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Adaptation to the rarefied air of abysses and caves.A laboratory study

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Abstract

Introduction and aims: The atmosphere in the abysses of the mountains of Garraf (Barcelona) have lower oxygen levels and higher CO2 concentrations with respect to normality. To evaluate the risk of speleological exploration in this area, we studied 19 cavers (14 men and 5 women) while performing controlled exercise in a hypercapnic, hypoxic and normobaric atmosphere (15.2 ± 0.8% of 299 O2 and 19,049 ± 299 ppmv of CO2). Methods: The study was performed in a laboratory through ergometry. Two identical tests were used: one in a standard atmosphere (NN) and another in a confined atmosphere (a hypoxic tent), with rarefied air (HH). The following parameters were monitored: electrocardiogram, heart rate, oxygen saturation of hemoglobin, lactate, capillary glycemia, and final blood pressure. Results: The volunteers had distinct symptoms during the test with rarefied air: heat sensation (100%), dizziness (47%), headache (3%), ocular pruritus (21%), hand tremor (16%), extrasystoles (16.5%), hypertonic blood pressure behavior (26%), tachycardia (158.5 ± 15.9 bpm in rarefied air versus 148.7 ± 15.7 bpm in normal air; p<0.0002).All participants showed reduced oxygen saturation (93.4 ± 3.4% in rarefied air versus 97.7 ± 9.92% in normal air; p<0.00004). Discussion: Wide individual variability was found in symptoms and the parameters studied. In view of the results of this study, we recommend that a threshold of 45,000 ppmv of CO2 not be exceeded in speleological exploration. Likewise, fitness assessment should be performed in individuals planning to enter confined atmospheres, such as the caves and abysses of this mountain.

