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翱翔天際的代價,飛機上的人體秘辛大解析——《科學月刊》

科學月刊_96
・2021/02/03 ・4462字 ・閱讀時間約 9 分鐘
  • 盧衍良|成功大學航太博士,朝陽科技大學飛航系主任,曾任職飛安會工程師、考選部典試委員與交通部、民航局、陸委會等委員。

不會飛的我們,總想著要飛上天際,但人體本身可不適合長時間處在高空中。第一個要面對的就是高空缺氧問題,隨著高度上升,大氣壓力也越來越低,人體的肺氧分壓也隨之降低,使我們血液中的血氧飽和度也降低,一旦降到 90% 以下時就有缺氧風險!而在高空中遠不止缺氧這項危險,會讓你耳鳴的飛機下降過程,以及較少聽過的高空減壓病,也都有可能發生在 3 萬 5 千英呎的高空上哦。

人類的身體與生俱來就不適合飛行,但我們卻利用智慧創造科技,改變了生活中的一切,至今已經飛行了 100 多年!今天就讓我們認識一下這些始終存在,卻也容易被忽略掉的航空生理症狀。

人類的身體與生俱來就不適合飛行,但卻利用智慧創造科技在空中飛行。圖/Pexels

在此之前,讀者們也必須先有個基本認知:一般生活醫學討論的,都是在「正常環境下,人體產生不正常症狀」的治療問題;然而航空醫學所要探討的,卻都是「正常人體在不正常的環境下,產生生理問題」的預防與抑制。那麼,那些因為航空而導致的「高空缺氧問題」、「氣體膨脹效應」,以及「高空減壓病」等生理問題,究竟是怎麼一回事呢?

高處的空氣比較新鮮?真相卻是氧氣很稀薄

人類飛行首先要面對的就是「壓力變化」的問題。大氣壓力 (atmospheric pressure) 會隨著飛行的海拔高度越高而越來越低,人類能夠自主呼吸的能力也就跟著越來越低,如圖一所示。現代民航客機動輒會飛到 3 萬 5 千英呎 (feet, ft) 以上的高空,為了讓旅客們感到舒適,機艙加壓早已是法規的必備要求。

大氣壓力會隨著飛行的海拔高度升高而下降,使得人類能夠自主呼吸的能力跟著降低。圖/科學月刊

但考慮到機身內外壓力差過大將會影響飛機結構安全,多數飛機在飛行中最大內外壓差約為 0.585 個大氣壓力,讓機艙內的壓力相當於海拔 8000 英呎以下,這樣的環境便可以讓旅客處於正常自主呼吸的狀態。近年新出廠的飛機,雖然可以讓機艙壓力高度 (cabin pressure altitude) 更接近能讓人體感到舒適的環境,但仍然無法達到相當於地表的壓力。

而高空飛行環境除了低壓以外,機外的零下溫度環境與較少的高空水分,即使機艙內部經過調溫控制,其溫度通常也會偏低,且空氣會變得十分乾燥,這些都是飛機爬升到高空所伴隨而來的環境條件。

如下表所示,隨著海拔高度越高,大氣壓力越低,人體的肺氧分壓也會跟著降低,連帶的也讓血液中的血氧飽和度降低。血氧飽和度是反映呼吸循環功能的重要生理參數,是一種衡量人體血液攜帶氧氣能力的指標,當血氧飽和度低於 90% 以下時,人體就會有缺氧 (hypoxia) 的風險。

隨著海拔高度越高,大氣壓力越低,人體的肺氧分壓也會跟著降低,連帶的也讓血液中的血氧飽和度降低。表/科學月刊

高空缺氧危害並沒有一定的症狀或過程,每位個案都會有所不同,不過在臨床上,高空缺氧的初期症狀會讓人產生如微醺般的欣慰感,由於心智反應變慢,因此會失去警覺功能,手腳動作也會不協調。在行為表現上,則會變得無精打采、對周遭警覺減弱、行動遲緩,甚至昏沉欲睡,沉浸在一種具有莫名安全感的狀態中。

