DIOXIDO DE CARBONO, LAS CAVIDADES Y TÚ

Autor: Garry K. Smith © 1997

Miembro de la Newcastle Hunter Speleological Society – NSW Australia y de la Australian Speleological Federation.

Traducido siguiendo el texto disponible en: http://www.nhvss.org.au/pubs/CO2.htm

Texto Resumido de un documento realizado por Garry, presentado en la Conferencia de la 21 bienal de la Federación Australiana de Espeleología en 1997 (publicado en las actas) y de un artículo publicado en 1993 en el Australian Caver número 133, páginas 20-23. Para más detalles consultar estos documentos.

El CO₂ es el regulador de la respiración en el cuerpo humano. Normalmente está presente en el aire en una concentración de 0,03% en volumen. Cualquier incremento por encima de esta cantidad sería la causa de una aceleración en la frecuencia del ritmo cardiaco y del ritmo en la respiración. Una concentración del 10% causa parálisis respiratoria y muerte en pocos minutos. En la industria el máximo nivel permitido durante 8 horas de trabajo al día es de 0,5%.

Las cuevas a menudo contienen elevados niveles de CO₂, por lo tanto los espeleólogos podrían estar situándose en una situación de alto riesgo si desconocen este peligro potencial.

La atmósfera de las cuevas que contienen más de un 1% de CO₂ se le denomina “aire viciado”. Este es al mayor riesgo que se pueden encontrar en las profundas cuevas de caliza con atmósferas relativamente estáticas. Dicho esto uno debe ser consciente que hay muchas zonas de cuevas en Australia donde el “Aire viciado” no es un problema significativo.

Para el espeleólogo novato, el primer encuentro con el aire enriquecido es una experiencia terrible. Normalmente no hay signos visuales o gustativos asociados con el aire enriquecido y el primer indicio son un incremento del pulso y de la frecuencia respiratoria. Altas concentraciones de CO₂ ocasionan, dolores de cabeza, vértigo e incluso la muerte. Los espeleólogos que han tenido experiencias con aire enriquecido detectan un sabor ácido en su lengua, sin embargo la media de espeleólogos no detectan este síntoma.

Debido a que una elevada concentración de CO₂ en las cuevas, corresponde con un descenso del O₂ los espeleólogos han usado durante muchos años el test de la llama desnuda para determinar si la atmósfera de la cueva contiene un elevado nivel de CO₂ .El test de la llama desnuda implica encender una cerilla o un mechero en la cueva o transportar una vela en una zona sospechosa de aire enriquecido, así la llama se extinguirá al alcanzar un determinado porcentaje. Este test fue en el pasado ampliamente aceptado por la comunidad espeleológica como un indicador justo y exacto del porcentaje de concentración. Durante junio de 1997, emprendí gran cantidad de tests para controlar atmósferas los cuales revelaron que el test de la llama desnuda no es realmente fiable para las concentraciones de CO₂, sino para indicar que la atmósfera de la cueva es probablemente muy peligrosa para la vida humana. De hecho el test de la llama solamente mide el O₂ y como el CO₂ tiene muy poca influencia sobre la combustión puede ser ignorado en el rango de concentraciones encontrado en las cuevas. Por ejemplo, un 1 % de aumento del CO₂ aumentará la concentración de O₂ requerida para la combustión en menos del 0,05 % de O₂ .

Sin sofisticados instrumentos de medida un espeleólogo no puede determinar la concentración de CO₂ ya que el test de la llama solamente mide la falta de oxígeno. Para hacer las cosas más complicadas, no es esa falta de oxígeno el peligro real en la mayoría de las cuevas, si no la elevada concentración de CO₂ .

Elementos requeridos para la combustión

La mayoría de las personas está de acuerdo en que para que una combustión tenga lugar se debe satisfacer:

1) Debe haber un combustible o sustancia que pueda arder

2) El combustible debe calentarse hasta su temperatura de ignición. Esta es la temperatura más baja a la cual dicha combustión puede empezar y continuar.

3) Debe haber suficiente oxígeno para sustentar la combustión o en el aire de alrededor o en el combustible.

Sin entrar profundamente en materia, uno puede ver que el test de la llama es en realidad una medida de la concentración de oxígeno requerida para la combustión de diversos materiales tales con cerillas, mecheros de gas líquido, velas de cera parafinada.


los resultados se muestran en la siguiente tabla:

Tabla 1: Condiciones de llama en relación con el porcentaje de oxígeno en la atmósfera controlada.

