Tauchphysik

Grundidee und Bedeutung

Tauchphysik umfasst die besonderen Bedingungen der unbelebten Natur unter Wasser, denen Taucher, besonders Gerätetaucher, ausgesetzt sind. Sie ist wichtig für gefahrenbewusstes Tauchen und gehört zur Grundausbildung. Aus ihr ergeben sich Verhaltensregeln, die Taucher beachten müssen, um Unfallrisiken für sich und ihre Tauchpartner zu verringern.

Zentrale Faktoren sind Auftrieb und Gewicht, Wasserdruck, Wärmeverlust, Schallausbreitung, Lichtveränderungen sowie das Verhalten komprimierter Gase. Viele Risiken entstehen dadurch, dass Druck, Volumen, Dichte und Löslichkeit unter Wasser anders wirken als an der Oberfläche.

Auftrieb und Tarierung

Der statische Auftrieb eines von Wasser umgebenen Körpers wirkt der Gewichtskraft entgegen und entspricht der Gewichtskraft des verdrängten Wassers. Das ist das archimedische Prinzip. Ist die Auftriebskraft kleiner als die Gewichtskraft, sinkt ein Gegenstand; ist sie größer, steigt er auf.

Ein Taucher hat durch seine Ausrüstung mehr Gewicht und mehr Volumen als ein Schwimmer. Weil das Volumen der Ausrüstung das Gewicht normalerweise nicht ausgleicht, werden Bleigewichte verwendet, um den Abtrieb zu erhöhen. Zur Steuerung braucht der Taucher ein kontrollierbares Luftvolumen, meist die Tarierweste, die aus der Pressluftflasche befüllt werden kann. Auch die Lunge dient als zweite, fein steuerbare Luftblase. Mit der Tarierweste wird ein labiles Gleichgewicht erreicht; durch kontinuierliche Feintarierung mit dem Lungenvolumen kann der Taucher auf konstanter Tiefe schweben.

Dieses Gleichgewicht ist labil, weil Gasvolumen mit steigendem Druck, also größerer Tiefe, komprimiert werden und weniger Auftrieb erzeugen. Beim Abtauchen kann ein kleiner Abtrieb immer stärker werden; beim Auftauchen kann ein kleiner Auftrieb sich verstärken. Deshalb muss die Tarierung während eines Tauchgangs häufig angepasst werden. Zusätzlich verändern sich der Auftrieb eines Neoprenanzugs durch komprimierte Luftbläschen im Material und das Gewicht der Taucherflasche, weil Atemgas verbraucht und ausgeatmet wird.

Eigenschaften des Wassers

Der Wasserdruck nimmt pro 10 m Tiefe um ungefähr 1 bar zu. Theoretisch sind es in reinem Süßwasser 0,98 bar auf 10 m und im Meerwasser wegen der Salinität bis etwa 1,03 bar. Für Gerätetaucher reicht meist die Rechnung mit 1 bar pro 10 m. Die Tauchtiefe und damit der Wasserdruck sind wichtige Größen bei Planung und Durchführung eines Tauchgangs.

Wasser leitet Wärme deutlich besser als Luft. Seine Wärmeleitfähigkeit beträgt 0,6 W/(m·K) bei 20 °C. Der menschliche Körper gibt deshalb unter Wasser mehr Wärme ab als an Luft. Ohne Schutz durch einen Tauchanzug kann ein Taucher schnell auskühlen; mögliche Folgen sind Krämpfe und Unterkühlung.

Die Schallgeschwindigkeit unter Wasser beträgt 1483 m/s bei 20 °C und ist damit 4,4-mal so groß wie in Luft. Richtungshören ist erschwert oder unmöglich, weil Laufzeitunterschiede zwischen den Ohren anders wirken. In der Fachliteratur werden dazu unterschiedliche Schwellenwerte genannt: teils mindestens 300 Mikrosekunden, wofür ein Trommelfellabstand von 44,5 Millimeter nötig wäre; teils 10 Mikrosekunden, wofür 1,4 Millimeter reichen würden. Wasser leitet Schall stärker als Luft, tiefe Frequenzen besser als hohe. Deshalb können Taucher unter Umständen Motorengeräusche großer Schiffe über mehrere Kilometer hören.

