무료 공개 · 비상·항공생리 이론 1장

저산소증(Hypoxia)은 뇌를 비롯한 신체 조직의 기능을 저하시킬 만큼 산소가 부족해진 상태를 말합니다. 핵심 단어는 '산소 결핍'이고, 가장 먼저 타격을 받는 장기가 뇌라는 점이 중요합니다. 이산화탄소가 과다하게 축적되거나 호흡 속도가 빨라져 탄산가스가 과다 배출되는 것은 뒤에서 다룰 과호흡증의 양상이지 저산소증이 아니므로, 이 둘을 처음부터 분명히 갈라 두어야 합니다.

저산소증은 산소가 우리 몸의 어느 단계에서 막히느냐에 따라 네 가지로 나뉩니다. 산소는 '들이마셔서(공급) → 혈액이 실어서(운반) → 순환이 날라서(전달) → 세포가 쓰는(이용)' 순서로 흐르는데, 이 네 단계마다 하나씩 대응하는 저산소증이 있다고 이해하면 외우기 쉽습니다.

**저산소성 저산소증(Hypoxic hypoxia)**은 산소 공급 자체가 모자란 경우입니다. 고도가 올라가 산소 분압이 떨어지거나 기도가 막힌 상황이 여기에 해당하며, 조종사가 고고도에서 마주치는 가장 대표적인 유형입니다.

**빈혈성 저산소증(Hypemic hypoxia)**은 산소는 충분히 들어오는데 혈액이 이를 받아 세포로 실어 나르지 못하는 경우입니다. 일산화탄소는 헤모글로빈의 산소 결합을 방해하고, 출혈이나 헌혈은 산소를 운반할 혈액량 자체를 줄이므로 모두 이 유형의 전형적 원인입니다.

**정체성 저산소증(Stagnant hypoxia)**은 산소가 풍부한 혈액이 만들어졌는데도 순환이 막혀 세포까지 도달하지 못하는 경우입니다. 운반 능력 자체의 문제인 빈혈성과 달리, 실어 나를 힘은 있으나 길이 막힌 상태로 구분하면 됩니다.

**조직독성 저산소증(Histotoxic hypoxia)**은 산소가 세포까지 무사히 도착했는데도 세포가 그 산소를 이용하지 못하는 경우입니다. 알코올, 약물, 독성물질이 세포 호흡을 방해하는 것이 대표적 원인입니다. 흔히 나오는 함정은 '세포가 산소를 이용하지 못한다'는 조직독성의 설명을 저산소성에 갖다 붙이는 식으로 기전을 뒤바꾸는 것이니, 네 유형과 각 단계의 짝을 정확히 잡아 두어야 합니다. 참고로 '과호흡성 저산소증' 같은 용어는 존재하지 않는 가공의 분류입니다.

헌혈 뒤의 비행 — 혈액량 회복에는 몇 주

헌혈로 줄어든 혈액량이 정상으로 돌아오는 데는 몇 주가 걸릴 수 있습니다. 지상에서는 그 영향이 미미해 잘 느끼지 못하지만, 그 기간에 비행하면 산소 운반 능력이 줄어든 상태라 빈혈성 저산소증 위험이 있습니다(FAA PHAK 17장). '하루면 회복되니 이튿날부터 비행에 영향이 없다'는 판단은 틀립니다. 다이빙 뒤의 질소처럼 지상에서는 잘 드러나지 않다가 고도에서 위험해지는 요인이므로, 다이빙·음주 뒤의 대기 시간과 함께 비행 전 적성 점검에 넣어 둡니다.

고도 저산소증을 이해하는 열쇠는 '비율'과 '분압'을 구분하는 것입니다. 흔한 오해는 고도가 올라가면 대기 중 산소 비율이 낮아진다는 것인데, 실제로는 산소 비율은 지표면부터 상공까지 약 21%로 거의 일정하게 유지됩니다. 질소 비율도 마찬가지로 고도와 무관하게 거의 변하지 않습니다.

달라지는 것은 전체 대기압입니다. 고도가 올라가면 대기압이 떨어지고, 그만큼 산소의 분압(전체 압력 중 산소가 차지하는 몫)이 함께 낮아집니다. 폐가 실제로 흡수할 수 있는 산소량은 이 분압에 좌우되므로, 분압이 떨어지면 비율이 그대로여도 흡수되는 산소가 줄어듭니다. 따라서 고도 저산소증의 직접 원인은 '산소 비율 감소'가 아니라 '산소 분압 저하'입니다. 시험에서는 이 지점을 뒤집어 '비율이 비례해서 줄어든다'거나 '고도가 오르면 분압이 높아진다'는 식으로 함정을 놓으니, 비율은 일정·분압은 감소라는 짝을 통째로 기억해 두는 편이 안전합니다.

