Tauchphysik

Wasser und Gase

Boyle - Mariott’sches Gesetz

p.V=const.

Bei gleichbleibender Temperatur ist für eine gegebene Gasmenge der Druck zum Volumen umgekehrt proportional.

Dieser Sachverhalt stellt die Grundlage für ca. 70% aller Tauchunfälle dar.
Die Tatsache, dass Gase komprimierbar sind und sich so bei steigendem Druck verdichten, bei nachlassendem ausdehnen, äußert sich in vielen Situationen: Beim Abtauchen entsteht ein Druck auf alle gasgefüllten Körperhöhlen, der ausgeglichen werden sollte. Am auffallendsten ist der Druck auf das Trommelfell. Da während des Auftauchens der Wasserdruck sinkt, wäre es zum Beispiel nicht ratsam, die Luft in den Lungen anzuhalten - ein Barotrauma der Lunge mit daraus resultierenden Emphysemen oder Embolien wäre die Folge. Ein Auftauchen aus zehn Metern zum Beispiel hätte eine Verdoppelung des Gasvolumens zur Folge.
Ein weiterer Effekt ist das Faktum, dass die Luftversorgung von der Oberfläche (mit Normaldruck) die rasche Ermüdung des gesamten Kreislaufsystems bewirken würde, da ja die Brustmuskulatur ungewohnte Arbeit gegen die Differenz zwischen Umgebungsdruck und Druck der Luft in der Lunge verrichten müsste (bis max. 112cm Tiefe verkraftet der Körper diese Mehranstrengung).

Gesetz von Dalton

Der Gesamtdruck eines Gases ist die Summe seiner Partialdrücke.

N2	78,01%	0,78 bar
O2	20,93%	0,21 bar
Edelgase	~1%	0,01 bar
CO2	0,03%	0,00 bar

Interessant ist dieses Gesetz, da die Wirkung eines Gases auf den Körper nicht von seinem volumenmäßigen Anteil, sondern vom Teildruck abhängt.
Die Konsequenzen: Die Lösung eines Gases im Blut und die Umkehrung dieses Vorganges haben großen Einfluß auf viele Körperfunktionen. Details liefern

Diffusion und Gesetz von Henry

Bei konstanter Temperatur steht die Menge des in der Flüssigkeit gelösten Gases im Sättigungszustand in direktem Verhältnis zum Druck des über der Flüssigkeit stehenden Gases.

Die Geschwindigkeit der Diffusion (des Übertretens der Gasteilchen in die Flüsigkeit) wird von dem Verhältnis von (Partial)druck des Gases zu (Partial)druck des in der Flüssigkeit gelösten Gases bestimmt (êSättigung).
Grundsätzlich steigt die Gasmenge, die im Sättigungszustand in einer Flüssigkeit gelöst werden kann, mit

Teildruck des Gases Gemeinsamer Oberfläche Abnehmender Temperatur der Flüssigkeit Löslichkeit des Gases in der Flüssigkeit Flüssigkeitsmenge.

Stickstoff wird bei einem Druck von einem Bar nur physikalisch (s. o.) im Blut gelöst. Chemisch wird er nicht verarbeitet, zumal er auch als chemisch ziemlich inert bezeichnet wird (z.B. Gaschromatographie!). In größerer Tiefe wird er sodann stärker gelöst. Problematisch wird es wenn der Druck recht rasch abnimmt: Die Ensättigung findet dann nicht nur an der Flüssigkeitsoberfläche (=Lungen ê erhöhte N2 - Abatmung) statt, sondern sogar in der Flüssigkeit (=Blut) selbst statt, vergleichbar mit dem Entstehen von Blasen währen des Öffnens einer Sodawasserflasche. Dieses als Dekompressionskrankheit bezeichnete Phänomen kann relativ harmlose Symptome wie Juckreiz auf der Haut oder Gelenksschmerzen verursachen. Unangenehmere Folgen wären die Ausperlung des N2 an Nervensträngen wie der Wirbelsäule; Querschnittlähmungen oder ähnliche Nervenschäden könnten entstehen. Hilfe bietet in solchen Fällen nur ein mehrtägiger Aufenthalt unter Druck von 5 - 10 bar in einer Dekompressionskammer.
Ab 20 - 40m kann zusätzlich noch die Stickstoffnarkose (= Tiefenrausch) auftreten, die jedoch unmitelbar nach Verringerung des Drucks zurückgeht.
Zur Vermeidung dieser Erscheinungen können während des Auftauchens Dekompressionsstopps in immer geringeren Tiefen zur Entsättigung eingelegt werden, oder der Luftstickstoff teilweise bis vollständig durch Sauerstoff oder Helium ersetzt werden.

