Tauchphysik

Unter dem Begriff Tauchphysik werden alle speziellen Bedingungen der nicht belebten Natur unter Wasser zusammengefasst, denen ein Taucher, besonders ein Gerätetaucher, ausgesetzt ist.

Die Kenntnis spezieller Gesetzmäßigkeiten oder Eigenschaften unter Wasser ist wichtig für gefahrenbewusstes Tauchen. Die Tauchphysik gehört zur Grundausbildung der Taucher. Daraus abgeleitete Verhaltensregeln müssen von Tauchern beachtet werden, um Unfallrisiken für sich und ihre Tauchpartner zu minimieren.

Eigenschaften von Festkörpern Auftrieb

Der statische Auftrieb eines von Wasser umgebenen Körpers wirkt der Gewichtskraft, dem Abtrieb, entgegen und entspricht der Gewichtskraft des verdrängten Wassers (archimedisches Prinzip). Wenn die Auftriebskraft kleiner ist als die Gewichtskraft, sinkt der Gegenstand. Ist sie größer, steigt er auf. Durch die mitgeführte Ausrüstung hat der Taucher ein größeres Gewicht als beispielsweise ein Schwimmer in Badekleidung. Auch sein Volumen ist erheblich größer. Das Volumen der Ausrüstung wird durch ihr Gewicht im Normalfall nicht ausgeglichen, so dass zusätzliche Bleigewichte verwendet werden, um den Abtrieb zu erhöhen. Um den Auftrieb unter Wasser steuern zu können, muss dem Taucher ein kontrollierbares Volumen mit Luft zur Verfügung stehen, mit dem Auftrieb oder Abtrieb erzielt werden kann. Eine solche kontrollierbare Luftblase wird meistens von einer Tarierweste dargestellt, die über die Pressluftflasche befüllt werden kann. Eine zweite kontrollierbare Blase, eher für Feintarierung geeignet, stellt die Lunge des Tauchers dar. Mit der Tarierweste kann ein labiles Gleichgewicht erreicht werden. Erst über ein kontinuierliches Feintarieren mit dem Lungenvolumen kann ein Gleichgewicht zwischen Auf- und Abtrieb erreicht werden, der Taucher schwebt also auf konstanter Tiefe.

Es wird nur ein labiles Gleichgewicht erreicht, da Gasvolumen mit steigendem Druck (also größerer Tiefe) komprimiert werden und damit weniger Auftrieb erzeugen. Ein anfänglich schwacher Abtrieb wächst somit beim Abtauchen immer weiter an, beim Auftrieb verhält es sich analog, ein anfänglich schwacher Auftrieb verstärkt sich beim Auftauchen. Würde ein Taucher mit Abtrieb nicht gegentarieren, würde er immer schneller bis zum Grund durchsacken, mit Auftrieb würde er mit wachsender Geschwindigkeit letztendlich wie ein Korken bis zur Wasseroberfläche schießen. Deshalb muss während eines Tauchgangs die Tarierung sehr häufig angepasst werden, damit man bei wechselnden Tauchtiefen nicht ungewollt auf- oder absteigt. Das Volumen der Luft in der Tarierweste, und damit ihr Auftrieb, ändert sich abhängig vom Druck des umgebenden Wassers. Wenn der Taucher einen Neoprenanzug trägt, ändert auch dieser mit der Tiefe sein Volumen, da die im Material eingeschlossenen Luftbläschen mehr oder weniger komprimiert werden. Schließlich ändert sich im Laufe des Tauchgangs auch das Gewicht der Taucherflasche, weil das mitgeführte Atemgas beim Ausatmen ins Wasser abgegeben wird und der Taucher deshalb am Ende des Tauchgangs deutlich leichter ist als am Anfang.

Eigenschaften des Wassers Hydrostatischer Druck 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 zu etwa 1,03 bar. Für den Gerätetaucher ist es meist ausreichend, mit dem Wert von 1 bar zu rechnen. Die Tauchtiefe, und damit der Wasserdruck, ist eines der wichtigsten Kriterien, die der Taucher bei der Planung und Durchführung eines Tauchgangs beachten muss.

Wärmeleitfähigkeit

Die Wärmeleitfähigkeit von Wasser (0,6 W/(m·K) bei 20 °C) ist wesentlich höher als die der Luft. Der menschliche Körper gibt mehr Wärme an das ihn umgebende Wasser ab als an die Luft, weshalb ein Taucher schnell auskühlt, wenn er sich nicht durch einen Tauchanzug schützt. Mögliche Folgen sind Krämpfe in den Gliedern und Unterkühlung.