이 원리는 여압 항공기에서 그대로 재현됩니다. 여압이 상실되면 객실 기압고도가 갑자기 높아진 것과 같은 상태가 되고, 객실 내 압력이 떨어지면서 산소 분압이 낮아져 저산소증이 발생합니다. 이때도 원인은 객실 안 산소나 질소의 비율 변화가 아니라 전체 압력의 저하라는 점이 핵심입니다. 급감압 상황에서 조종사가 산소마스크를 최우선으로 착용해야 하는 이유가 바로 여기에 있습니다.

비행고도와 객실고도의 차압

[그림 2-73] 비행고도와 객실고도의 차압 출처: 국토교통부 조종사 표준교재(비행이론) — 항공교육훈련포털(kaa.atims.kr), 공공누리 제3유형

저산소증이 조종사에게 특히 위험한 이유는 통증이나 뚜렷한 불편함 없이 조용히 진행되어 본인이 증상을 자각하기 어렵다는 점입니다. 그래서 다행감(euphoria) 같은 착각 속에서 판단력이 떨어지고, 대응이 늦어지는 사이 무의식 상태에 이를 수 있습니다. 강한 통증을 동반한다거나 반드시 즉시 의식을 잃는다는 것은 사실이 아니며, 산소를 공급하면 대개 회복됩니다.

증상은 단계적으로 진행됩니다. 초기에는 다행감이 가장 먼저 나타나고, 이어서 두통과 어지럼증, 반응 시간 지연과 시력 저하로 넘어가며, 방치하면 결국 의식을 잃습니다. 반면 손발의 심한 통증이나 근육 경련은 저산소증의 전형적 증상이 아니라 뒤에서 다룰 과호흡증의 저림·경직에 더 가깝습니다.

**유효의식시간(TUC; Time of Useful Consciousness, EPT라고도 함)**은 저산소 환경에 노출된 순간부터 정상적인 업무 수행 능력에 장애가 시작될 때까지의 시간입니다. 주의할 점은 이 시간이 지나는 순간이 곧 의식을 완전히 잃는 시점은 아니라는 것입니다. 이 시간이 지나면 스스로 산소마스크를 착용하는 등의 자위 능력을 잃기 시작하므로, 그 안에 조치를 마쳐야 한다는 의미로 읽어야 합니다.

TUC는 고도가 높을수록 급격히 짧아집니다. 산소 분압이 더 낮아지기 때문입니다. 비여압 상태에서 비상 산소가 없다고 가정한 대략적인 값은 다음과 같습니다.

표의 흐름에서 보이듯, 낮은 고도일수록 분 단위로 여유가 있고 40,000ft를 넘으면 사실상 순식간에 판단력을 잃습니다. 22,000ft처럼 낮은 고도를 '10초 안팎으로 40,000ft대와 차이가 없다'고 하거나, 40,000ft 이상을 '3~5분'으로 잡는 것은 고도-시간 경향을 정면으로 거스른 오류입니다. 순항고도에서 급감압이 일어나면 조종사에게 주어진 시간이 수십 초에서 1~2분에 불과하다는 사실이, 급감압 절차에서 산소마스크 착용과 비상강하가 왜 즉각적으로 이루어져야 하는지를 그대로 설명해 줍니다.

객실 기압고도별 영향과 청색증(FAA AIM 8-1-2)

청색증은 PHAK도 저산소증의 대표 증상으로 꼽습니다.

과호흡증(Hyperventilation)은 호흡이 비정상적으로 빨라지거나 깊어져 혈액 속 이산화탄소가 과도하게 빠져나갈 때 발생합니다. 저산소증이 '산소 부족'이라면 과호흡증은 '이산화탄소 과다 배출'이 본질이라는 점에서 정반대 방향입니다. 이산화탄소가 축적되어 발생한다는 설명은 기전을 거꾸로 뒤집은 대표적 함정입니다.