Wegen der Viskosität, also der inneren Reibung des Wassers, kostet Bewegung unter Wasser mehr Kraft. Das erhöht auch den Luftverbrauch. Gegen starke Strömung kommt man nur schwer an; helfen können Schwimmen im rechten Winkel zur Strömung oder Bewegung dicht am Grund, wo die Strömung durch Reibung schwächer ist.

Die Dichte des Wassers hängt von Temperatur und Salzgehalt ab. Bei +4 °C ist Wasser am dichtesten, was für Taucher praktisch kaum Bedeutung hat. Salinität ist wichtiger: Süßwasser hat etwa 1000 kg/m³, Salzwasser bis zu 1350 kg/m³. Deshalb wird ein bestimmter Druck in Salzwasser bei geringerer Tiefe erreicht als in Süßwasser. Viele Tiefenmessgeräte müssen vor der Nutzung auf Meerwasser oder Süßwasser eingestellt werden.

Licht unter Wasser

Licht wird beim Übergang zwischen Medien unterschiedlicher optischer Dichte gebrochen. Beim Übergang von einem optisch dünneren in ein dichteres Medium wird es zum Lot hin gebrochen, vom dichteren ins dünnere Medium vom Lot weg. Beim Tauchen erscheinen Gegenstände deshalb durch Wasser, Maskenglas und Luftraum der Tauchmaske größer und näher, als sie wirklich sind.

Beim Blick nach oben zur Wasseroberfläche können Uferdetails sichtbar sein, aber optisch verzerrt und scheinbar weiter entfernt. Der Blickwinkel ist begrenzt. Beträgt der Brechungswinkel mehr als 48,3° zum Lot, tritt Totalreflexion auf: Objekte im Wasser spiegeln sich an der Wasseroberfläche.

Der Brechungsindex von Wasser hängt von seiner Dichte ab, die wiederum von Temperatur und Salinität beeinflusst wird. Treffen Wasserschichten unterschiedlicher Dichte aufeinander, können Trennschichten oder Schlieren entstehen, ähnlich wie optische Effekte über heißer Luft. Dadurch lassen sich zum Beispiel untermeerische Süßwasserquellen oder ein „Kaltwassersee“ erkennen.

Wasser absorbiert Licht je nach Wellenlänge unterschiedlich stark: je größer die Wellenlänge, desto stärker die Absorption. Rotes Licht verliert pro Meter 50 % seiner Intensität. Farben verschwinden mit der Tiefe: Rot ab 3 m, Orange ab 5 m, Gelb ab 8 m, Violett ab 18 m, Grün ab 35 m und Blau ab 60 m. Violett ist eine Ausnahme, weil es besonders stark gestreut wird. In sauberem Wasser werden Blau und Violett am stärksten gestreut; bei Schwebstoffen wie Plankton verstärkt sich die Streuung, und Grün dringt am tiefsten vor. Eine Taucherlampe hilft, Farben auch in größerer Tiefe zu erkennen.

Komprimierte Gase und Atmung

Nach dem Gesetz von Boyle-Mariotte ist bei Gasen das Produkt aus Volumen und Druck konstant. Druck und Volumen sind also umgekehrt proportional: Verdoppelt man den Druck einer Gasmenge, halbiert sich ihr Volumen. In größerer Tiefe braucht ein Taucher daher mehr Luft, um die Lunge zu füllen; in 10 m Tiefe doppelt so viel wie an Land auf Meereshöhe. Der Luftvorrat in der Pressluftflasche wird deshalb mit zunehmender Tiefe schneller verbraucht.