如果在發現缺氧症狀產生的初期無法及時挽救,隨著缺氧時間持續,人體會逐漸出現更加嚴重的症狀,包括暈眩、頭痛、心跳加速、口唇或皮膚發紫等,此時患者視野會逐漸縮小,並且有一股興奮溫暖的感覺,心理上也會產生主觀自信感。若在此時缺氧狀況仍未改善,那麼接踵而來的就會是動作不協調、心智行為改變、判斷力變差,最後導致意識喪失,進而死亡。

缺氧危害的速度和發生高度有直接關係,醫學上用「有效意識時間」(time of useful consciousness, TUC) 來衡量。

如下表所示,一般噴射客機的巡航高度都在 3 萬多英呎的高空,從下表數據可知,當客艙顯著失壓使得機艙內的壓力高度相當於在 3 萬多英呎後,人體能夠應變的有效意識時間已經所剩不多。2005 年 8 月 14 日,太陽神航空 (Helios Airways) 的 522 號航班便是因為操作疏失,機艙未加壓而持續爬升高度,進而導致旅客與機組員,產生缺氧症狀而全數罹難的典型缺氧案例。

缺氧危害的速度和發生高度有直接關係,醫學上用「有效意識時間」(time of useful consciousness, TUC) 來衡量。表/科學月刊

搭飛機時最討厭耳鳴了——氣體膨脹效應

飛機飛得越高,所處的外在環境除了大氣壓力降低外,其實空氣密度也會變小,使得空氣體積變大。存在於人體內的氣體膨脹後,對於人體耳朵、頭顱腔室與內臟器官都會產生影響,造成不適。如果你在搭機過程中脫了鞋子,在你下機時也會發現自己的雙腳都膨脹變大了!

人體耳朵可以說是最直接敏銳,能感應到外在環境壓力改變與氣體膨脹的器官。

當飛機離地爬升時,由於外在壓力逐漸降低,在耳朵內部壓力不變的情況下,耳膜便會因為內外壓力不同而向外鼓起。此時,連接咽喉和中耳的耳咽管(eustachian tube)也會開啟以釋放內部壓力,讓耳膜內外重新達到壓力平衡。通常在飛機爬升過程的壓力變化較不會產生持續性的耳朵不適,大多數的不適都是在下降階段發生。

由於耳咽管在醫學上有一個綽號叫「one way tube」,顧名思義就是一條單行通道的意思,為了避免中耳發生細菌感染,耳咽管只允許中耳壓力釋放,不會主動開啟讓外在空氣進入中耳。當飛機開始下降時,外在環境壓力漸漸上升,但耳朵內的壓力維持不變,這時耳膜便會開始向內鼓起,產生耳鳴等不適症狀。

由於耳咽管不會主動開啟,因此我們必須藉由某些強制手段讓它運動,例如嚼口香糖、吞嚥口水、喝水或打哈欠等動作,這些動作的共通點就是會讓耳咽管周邊的肌肉運動,讓耳咽管開啟以平衡壓力。

耳咽管構造。圖/Wikipedia

比較有意思的是,嬰兒在下降階段因為不知道怎麼減緩耳朵的不適感,因此在疼痛感作用下,哭泣是最好的改善之道!當嬰兒放聲大哭時,嘴巴打開剛好可以讓耳咽管附近的肌肉運動,達到平衡壓力的效果,還不懂事的嬰兒因為不適感降低,本能地就會哭得更大聲,好讓後續的不適感消除。他們並不知道大哭會影響其他旅客安寧,只知道大哭可以讓耳朵舒服一點。

嬰兒大哭可以減緩耳朵的不適感。圖/GIPHY

有時候,我們因為感冒產生的輕微發炎,使得耳鳴的感覺無法消除,此時,也可以藉由閉嘴捏鼻吐氣的強制手段,改善耳朵的不適感,這種方式在醫學上稱為持續閉氣用力動作(valsalva maneuver,又稱伐氏操作),如果做了這個強制動作還無法改善耳鳴問題,那麼便有可能是發炎問題嚴重,一定要借助醫生的診斷處方做必要治療了。