비행에서 과호흡증을 가장 잘 일으키는 요인은 불안과 긴장을 부르는 심리적 스트레스입니다. 예기치 못한 상황에서 무의식적으로 호흡이 빨라지는 것이 전형적인 유발 경로입니다. 증상으로는 손발 끝부터 번지는 저린 느낌, 어지럼증과 현기증, 질식감, 서늘한 느낌 등이 나타납니다. 정신이 또렷해지거나 각성도가 높아지는 일은 없으며, 오히려 판단력과 시각 능력이 함께 저하됩니다.

두 증상을 표로 갈라 두면 헷갈릴 일이 줄어듭니다.

과호흡증의 대응은 빠져나간 이산화탄소를 다시 정상 수준으로 되돌리는 데 초점을 둡니다. 호흡 속도를 의식적으로 늦추고, 마음을 안정시켜 천천히 호흡하며, 필요하면 봉투에 입을 대고 자신이 내쉰 공기를 다시 들이마시는 방법이 있습니다. 반대로 호흡을 더 빠르게 하는 것은 이산화탄소를 한층 더 배출시켜 증상을 악화시키므로 절대 해서는 안 됩니다.

실전에서 어려운 점은 두 증상의 증세가 비슷해 비행 중에 즉시 구분하기 어렵다는 것입니다. 이때는 과호흡증이라 여겼던 것이 실제로는 저산소증일 가능성을 배제할 수 없으므로, 두 경우 모두에 대비해 즉시 100% 산소를 호흡하는 것이 가장 안전한 조치입니다. 산소 공급은 저산소증을 직접 해결하면서 과호흡증에도 해를 끼치지 않기 때문입니다.

증상으로 가르기와 두 증상이 함께 올 때(FAA)

과호흡증 증상은 머리가 멍함·질식감·졸음·손발 저림·서늘함이고, 진행하면 협응 장애·방향감각 상실·통증을 동반한 근육 경련을 거쳐 의식을 잃을 수 있습니다. 호흡 속도와 깊이를 의식적으로 조절하면 대개 몇 분 안에 가라앉습니다(AIM 8-1-3). 손톱·입술이 검푸르게 변하는 청색증은 산소 부족의 징후로, 과호흡증이 아니라 저산소증에서 나타납니다(객실 기압고도 15,000ft 초과, AIM 8-1-2).

두 증상은 동시에 나타날 수 있습니다(AIM 8-1-3). 높은 고도에서는 산소를 쓰든 안 쓰든 호흡이 빨라지기 쉬워 과호흡으로 이어지는 일이 흔합니다(PHAK 17장). 흡연·배기가스의 일산화탄소와 빈혈은 혈액의 산소 운반 능력을 떨어뜨려 저산소증이 뚜렷해지는 고도를 낮춥니다(AIM 8-1-2).

고도 변화에 따라 대기압이 오르내리면 몸속 공기가 든 공간의 기체도 팽창하거나 압축됩니다. 이때 압력이 평형을 이루지 못하면 통증과 손상이 생기는데, 이를 갇힌 가스(Trapped Gas) 장애 또는 기압손상(Barotrauma)이라 합니다. 공기가 갇힐 수 있는 대표적 공간이 중이, 부비동, 치아, 위장입니다.

중이는 고막을 사이에 두고 외이와 나뉘며, 반대편의 이관(Eustachian tube)을 통해 목구멍과 연결됩니다. 이 이관이 열리면서 중이 안팎의 압력 차이를 줄여 주므로 기압 변화에 따른 손상을 완화합니다. 고막은 외이와 중이를 나누는 막일 뿐 압력을 조절하는 통로가 아니고, 달팽이관은 청각 기관이라 압력 조절과 무관합니다. 부비동 역시 작은 통로로 외부와 연결되어 압력을 맞춥니다.

상승과 하강은 방향이 다릅니다. 상승 시에는 외부 압력이 낮아져 중이와 부비동 내부 공기가 팽창하고, 팽창한 공기는 통로로 비교적 쉽게 빠져나가는 편입니다. 반면 하강 시에는 외부 압력이 높아져 공기를 다시 받아들여야 하는데, 이때 이관은 오히려 닫히기 쉬워 외부 공기가 저절로 들어오지 못합니다. 그래서 감기나 부비동염으로 통로가 막혀 있으면 압력 평형이 어려워 통증이 주로 하강 시에 심하게 나타납니다. '하강 시에는 공기가 저절로 빠져나가 압력이 맞춰져 통증이 없다'거나 '상승 시에만 통증이 생기고 하강 시에는 사라진다'는 설명은 방향을 거꾸로 뒤집은 함정입니다.