Druckausgleich ist nicht nur in der Lunge, sondern auch in Hohlräumen des Kopfes nötig, etwa im Mittelohr und in den Stirnhöhlen. Beim Auftauchen gilt die wichtige Regel: „Halte nie die Luft an!“ Sonst kann sich ausdehnende Luft nicht entweichen und ein Barotrauma, zum Beispiel ein Lungenriss, entstehen. Beim Abtauchen erzeugt steigender Druck im Außenohr relativen Unterdruck im Mittelohr; ohne Druckausgleich kann das Trommelfell reißen.

Atemluft enthält 78 % N_{2} (Stickstoff), 21 % O_{2} (Sauerstoff) und geringe Anteile anderer Gase. Nach dem Daltonschen Gesetz setzt sich der Gesamtdruck eines Gasgemisches aus den Partialdrücken der Einzelgase zusammen. In 50 m Tiefe herrschen etwa 5 bar; bei 21 % Sauerstoff ergibt sich ein Sauerstoffpartialdruck von 5 × 0,21 bar = 1,05 bar. Das entspricht an der Oberfläche dem Atmen von reinem Sauerstoff. In großer Tiefe kann Sauerstoffvergiftung auftreten. Erste Schädigungen des Lungengewebes treten auf, wenn reiner Sauerstoff mit einem Partialdruck von 1,6 bar länger als 45 Minuten eingeatmet wird. Auch die Gefahr der Stickstoffnarkose steigt mit zunehmendem Partialdruck.

Lösung, Temperatur und Atemwiderstand

Nach dem Henry-Gesetz lösen sich bei höherem Gasdruck mehr Gasmoleküle in einer Flüssigkeit. Für Taucher bedeutet das: In der Tiefe reichert sich besonders Stickstoff aus der Atemluft im Blut, Muskelgewebe, Nervenzellen, Fett und in den Knochen an. Beim Auftauchen sinkt die Lösungsfähigkeit des Körpergewebes wieder, und Stickstoff wird langsam abgegeben und über die Lunge ausgeatmet. Es kann über 24 Stunden dauern, bis nach einem oder mehreren Tauchgängen der gesamte Stickstoff ausgeatmet ist.

Wenn zu viel Stickstoff gelöst ist oder der Druck beim Auftauchen zu schnell abnimmt, können sich mikroskopisch kleine Bläschen im Blut bilden. Verbinden sie sich zu größeren Bläschen, können Embolien entstehen; dieser lebensbedrohliche Zustand heißt Dekompressionskrankheit. Um die Stickstoffentsättigung zu ermöglichen, müssen je nach Sättigungsgrad Dekompressionsstopps eingehalten werden. Sporttaucher versuchen oft, innerhalb der Nullzeit zu tauchen. Dekompressionstabellen und Tauchcomputer helfen, den Stickstoffsättigungsgrad vor oder während des Tauchgangs zu berechnen; moderne Tauchcomputer berücksichtigen auch wechselnde Tiefen und Oberflächenpausen.

Nach dem Gesetz von Gay-Lussac steigt der Druck einer fest umschlossenen Gasmenge bei Erwärmung und fällt bei Abkühlung. Umgekehrt erwärmt sich eine fest umschlossene Gasmenge bei steigendem Druck und kühlt bei sinkendem Druck ab. Eine Pressluftflasche hat gefüllt typischerweise 200 bar oder 300 bar; selbst in 30 m Wassertiefe herrschen nur 4 bar. Bei der Entnahme wird Atemluft stark entlastet und kühlt ab. Das begünstigt das Vereisen des Atemreglers, besonders in kühlen und kalten Gewässern. Ein zweiter Atemregler, Oktopus genannt, und das Buddysystem verringern die Erstickungsgefahr.

Die Wärmeleitfähigkeit von Gasen nimmt mit ihrer Dichte zu. In der Tiefe atmet der Taucher dichtere, komprimierte Luft, die in der Lunge erwärmt wird, wodurch mehr Wärme verloren geht. Zusätzlich ist die eingeatmete Luft durch die Druckentlastung aus der Flasche kalt. Außerdem steigt bei höherem Gasdruck die Viskosität des Atemgases: Es strömt „zäher“, der Atemwiderstand nimmt zu, und die Atemmuskulatur kann erschöpfen.