한 세팅들을 통해서 총 다이빙 시간을 심할 때는 수 십분 정도까지 늘릴 수 있다. 그러나 여기에는 위험도 있다: 감압 소프트웨어가 중간 감압기체를 실린더 용량 이상으로 채워야 할 필요가 있다고 요구할 수도 있음을 생각해봐라. 쉽지만 위험한 선택은 GF를 변경하여 감압시간을 줄이는 것인데 필요한 감압 기체의 양을 줄어들게 할 것이다.
사용자가 GF를 설정할 수 있는 컴퓨터를 이용하는 다이버들은 GF를 변경하는 것이 감압 프로파일에 어떤 영향을 미치는지 이해해야 한다. 너무 많은 다이버들이 GF 변수를 설정할 때 단순하게 초기 설정값을 그대로 사용하거나 다른 다이버들이 어떤 타입의 다이빙을 하는지와 상관없이 남의 것을 베껴 사용하거나 심지어는 인터넷에서 가져와서 사용한다. 어떤 다이버들은 DCS의 민감도가 매우 높고, 어떤 다이버들은 다른 사람들에 비해 신체적으로 약할 수도 있다. GF를 이용하는 방법이 감압 프로파일을 컨트롤하고 그래서 다이빙 계획과 기체의 소요 등에서 상당한 유연성을 제공하기는 하지만 어떤 경우에는 좀 더 오래 감압하는 것이 더 가치가 있을 때가 있을 것이다.
항상 그렇지만 다이빙할 때 자신에게 적합한 압력 경사도 인자와 보수성을 선택하는 것은 다이버 자신의 책임이다.