Cerillas	Vela	Mechero de gas
21% - 18% arden fácilmente todas las cerillas	>19% llama normal
17,5 % arde la cabeza y la llama pasa de la parafina al palillo de madera en la mayoría de ocasiones	17% - 16,5% arde con llama alargada.
17% - 16,5% Siempre se enciende la cabeza de la cerilla quedan quemaduras bajo el recubrimiento de parafina y luego se extingue.	16,5% - 16% la llama comienzo a encogerse, pero la vela desprende algo de luz.
16% - 15,5% la cabeza de encendido enciende justamente el recubrimiento de parafina del palillo (solamente en algunas cerillas).	16% enciende despacio con una pequeña llama
15% la cabeza de la cerilla arde brevemente con una suave llama y luego se desvanece.	< 15% una vela de parafina dejará de arder.	> 15% de O2 Un mechero de gas puede ser encendido fácilmente y permanecerá iluminando.
		14,5% una débil llama azul con la zona superior de color naranja, continua iluminando.
		< 14,25% La llama se extinguirá
14% El extremo de la cerilla arde brevemente y se apaga. (el fuego se debe al O2 del clorato potásico que contiene el extremo de la cerilla).		14% - 13% grandes “flashazos” de la llama, pero no permanece iluminando.
<13% el extremo resplandece y se extingue inmediatamente (menos de 0,5 segundos).		12,5% Chispas con ignición parcial, pequeñas bolas de fuego.
		< 10% No se enciende, solamente aparecen chispas desde el pedernal.

Nota sobre las cerillas de seguridad:

Las cerillas de seguridad de madera están fabricadas en madera de álamo, que es secada para reducir la humedad por debajo del 7%, tras esto la madera se trata con una solución retardante la cual previene de la formación de ascuas cuando la llama se ha apagado. El segundo paso en la fabricación es introducir unos 10 mm del tramo final de la cerilla en parafina. Esto proporciona una base para llevar la llama desde la cabeza de la cerilla a la madera. Luego la punta es añadida (a veces se la denomina bulbo). Algunos procesos de fabricación añaden al final productos quimicos que protegen a la cerilla de la humedad.

FENÓMENOS INTERESANTES CON UN MECHERO EN DEFICIENTE O₂ EN EL AIRE:

Cuando en un encendedor su combustión se basa en el butano su llama arderá directamente desde la salida de gas. Cuando este encendedor se enciende introduciéndolo en una atmósfera que no soporta una buena combustión (una baja concentración de O₂ o alta concentración en CO₂) ocurre un interesante fenómeno. Como por arte de magia la llama permanecerá ardiendo donde la atmósfera soporte la combustión, justo encima de la zona de transición entre la alta y la baja concentración de O₂, mientras el encendedor está varios centímetros bajo la zona de separación.


En la fosa del CO₂ de Gaden Cave (WE-2) NSW Australia, una demostración realizada por Mike Lake, mostraba como la llama se extendía unos 100 mm sobre el mechero cuando se le colocaba lentamente por debajo de la zona de alta concentración de Pit Gaden. En una franja a 25 mm de altura la llama fluctuaba unos 75 mm del mechero. Debido a la baja concentración de O₂ (proporcionalmente a la alta concentración de CO₂) no hay llama para los primeros 75 mm desde la salida de gas del mechero.

Este fenómeno puede que no ocurra con otros combustibles sólidos, tales como cerillas y velas ya que la cabeza de la llama requiere vaporizar los volátiles con los que arden.

COMO APARECE EL CO₂ DENTRO LAS CUEVAS

Está demostrado que el CO₂ aparece en las cuevas de diversas formas. Cada forma tiene relación con la composición de los gases en la atmósfera de la cueva y sus variaciones respecto al terreno que hay en al superficie de la misma. Las dos formas en que el CO₂ aparece dentro de las cuevas son:

1) El CO₂ es absorbido en el agua del terreno y pasa a través de la superficie del suelo con altas concentraciones de gas, debido a la degradación de la vegetación. Esta agua atraviesa los estratos de roca y entra en el sistema, generalmente en el ciclo de la precipitación de calcita. Por ello la adición de CO₂ extra en la atmósfera de la cueva produce un desplazamiento del O₂ y del nitrógeno (N₂).

2) Segundo, el CO₂ puede ser un producto del metabolismo de organismos y microorganismos o por la respiración de la fauna tales como murciélagos o humanos. Simplemente la concentración de O₂ se reduce en proporción al incremento de CO₂ . La concentración de N₂ se mantiene constante.

3) Otro factor que se debe tener en cuenta es que en cuevas profundas donde el movimiento de aire es mínimo, el CO₂ puede aumentar en las zonas bajas de la cueva. Así, incluso si el CO₂ entrara en la cueva por alguna de los dos formas mencionadas arriba, en una atmósfera muy estática puede hacer que el CO₂ se hunda a las partes más profundas y desplace al O₂ y al N₂. Por ello, aumentaría la concentración de CO₂ en las zonas más bajas de la cueva.