除了耳朵不適感外,由於飲食中難免會吃進許多氣體,再加上食物的消化過程也會產生氣體,這些氣體在腸道中存在,在爬升階段也會讓搭機旅客感到不適,最常見的就是有股想放屁的強烈感覺,當然也有些人會產生便意,甚至是急需到洗手間解便的不適感。為了避免在飛行爬升階段產生這些不適症狀,建議平時能有良好的排便習慣,以免腸道內有過多宿便存在。此外,搭機前盡量不要食用大量餐點,也最好減少食用容易產生氣體的食物,例如豆類或汽水與可樂類蘇打飲料,而嚼食口香糖除了吞嚥口水外,也會吞進不少空氣,此行為也建議避免。

潛水完先別急著搭飛機——高空減壓病

高空減壓病也稱為氣栓症,通常沒有一定症狀,較容易被忽略病因。

在正式介紹這個疾病之前,讓我們先回想一下開汽水的過程:當環境壓力越大,氣體溶解在液體中的數量就越多,溶解度越高,而當瓶蓋被旋開的那一刻,因為瓶內壓力急速降低,你會發現原本溶解在汽水中的氣體大量釋出形成氣泡,而高空減壓病的根源,就像是這些冒出來的氣泡一樣,這些氣泡將對人體造成危害!

人類呼吸過程,除了吸取氧氣並排出二氧化碳外,佔空氣比例 4/5 的氮氣也會隨著呼吸過程在人體內循環。當飛機離地爬升,隨著環境氣壓急速降低,原本已溶解於體內的氮氣,因溶解度遽降而生成大量的氣態氮氣在人體內。當溢出的氮氣量遠超過肺臟的排出量時,氮氣就會形成氣泡在血液中循環,產生各種不同類型的臨床症狀,在醫學上稱為減壓症,由於這類症狀易發生於高空環境,因此被稱為「高空減壓病」。

高空減壓病的臨床症狀非常多元,因壓力遽降而釋出的氣泡,將隨著血液流竄到體內四周,如果在關節附近或是深部肌肉組織聚集停滯,就會產生屈痛或是鈍痛。此外,也可能產生氣哽,導致胸口灼熱、刺痛、乾咳和呼吸困難;神經上的症狀則有視覺障礙、頭痛與肢體癱瘓等;而在皮膚上則有可能產生紅疹塊、刺痛、癢及水腫等。

瓶內壓力急速降低使汽水內氣體大量釋出形成氣泡,與造成高空減壓病的原因相似。圖/Pexels

當你出國旅遊從事水肺潛水 (scuba diving) 運動後再搭機時,由於潛水活動是在高壓環境下呼吸空氣,故大量氮氣會溶解於身體內各組織,也是常見高空減壓病的形成原因。若是潛水潛得越深越久,氮氣的溶解量就會越多速率也越快;而潛水完後,細微氣泡就會形成在體內組織,如果你潛水完後立刻搭機飛行,被保存在體內的氣泡便會膨脹進而阻塞血管、壓迫神經或引發血液病變,發生高空減壓病。臨床上,潛水後的建議飛行最低高度約為 5000 英呎,以避免出現高空減壓病的症狀;然而一般民航客機的加壓系統,通常會讓機艙內壓力相當於海拔 8000 英呎,因此無法抑制此類症狀發生,因此建議潛水後,至少 24 小時內應避免搭機飛行。

身體卯足全力對抗環境!達成你想飛上天的夢想

一般民眾較常知道的是搭機過程會讓味覺與嗅覺變差,所以飛機餐會變得不那麼美味。相較起來,高空缺氧、氣體膨脹效應,以及高空減壓病就較容易被忽略,期望讀者們閱讀完本文後,可以對自己的身體有更多認識,讓搭機旅遊變得更加美好。

  • 〈本文選自《科學月刊》2021 年 2 月號〉
  • 科學月刊/在一個資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫外,也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。

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