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Conference Paper
Des mesures en continu et des profils de teneurs en CO2 dans les cavités karstiques de l’Ardèche (Aven d’Orgnac, Grotte Chauvet) et des Pyrénées (Grottes de Gargas et de Niaux, Gouffre d’Esparros) ont montré : i) que les teneurs en CO2 présentent de fortes et parfois brutales variations saisonnières, ii) que les profils de CO2 dans l’espace sont fortement dépendants de la géométrie de la cavité qui se comporte souvent comme un système compartimenté. L’évolution temporelle des teneurs en CO2 de l’air de la cavité est compatible avec un fonctionnement aérodynamique où se succèdent des phases de confinement avec des teneurs en CO2 qui tendent vers une valeur plafond, et des phases de déconfinement où les teneurs s’effondrent atteignant parfois celles de l’air extérieur. Les périodes de fortes teneurs peuvent être interprétées comme une mise à l’équilibre de l’air des cavités (conduits de grande taille) avec l’air issu du réseau fissural qui transite dans la zone d’infiltration des karsts en écoulement diphasique. Les teneurs isotopiques en 13C indiquent un CO2 d’origine biogénique; toutefois les teneurs identifiées dans les sols (rarement au dessus de 2%) ne sont pas suffisantes pour expliquer certaines teneurs mesurées sous terre (localement jusqu’à 4%). Une des hypothèses examinées explique la différence entre les valeurs mesurées dans l’air des sols et dans l’atmosphère des cavités par l’oxydation de matière organique durant son transit vers la profondeur; le déficit en O2, égal en %vol. à l’enrichissement en CO2, est un argument fort dans ce sens. Les cavités karstiques se comportent ainsi comme des drains pour l’air issu du réseau fissural, les teneurs sont expliquées a tout moment par un mélange entre l’air extérieur (ventilation par les conduits) et l’air produit par le réseau fissural. Le fonctionnement aérodynamique des cavités nous apparaît être un paramètre directeur du concrétionnement en grotte, en effet l’existence de gradient en CO2 reste la condition essentielle du dépôt de carbonate de calcium.
Article
Pulmonary function, acid-base balance, renal electrolyte excretion, hematology, biorhythms and psychomotor test results were studied in six men during 30 days of exposure to a PICO2 of 14 torr (FICO2 = 0.02) with pre- and postexposure periods on air. Alveolar and arterial PCO2 increased and remained constant throughout the CO2 exposure (delta PACO2 = delta PACO2 = 2.5 torr); the rise in expiratory minute volume (delta VE = 60%) was related to the increased tidal volume. Oxygen uptake and carbon dioxide output increased about 10% because of the ventilatory work overload. Physiological dead space increased 8% without an alveolar-arterial PCO2 difference. Respiratory acidosis was mild (delta pH approximately or equal to 0.01) and the renal response was slight. There was no variation in plasma electrolytes, except a slight decrease in potassium. Red blood cell count decreased, showing a confinement effect. Adaptation to exercise was slightly impaired. Results of electrobiological and psychomotor tests and biorhythm evaluations showed no variation; application of these findings to CO2 exposure limits is discussed.
Article
Twelve male volunteers inspired concentrations of carbon dioxide in oxygen ranging from 7% to 14% for periods of 10– 20 minutes. Respiratory minute volume, arterial pressure, heart rate, and plasma concentrations of epinephrine, norepinephrine and 17-OH corticosteroids were increased in every subject during hypercarbia. Abnormal cardiac rhythm was infrequently observed. Following substitution of oxygen for the carbon dioxide-oxygen mixture, the altered measurements returned to normal over a period of roughly 10 minutes. Neither marked hypotension nor cardiac arrhythmia was observed after correction of hypercarbia. Submitted on January 8, 1960
More on bad air in cave American Caving Accidents
  • W Mixon
Mixon W. More on bad air in cave. American Caving Accidents; NSS News, April 2000. p. 2.
Perfil fisiològic i càrregues de treball en espeleologia
  • M Balcells
  • Ja Prat
  • I Yzaguirre
Balcells M, Prat JA, Yzaguirre I. Perfil fisiològic i càrregues de treball en espeleologia. Apunts. 1986;23:217-24.
Evaluation of carbon dioxide and oxygen data in atmospheres using the Gibbs Triangle and Cave Air Index. Prin-ted in Helictite
  • Halbert
Halbert EJM. Evaluation of carbon dioxide and oxygen data in atmospheres using the Gibbs Triangle and Cave Air Index. Prin-ted in Helictite. Journal of Australasian Cave Research. 1982;20: 60-8.
Evaluation of carbon dioxide and oxygen data in atmospheres using the Gibbs Triangle and Cave Air Index
  • Ejm Halbert
Halbert EJM. Evaluation of carbon dioxide and oxygen data in atmospheres using the Gibbs Triangle and Cave Air Index. Printed in Helictite. Journal of Australasian Cave Research. 1982;20: 60-8.
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Massís del Garraf. Map-Hiking Guidebook Scale 1:25.000. Barcelona: Alpina.
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Miñarro JM. Cent anys d'espeleologia a Catalunya (1897-1997).
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  • J James
  • J Dyson
James J, Dyson J. Cave science topics: CO 2 in caves. Caving International. 1981;13:54-9.
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  • F Bourges
  • A Mangin
  • D Hulst
Bourges F, Mangin A, d'Hulst D. Radon and CO 2 as markers of cave atmosphere dynamics: evidence and pitfalls in underground confinement; application to cave conservation. Communication au colloque Climate Changes: the Karst Record III. Montpellier (France), 11-14 de mayo de 2003.
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  • Ke Schaefer
Schaefer KE. Preventive aspects of submarine medicine. Undersea Biomedical Research. 1979;6:246.
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  • I Yzaguirre
  • R Cano
  • G Burgos
  • A Sanmartí
Yzaguirre I, Cano R, Burgos G, Sanmartí A. Bad air in de cavities of the Garraf Mountain. EspeleoCat. Federació Catalana d'Espeleologia. 2007;5:53-5.
Federació Catalana d'Espeleologia
  • Barcelona
Barcelona: Federació Catalana d'Espeleologia; 2000. p. 12-37.
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Radziszewski E, Giacomoni L, Guillerm R. Effets physiologiques chez l'homme du confinement de longue durée en atmosphère enrichie en dioxyde de carbone. Proceedings of a colloquium on Space and Sea. Marseille, France, 24-27 Novembre 1987, ESA SP-280 edit., Mars 1988. p. 19-23.