Sauerstoff wirkt ab einem (Partial)druck von 1,7 bar toxisch. Bei Verwendung von Druckluft als Atemluft entspricht das einer Tiefe von 1,7bar/0,21bar=8.1bar ê 71m. Da für Freizeittaucher solche Tiefen aufgrund der folgenden Dekompressionszeiten praktisch unerreichbar sind, ist diese Gefahr unwesentlich. Kampftaucher jedoch verwenden oft Sauerstoffkreislaufgeräte, da sie geräuschlos sind, und erreichen so den giftigen Grenzwert von pO2=1,7bar bereits in einer Tiefe von 7m, da sie ja reinen Sauerstoff atmen.

Optik

Das Licht unterliegt beim Eintreten in das Wasser vor allem folgenden Einflüssen:

Brechung Streuung Absorption

Ohne Hilfsmittel könnte das Auge aufgrund des ungewohnten Brechungsindex von Wasser ê Auge nur 10% der Sehleistung über Wasser erbringen. Da die Lichtstrahlen durch die Linse des Auges nunmehr kaum gebrochen werden, ist dieser Effekt vergleichbar mit dem einer starken Weitsichtigkeit. Abhilfe schafft der Luftraum zwischen Maske und Auge, welcher aber wiederum andere Veränderungen in der Wahrnehmung verursacht: Die Brechung Wasser ê Glas ê Luft ê Auge resultiert bewirkt, dass Objekte 1/3 größer und ¼ kleiner erscheinen.
Streuung bewirkt durch Schwebeteilchen eine schlechtere Sicht, die in der Regel maximal 60m beträgt.
Absorption wirkt sich stark auf das Farbsehen in der Tiefe aus. Längerwelligere, hochfrequentere Strahlung kann weiter im Wasser vordringen und dominiert daher die größeren Tiefen. Rot kann nur über Strecken von bis zu knapp 10m erkannt werden, Orange bis 15m, Gelb bis 30m, Grün bis 50m, Blau bis 60m. In größeren Tiefen wird daher nur mehr ein mattes Blau, das schließlich in Grau übergeht, wahrgenommen. Aus diesem Grunde wird sogar in geringen Tiefen und in hellen tropischen Meeren mit Lampen getaucht.

Akustik

Die Schallgeschwindigkeit beträgt in Luft bei 20°C und 1bar etwa 340m/s, in Wasser mit gleichem Druck und Temperatur bei 3,5% Salzgehalt und daher einer Dichte von 1,027 circa 1485m/s. Geräusche und Vibrationen werden unter Wasser zusätzlich weiter übertragen als in der Luft. Schallwellen werden bei dem Vesuch, ins Wasser überzutreten, großteils reflektiert. Die Ortung einer Geräuschquelle beruht auf dem Prinzip, dass die Zeitdifferenz zwischen der Registrierung des akustischen Ereignisses von einem Ohr und der des anderen Ohres ausreicht, um eine Loklalisation zu ermöglichen. Im Wasser aber beträgt die Schallgeschwindigkeit etwa das Vierfache, sodass zwar erkannt wird, dass ein Geräusch an das Ohr dringt, kaum aber, woher. Auch die Entfernungseinschätzung ist erschwert, zum Teil aber wegen der ungewohnten Geräusche.

 

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