하강 시 통증을 줄이려면 침을 삼키거나 하품을 해서 이관을 열어 주면 됩니다. 이 동작이 중이 안팎의 압력 차이를 줄여 줍니다. 위장에 찬 가스나 치아 속에 갇힌 공기도 같은 원리로 상승 시 팽창하면서 불편함을 줄 수 있어, 승객·승무원 모두에게 하강 국면에서의 압력 평형이 실무적으로 중요합니다.

이관과 중이의 압력 평형

Figure 17-2. The Eustachian tube · 출처: FAA Pilot's Handbook of Aeronautical Knowledge (FAA-H-8083-25), public domain

막히면 생기는 일과 예방(FAA AIM 8-1-2)

감기·인후염 같은 상기도 감염이나 코 알레르기로 통로 주위가 부으면 압력을 맞추지 못합니다. 삼키기·하품으로 이관이 열리지 않으면 입을 닫고 코를 쥔 채 숨을 내쉬는 발살바법을 쓰지만, 압력 차이가 커지면 이관이 닫힌 채로 남는 귀 막힘(ear block)이 됩니다. 귀 막힘은 심한 귀 통증과 청력 저하를 일으키고 몇 시간에서 며칠까지 이어질 수 있으며, 고막 파열은 비행 중이나 착륙 뒤에 일어날 수 있습니다. 부비동 막힘(sinus block)은 하강 중에 가장 흔하고 눈썹 위의 전두동이나 뺨 위쪽의 상악동에 생기는데, 상악동이 막히면 윗니가 아플 수 있습니다. 예방의 기본은 상기도 감염이나 코 알레르기가 있을 때 비행하지 않는 것입니다. 코 분무제·점비약으로는 대개 충분한 보호가 되지 않고, 먹는 코막힘 약은 부작용으로 조종 수행 능력을 떨어뜨릴 수 있습니다. 착륙 뒤 곧 풀리지 않으면 의사의 진료를 받습니다.

감압병(DCS; Decompression Sickness)은 주변 대기압이 급격히 낮아질 때, 평소 혈액과 조직에 녹아 있던 질소가 용해 상태를 유지하지 못하고 기포로 빠져나와 발생합니다. 탄산음료 병뚜껑을 열면 압력이 풀리며 기포가 올라오는 것과 같은 원리입니다. 이 기포가 관절, 혈관, 신경 등에 영향을 주어 통증을 비롯한 증상을 일으킵니다. 이산화탄소 축적이나 산소 분압 상승, 일산화탄소 농도 상승은 감압병과 무관하며, 감압병의 원인은 어디까지나 '압력 감소로 인한 용해 질소의 기포화'입니다.

조종사가 실무에서 특히 유의할 상황이 스쿠버 다이빙 후 비행입니다. 수중에서 높은 압력을 받는 동안 질소가 체내 조직에 추가로 용해되는데, 다이빙 직후 비행으로 기압이 더 낮아지면 이 질소가 기포로 빠져나오며 감압병을 일으킬 수 있습니다. 지상에서는 문제가 없던 질소 부하가 고도에서는 발병 문턱을 넘는 것입니다.

권장 대기 시간은 다이빙의 종류와 비행 고도에 따라 나뉩니다.

여기서 8,000ft는 여압된 객실고도가 아니라 실제 비행고도(평균해면 기준)입니다. 비행 중 객실 감압이 일어날 위험까지 고려한 기준이기 때문입니다. '얕은 다이빙·낮은 고도 = 12시간, 그 외 = 24시간'으로 묶어 기억하면 됩니다. 4시간은 조직 내 잔류 질소가 충분히 배출되기에 부족하고, 48시간은 별도로 규정된 기준이 아닙니다. 항공신체 관점에서는 휴양지 레저 다이빙 다음 날 아침 비행 스케줄이 전형적인 위험 조합이라는 점을 염두에 두는 것이 좋습니다.

증상과 비행 중 대응

가장 흔한 증상은 팔꿈치·어깨·무릎 같은 큰 관절의 깊은 통증(벤즈)이고, 뇌·척수 증상, 흉통·마른기침(쵸크스), 피부 가려움도 나타납니다. 증상은 고도에서, 강하 중에, 또는 몇 시간 뒤 지상에서 늦게 나타날 수 있습니다. FAA PHAK가 제시하는 대응은 다음과 같습니다.