Schall Die Schallgeschwindigkeit unter Wasser (1483 m/s bei 20 °C) ist 4,4-mal so groß wie in der Luft. An Land kann der Mensch die Schallquelle orten, weil der Schall zu minimal unterschiedlichen Zeitpunkten von jedem Ohr empfangen wird. Das Gehirn entwickelt aus der Laufzeitdifferenz eine Vorstellung von der räumlichen Lage der Schallquelle. Im Wasser ist diese räumliche Wahrnehmung aufgrund der höheren Schallgeschwindigkeit erschwert oder unmöglich. Deshalb hört sich jedes Geräusch unter Wasser so an, als wäre es im eigenen Körper. Der Taucher muss sich also auf seine Augen und seine Erfahrung verlassen, um die Quelle eines Geräusches ausfindig zu machen.

Nimmt man an, dass das menschliche Gehör eine Laufzeitdifferenz von mindestens 300 MikrosekundenOrtwin Khan: Vorbereitung zur Medizinprüfung für TL1 (PDF; 12,2 MB). htsv.de, 11. Februar 2012, S. 69. wahrnehmen kann, so wäre ein Trommelfellabstand von mindestens 44,5 Millimeter für das Richtungshören nötig. Deshalb wird in der Fachliteratur nicht selten ausgeführt, dass die Laufzeitdifferenz im Wasser ein so geringes Maß aufweist, dass sie durch den Hörsinn nicht mehr wahrgenommen werden kann.Thomas Kromp, Hans J. Roggenbach, Peter Bredebusch: Praxis des Tauchens. 3. Auflage. Delius Klasing Verlag, Bielefeld 2008, ISBN 978-3-7688-1816-2, S. 191. Teils wird aber auch von einer minimal wahrnehmbaren Laufzeitdifferenz von 10 MikrosekundenThomas Görne: Tontechnik Hanser Verlag, Seite 118 ausgegangen, womit ein Trommelfellabstand von nur 1,4 Millimeter ausreichend wäre. Dies würde bedeuten, dass das Richtungshören unter Wasser maßgeblich dadurch beeinträchtigt ist, dass das Gehirn nur das Hören an der Luft gelernt hat und deshalb im Wasser die veränderten Laufzeitdifferenzen falsch interpretiert.Hubertus Bartmann: Taucher-Handbuch, 74 Erg.-Lfg., Kapitel II-1.7.2.2

Die Leitfähigkeit des Wassers für Schall ist größer als die von Luft, allerdings auch stärker abhängig von der Frequenz. Tiefe Frequenzen werden um ein Vielfaches besser geleitet als hohe Frequenzen. Der Taucher kann deshalb unter Umständen Geräusche hören, die mehrere Kilometer entfernt erzeugt werden, beispielsweise die Motorengeräusche großer Schiffe.

Viskosität

Durch die innere Reibung (Viskosität) des Wassers erfordert die Bewegung unter Wasser deutlich mehr Kraftaufwand als die Fortbewegung an Land. Höherer Energieeinsatz bedeutet aber auch höheren Luftverbrauch, deshalb sind Taucher bestrebt, sich möglichst effizient zu bewegen, um eine Überanstrengung zu vermeiden. Die Viskosität und die Masse des Wassers sorgen auch dafür, dass man gegen eine stärkere Strömung nur schwerlich ankommt. Das Schwimmen im rechten Winkel zur Strömungsrichtung oder die Fortbewegung dicht am Grund können bei starker Strömung helfen, weil dort aufgrund der Reibung die Strömungen nicht so stark sind wie im Freiwasser.

Dichte Die Dichte des Wassers ändert sich mit seiner Temperatur (bei +4 °C ist Wasser am dichtesten), was aber für den Taucher keine praktische Bedeutung hat. Der Salzgehalt (die Salinität) wirkt sich jedoch erkennbar aus: Salzwasser hat mit bis zu 1350 kg/m³ eine höhere Dichte als Süßwasser mit 1000 kg/m³. Deshalb ist in Salzwasser ein bestimmter Druck bereits bei geringerer Wassertiefe erreicht als in Süßwasser. Da alle gängigen Messinstrumente für die Tiefe auf dem Wasserdruck beruhen, müssen viele vor der Nutzung für den Betrieb in Meerwasser oder Süßwasser eingestellt werden.