Aunque el CO₂ es 1,57 veces más pesado que el nitrógeno y 1,38 veces más pesado que el O₂ tiene la tendencia a dispersarse en un cierto volumen de aire, debido a la difusión molecular. En otras palabras una mezcla de gases no se separará en capas de varias densidades si se mantienen durante un largo tiempo en una sala con aire estático. Una posible explicación de la alta concentración de CO₂ en cuevas profundas (con una relativa atmósfera estática), es que el CO₂ es producido por metabolismo o penetra en la cueva via agua del terreno y en una gran proporción el gas se puede difundir en la atmósfera de la cueva, aunque se va colocando en las zonas profundas de la cueva ya que es un gas más denso.

EFECTOS EN LOS SERES HUMANOS

El organismo de cada persona tiene una reacción diferente y una tolerancia a las situaciones de stress los siguientes síntomas son generales, sin embargo nadie es inmune a los peligros del CO₂ .

Tabla 2. Efectos psicológicos generalmente aceptados por la presencia de CO₂ según las concentraciones en volumen.

CONCENTRACIÓN	COMENTARIOS
0,03%	No sucede nada, concentración normal de dióxido de carbono.
0,5%	Aumenta la ventilación de los pulmones en un 5%. Este es el nivel máximo recomendado para 8 horas de trabajo en un día en la industria (Normativa de Australia)
1,0%	Aparecen los primeros síntomas, tales como sensación de calor y humedad, falta de concentración en detalles, fatiga, ansiedad, torpeza y pérdida de energía, son comúnmente conocidos como flojera en las rodillas (piernas flojas)
2,0%	Aumenta la ventilación de los pulmones en un 50%. La acumulación de CO2 en el cuerpo después de una prolongada respiración de aire conteniendo alrededor de 2% o más altera funciones vitales causando la acidez de fluidos en los tejidos. Esto provoca una pérdida de energía e incluso sentirse agotados antes de abandonar la cueva. Se debe colocar a la persona afectada durante varios días en un ambiente sano para el metabolismo del cuerpo regrese a la normalidad.
3,0%	Aumenta la ventilación de los pulmones en un 100%, jadeos tras el esfuerzo, los síntomas incluyen: dolor de cabeza, vértigo y visión borrosa como estrellas.
5 – 10%	Jadeos violentos y fatiga hasta el punto de la extenuación simplemente por respirar y dolor de cabeza severo. Una prolongada exposición a al 5% tiene como resultados efectos irreversibles para la salud. Exposiciones prolongadas a mayores del 6% originan pérdida de conocimiento y la muerte.
10 – 15%	Jadeos insoportables, severos dolores de cabeza y rápida extenuación. Exposición durante pocos minutos darán con pérdida de conocimiento y asfixia sin previo aviso.
25 – 30%	Concentraciones extremadamente altas causan coma y convulsiones en un minuto de exposición. Muerte segura.

EFECTOS DE LA FALTA DE O₂ EN HUMANOS

Si consideramos la atmósfera solamente compuesta de O₂ y N₂ , cuando exista una baja concentración de oxígeno respecto a la normal, el cuerpo humano se verá afectado de la siguiente forma:

Tabla 3. Efectos psicológicos generalmente aceptados por baja concentraciones de O₂ .

Concentración de O2 en volumen	Síntomas
Reducción del 21 % al 14%	Los primeros síntomas perceptibles son aumento del ritmo respiratorio, pulso acelerado y disminución de la atención.
Entre el 14 % y el 10%	Continua la pérdida de consciencia, falla el juicio. Rápida fatiga después del esfuerzo. Afección a las emociones, mal carácter fácilmente excitable.
Del 10 % al 6%	Puede causar náuseas y vómitos. Pérdida de habilidad para realizar movimientos fuertes o incluso moverse. A menudo la víctima no se da cuenta que algo va mal antes del colapso y es imposible que camine o arrastrarse. Si la reanimación fuese posible, hay muchas posibilidades de daños permanentes al cerebro.

CÓMO EL CUERPO HUMANO SE LIBERA DEL CO₂

El cuerpo humano bajo condiciones normales inhala aire que contiene aproximadamente un 21% de oxígeno y un 0,03% de CO₂ . El aire expulsado fuera de los pulmones contiene aproximadamente un 15% de O₂ y un 5,6% de CO₂. Una persona como mínimo, inhala y expulsa aproximadamente 6 litros de aire por minuto, pero en situaciones de stress, esto se puede incrementar a más de 100 litros por minuto.

