Магия же! Плёнка, формирующая границу наколдованного воздушного пузыря, работает как фильтр, магически преобразуя растворённые в воде газы в пригодную для дыхания смесь, а из выдыхаемого воздуха происходит поглощение углекислого газа для его возвращения в воду. В принципе на разложении газовой смеси до элементарных компонентов тоже может строиться работа наколдованного воздушного пузыря.

ИзУмРуДнАяФеЯсЯхАнТыВыМиГлАзАмИ
Допустим, происходит, эээ, магиколиз воды.

Фанфик был такой.
Дамбигад.
Гермиона завалила Дамблдора именно пузырём.

Магия жи!

Учитывая, что, судя по четвертой части, человек не задыхается в пузыре на суше, предположу, что внутри пузыря идет непрерывная трансфигурация CO2 в O2.

(Мой хедканон - при наличии жаброслей, Пузыреголовое заклинание не так полезно в воде, как могло бы быть. Поэтому, согласно моей идее, оно было разработано достаточно поздно - в 1915 году - и предназначено было в первую очередь именно для применения на суше. Ведь, если у Второй Мировой был свой магический слой, "война Гриндевальда", то, вероятно, и у Первой что-то такое было.)

Три рубля
Пузыреголовное применяют не только в воде. В какой-то книге (вроде в 5) был момент, когда среди школьников стало модно ходить в пузыреголовном заклинании, потому что повсюду взрывали навозные бомбы, и никто не хотел дышать вонью.