Beeinflussung des Lichts Brechung

Lichtwellen werden beim Übertritt von einem optisch dünneren in ein optisch dichteres Medium zum Lot hin gebrochen, beim Übertritt vom dichteren ins dünnere Medium vom Lot weg abgeleitet. Beim Tauchen macht sich diese Lichtbrechung dadurch bemerkbar, dass Gegenstände im Wasser scheinbar größer und näher sind als es tatsächlich der Fall ist, denn das Licht tritt vom Wasser durch das Glas der Tauchmaske in den Luftraum ein, der sich zwischen Tauchmaske und Augen befindet. Manchmal lässt sich das Phänomen auch umgekehrt beobachten: Wenn man in einem See mit relativ stiller Wasseroberfläche taucht und man aufwärts zur Wasseroberfläche schaut, so kann man Einzelheiten am Ufer erkennen, allerdings optisch verzerrt und scheinbar in größerer Entfernung. Der Blickwinkel, unter dem sich Gegenstände außerhalb des Wassers erkennen lassen, ist begrenzt. Beträgt der Brechungswinkel mehr als 48,3° zum Lot, tritt eine Totalreflexion auf: Objekte, die sich im Wasser befinden, spiegeln sich an der Wasseroberfläche.

Der Brechungsindex des Wassers ändert sich mit seiner Dichte, und die Dichte ist abhängig von Temperatur und Salinität. Mischt sich Wasser unterschiedlicher Dichte, so kann man eine Trennschicht oder Schlieren beobachten, ähnlich den optischen Effekten in der erhitzten Luft über einer Kerzenflamme. Dadurch lassen sich beispielsweise eine untermeerische Süßwasserquelle oder ein „Kaltwassersee“ erkennen.

Absorption und Streuung miniatur|400px|Schematische Darstellung der Farbabsorption im Wasser

Wasser absorbiert Licht in Abhängigkeit von dessen Wellenlänge unterschiedlich stark, und zwar umso stärker, je größer die Wellenlänge ist. Rotes Licht verliert pro Meter 50 % seiner Intensität. Die Farben werden durch Absorption so stark reduziert, dass man 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 nicht mehr erkennen kann. Das besonders kurzwellige Violett bildet hier eine Ausnahme, da es besonders stark gestreut wird. Die Streuung von Licht in (sauberem) Wasser nimmt ab, wenn die Wellenlänge zunimmt. Blau und Violett werden also am stärksten gestreut. Ist das Wasser zusätzlich durch Schwebstoffe (z. B. Plankton) getrübt, verstärkt sich die Streuung, und die Farbe Grün dringt am tiefsten vor, da sie durch die kombinierte Wirkung von Lichtstreuung und -absorption am wenigsten beeinträchtigt wird. Um trotzdem alle Farben auch in größerer Tiefe sehen zu können, hilft der Einsatz einer Taucherlampe.

Eigenschaften von komprimierten Gasen Volumen Nach dem Gesetz von Boyle-Mariotte ist bei Gasen das Produkt aus Volumen und Druck konstant. Das bedeutet, dass sich die beiden Parameter Druck und Volumen umgekehrt proportional zueinander verhalten: Verdoppelt man den Druck einer gegebenen Gasmenge, so verringert sich ihr Volumen auf die Hälfte. Da in der Tiefe der Druck erhöht ist, das maximale Lungenvolumen aber stets gleich bleibt, braucht der Taucher mehr Luft, um seine Lunge zu füllen (in 10 m Tiefe doppelt so viel wie an Land auf Meereshöhe). Eine Folge davon ist, dass der in der Pressluftflasche mitgeführte Luftvorrat umso schneller zur Neige geht, je größer die Tauchtiefe ist. Nicht nur in der Lunge muss der Druck ausgeglichen werden, sondern auch in den Hohlräumen des Kopfes. (Mittelohr, Stirnhöhlen u. a.) Dies gilt bei steigendem Druck, also beim Abtauchen, genauso wie bei sinkendem Druck während des Auftauchens. Eine wichtige Verhaltensweise beim Auftauchen besagt: „Halte nie die Luft an!“ Beim Verstoß gegen diese Regel besteht die Gefahr eines Barotraumas, z. B. eines Lungenrisses, weil die sich ausdehnende Luft beim Aufsteigen nicht entweichen kann. Als Folge der Druckerhöhung im Außenohr beim Abtauchen entsteht relativer Unterdruck im Mittelohr. Dabei wird das Trommelfell zum Mittelohr hin gedehnt. Der Taucher führt einen Druckausgleich durch Zuhalten der Nase, Schließen des Mundes und gleichzeitigem leichten Pressen der Atmung durch. Taucht er ohne Druckausgleich ab, droht ein Riss des Trommelfells.

Partialdrücke