El nivel de CO₂ en la sangre es un importante estimulador de la respiración. Los nervios receptores en la Aorta cercana al corazón y en la arteria carótida que va al cerebro, detectan los cambios en el CO₂ del organismo. Si la cantidad de CO₂ en la sangre se incrementa, ambos la frecuencia y la profundidad de la respiración se incrementan. Cambios en los niveles de oxígeno también son detectados, pero los receptores no son tan sensibles a los cambios en oxígeno como los de CO₂

El intercambio de ambos gases (CO₂ y oxígeno) tiene lugar en los pulmones, por difusión a través de de las paredes de los sacos de aire llamado alvéolos. Oxígeno procedente del aire inspirado se difunde a través de los bordes de los alvéolos y entra en el torrente sanguíneo, mientras que el dióxido de carbono se mueve en la dirección opuesta. Entonces los gases son transportados entre las celdas de los pulmones por la circulación sanguínea.

El principio por el cual se produce la difusión dictamina que un gas con alta concentración se moverá hacia un área de baja concentración hasta alcanzar el equilibrio. Esto impide que el CO₂ del cuerpo en alta concentración se difunda hacia el aire inhalado.

Los humanos expiran aire en el proceso de respiración con una composición aproximada de 5’6 % de CO₂ y un 14 % - 15 % de oxígeno. Esto es suficiente para revivir a una persona con usando RCP (Reanimación Cardio Pulmonar)

QUE HACER CUANDO NOS ENCONTRAMOS CON CO₂

Se debe realizar un test tan pronto como se sospeche de la existencia de aire enriquecido con CO₂ y si el test de la llama es positivo, todos los miembros del grupo deben abandonar inmediatamente la cavidad de una forma ordenada y sin pánico. Los espeleólogos inexpertos del grupo deberán ser observados y guiados hacia la salida.

Cuando se acometen pozos verticales en cuevas sospechosas de tener aire enriquecido con CO₂, la primera persona en bajar debe chequear la existencia de CO₂ . Además transportar aparatos de ascenso y una cuerda de seguro es una sabia decisión en el caso que la persona que descienda primero deba ser rescatada cuando entre de repente en un área con alta concentración de CO₂ .

Un cuerda de seguro debería ser obligatorio en todos los pozos donde el resalte sea más que una escalada.

Los espeleólogos solamente deberían entrar en áreas con aire contaminado en especiales circunstancias, tales como operaciones de búsqueda y rescate, exploración y trabajo científico. Bajo estas circunstancias especiales las precauciones deberían tomarse para asegurar la seguridad del grupo. Para más información considerar como referencia las normas de seguridad de la ASF.

CONCLUSIONES

Si los sofisticados equipos de medida no están disponibles, lo mejor es transportar un test de la llama desnuda, cuando tú u otro miembro del grupo experimente los primeros signos de respiración acelerada, dolor de cabeza, perdida de energía u otros signos asociados con la elevada concentración de CO₂. Lo ideal es que los espeleólogos empleen la llama de un mechero. Esto reducirá la cantidad de humos desagradables emitidos por las cerillas al arder, por las pruebas de las personas realizan dentro de los espacios confinados de las cuevas. El mejor consejo es “frente a la duda, salir fuera” de una manera ordenada.

En tests de laboratorio han determinado que la combustión de una cerilla, vela o mechero de butano cesará entorno al 14’5 % o 15 % de concentración de O₂

El 21 % de O₂ es la concentración de oxígeno en la atmósfera. El 15% de oxígeno es suficiente para resucitar a una persona usando el boca a boca. De hecho un humano puede sobrevivir en una atmósfera con un contenido del 10 % de oxígeno, por ello cuando el test de la llama falla está midiendo una atmósfera que aún tiene un porcentaje de oxígeno suficiente para sobrevivir.

El preligro real es la concentración de dióxido de carbono que es el principal disparador para el cuerpo humano del aumento del ritmo en la respiración. Exposiciones prolongadas a una concentración entre el 5% y el 6% puede ser suficiente para producir el sofoco. En la mayoría de los casos, si una persona presenta los síntomas debido a un alto nivel de dióxido de carbono un simple test de la llama desnuda fallará el encendido. Esto es seguro un signo de aire contaminado y se está a tiempo de abandonar.

El dióxido de carbono tratado con respecto no es más peligroso que otros peligros de las cuevas. A pesar de los posibles peligros, la espeleología es más segura que conducir un vehículo a motor, más de los que nosotros otorgamos.

Nota del autor:
Comments are most welcome. Direct to Garry K. Smith via Electronic mail at 

gksmith2@optusnet.com.au or by snail mail to "3 Spinnaker Ridge Way, Belmont NSW 2280 Australia"

Traducido con permiso del autor por: Alfonso Gutiérrez

Fotografías:
[1] Cueva de los Chorros. Albacete.
[2] Sima de Oxtabide. Vizcaya.
[3] Cueva Mur. Cantabria.
[4] Sima de las tainas. Soria