• 즉시 산소마스크를 쓰고 100% 산소로 바꿉니다.
• 비상강하해 가능한 한 빨리 착륙합니다. 강하 중 증상이 사라져도 산소를 계속 마시며 착륙 후 진료를 받습니다.
• 관절이 아프면 그 부위를 움직이지 말고 가만히 둡니다. 움직여서 풀려고 하면 안 됩니다.
• 착륙 후 항공의료·고압의학 전문의에게 진료를 받습니다. 근본 치료에는 고압 챔버가 쓰일 수 있습니다.

잠수 후 대기 기준도 같은 맥락입니다. 여압 항공기라 객실고도가 낮게 유지되더라도 비행 중 감압이 일어나면 몸은 실제 비행고도의 기압에 노출되므로, 여압 여부로 대기 시간이 면제되지 않습니다.

고고도 비행에서 산소장비 사용 시점은 객실 기압고도를 기준으로 정해집니다. 미국 FAA 규정 14 CFR 91.211 기준으로 정리하면 다음과 같습니다. 국내 항공안전법 시행규칙 제114조는 기내 기압 700hPa(약 10,000ft)·620hPa(약 13,000ft)를 기준으로 달리 정합니다.

12,500ft까지는 산소 없이 비행할 수 있습니다. 12,500~14,000ft 구간은 30분이라는 한도가 있어, 이 시간을 넘기면 반드시 산소장비를 써야 합니다. 이 구간을 '시간 제한 없이 비행할 수 있다'고 하는 것은 규정과 어긋납니다. 14,000ft에 도달하면 승무원은 시간과 무관하게 상시 산소를 사용해야 하고, 15,000ft를 넘어서면 승객에게도 산소를 제공해야 합니다. 반대로 '12,500ft에서 승객 전원에게 산소를 제공해야 한다'거나 '10,000ft 이하에서 반드시 마스크를 착용해야 한다'는 것은 규정에 없는 내용입니다. 고도 숫자와 대상(승무원/승객)을 짝지어 외워 두면 함정에 걸리지 않습니다.

이 규정의 배경에는 앞서 다룬 산소 분압 저하와 유효의식시간이 있습니다. 여압 항공기는 순항 중 객실을 낮은 기압고도로 유지해 이 문턱 아래에 두지만, 여압이 상실되면 객실 기압고도가 급격히 상승하며 저산소증 위험 구간으로 진입합니다. 특히 순항고도에서 급감압이 발생하면 조종사에게 주어진 유효의식시간이 수십 초에서 1~2분에 불과하므로, 대응 순서는 명확합니다. 먼저 산소마스크를 즉시 착용해 저산소증을 막고, 안전고도까지 비상강하해 객실 기압고도를 낮추는 것입니다. 산소 규정의 숫자들을 유효의식시간·산소 분압 개념과 하나로 묶어 이해하면, 왜 이런 조치가 즉각적이어야 하는지가 자연스럽게 설명됩니다.

여압계통의 구조와 흐름

[그림 2-75] 여압계통의 구조 출처: 국토교통부 조종사 표준교재(비행이론) — 항공교육훈련포털(kaa.atims.kr), 공공누리 제3유형

연속 흐름식 산소마스크(Rebreather Bag)

[그림 2-78] Continuous flow mask and rebreather bag 출처: 국토교통부 조종사 표준교재(비행이론) — 항공교육훈련포털(kaa.atims.kr), 공공누리 제3유형

AIM의 권장 산소 고도와 고도별 영향(FAA AIM 8-1-2)

위 표는 규정상 최소 요건입니다. AIM은 최적의 보호를 위해 주간에는 10,000ft 초과, 야간에는 5,000ft 초과에서 보충 산소를 쓰도록 권장합니다. 밤의 기준이 더 낮은 것은 야간 시력이 객실 기압고도 5,000ft에서부터 나빠지기 때문입니다. 그 밖의 뚜렷한 영향은 건강한 조종사라면 대개 12,000ft 아래에서는 나타나지 않습니다. 12,000~15,000ft에서는 판단력·기억력·경계심·협응·계산 능력이 떨어지고 두통·졸음·어지러움과 행복감 또는 호전성이 나타나며, 고도가 높을수록 더 짧은 노출로 나타납니다. 15,000ft에서는 15분 안에 조종 수행 능력이 심각하게 나빠질 수 있고, 15,000ft를 넘으면 터널 시야와 손톱·입술의 청색증이 생깁니다. 스스로 교정·보호 조치를 할 능력은 18,000ft에서 20~30분, 20,000ft에서 5~12분 안에 잃고 곧 의식을 잃습니다.