Tauchtheorie - theoretische Grundlagen des Tauchens

Einführung

In den letzten Jahrzehnten sind die Todesfälle im Tauchsport erfreulicherweise dramatisch gesunken. Ein Grund dafür liegt wahrscheinlich in der umfassenderen und solideren Ausbildung. Tauchorganisationen bieten heute nicht nur Erste Hilfe- und Rettungskurse an, sondern auch Ausbildungen im Technischen Tauchen. Untersuchungen haben gezeigt, dass erfahrene Taucher weniger Unfälle haben, da sie weniger schnell in Panik geraten, wenn sie in Stressituationen geraten. Panik ist wahrscheinlich die häufigste Ursache für ernsthafte Unfälle und Todesfälle.

Um Tauchrisiken einschätzen zu können, muss man Tauchausbildung, Erfahrung, Tauchplatz, Tauchtiefe und Tauchunfälle einer Person betrachten. Auch ist die Krankengeschichte eines Tauchers ein wichtiger Bestandteil einer Risikoeinschätzung.
Gewisse Krankheiten erhöhen die möglichen Gefahren des Tauchens. Untersuchungen von tödlichen Tauchunfällen haben gezeigt, dass folgende Punkte die Tauchfitness einer Person stark einschränken können:

  • schweres Asthma oder andere ernsthafte Erkrankungen der Atemwege

  • Herzkrankheiten, Bluthochdruck

  • Diabetes

  • psychologische Probleme (Angstzustände, Panik)

  • Alkohol-/Drogenmissbrauch

  • Selbstüberschätzung, unüberlegtes Handeln

Die folgenden Beschreibungen von möglichen Gefahren und Tauchunfällen könnten den Eindruck aufkommen lassen, dass Tauchen eine extrem gefährlicher Sport ist. Wahr ist, dass Tauchen einige Gefahren mit sich bringt und schwerwiegende Komplikationen nach sich ziehen kann. Trotzdem sind Unfälle und besonders Todesfälle sehr selten. Gutes Training und striktes Einhalten der Tauchregeln machen das Tauchen zu einer Sportart wie jede andere auch. Im Gegensatz zum Sporttauchen beinhaltet das Technische Tauchen jedoch ein grösseres Risiko.


Tauchphysik

Der menschliche Körper ist darauf zugeschnitten unter atmosphärischen Bedingungen zu leben. Er braucht Luft von einem bestimmten Druck, einer gewissen Feuchtigkeit und Temperatur. Der Körper ist für Unterwasserbedingungen nicht geschaffen und ist deshalb grösseren Gefahren ausgesetzt als an Land.

Gaseigenschaften
Materie existiert in drei physikalischen Grundzuständen: als Gas, Flüssigkeit oder feste Materie.
Feste Materie ändert ihren Zustand nicht, wenn ein erhöhter Druck angewendet wird.
Flüssigkeit hat ein relativ konstantes Volumen. Das Volumen ändert sich unter hohem Druck kaum. In einer Flüssigkeit breitet sich der Druck in alle Richtungen aus. Deshalb haben Körperflüssigkeiten beim Tauchen denselben Druck wie das umgebende Wasser.
Gase verhalten sich anders als Flüssigkeiten und feste Materie. Sie können unter Druck komprimiert werden und dehnen sich wieder aus, wenn der Druck nachlässt. Unsere Atemluft ist ein Gemisch von verschiedenen Gasen. Es besteht zu 79% aus Stickstoff und zu 21% aus Sauerstoff. Ein geringer Anteil der Luft besteht zudem aus Kohlendioxid, Edelgasen, Wasserdampf und Kohlenmonoxid.


Gasgesetze

Das Gesetz von Boyle-Mariotte
Es besagt, dass bei konstanter Temperatur, das Volumen eines Gases sich umgekehrt proportional zu seinem absoluten Druck verändert. Die Dichte des Gases ändert sich dabei proportional zum absoluten Druck. Anders ausgedrückt: das Volumen verringert sich, wenn der Druck ansteigt und steigt an, wenn der Druck nachlässt. Verdoppelt man den Druck auf einen Luftballon indem man ihn z. B. unter Wasser drückt (in diesem Fall indem man ihn auf eine Tiefe von 10 Metern bringt), dann verringert sich sein Volumen (seine Grösse) auf die Hälfte. Die Luft im Ballon ist dabei zweimal dichter geworden. Lässt man ihn wieder los, wird er nach oben schnellen, wo der Umgebungsdruck geringer ist und er sich so wieder ausdehnen kann.

Der Umgebungsdruck auf der Erde beträgt ca. 1 bar (auf Meereshöhe). In 10 Metern Tiefe kommt der zusätzliche Druck der Wassersäule von 1 bar hinzu. Auf 10 Metern Tiefe erfährt ein Taucher deshalb einen absoluten Druck von 2 bar. Auf 20 Metern beträgt der Druck entsprechend 3 bar, auf 70 Metern 8 bar.

Das Gesetz von Dalton
Die einzelnen Gase eines Gasgemisches tragen zum totalen Druck im Verhältnis zu ihren Volumina bei. Der Druck eines Gases in einem Gasgemisch nennt man Partialdruck. Die Summe aller Partialdrücke ergibt den totalen Druck des Gasgemisches.

Gesetz von Henry
Gase neigen dazu, sich in Flüssigkeiten im Verhältnis zu ihren Partialdrücken aufzulösen. Wobei die Solubilität vom Solubilitätskoeffizienten und der Temperatur der Flüssigkeit abhängt. Je niedriger die Temperatur und je grösser der Druck, um so mehr Gas wird gelöst. Wenn der Druck fällt oder die Temperatur ansteigt, wird das vorher gelöste Gas wieder aus der Lösung austreten (Champagner Effekt). Der Solubilitätskoeffizient selbst hängt vom Gastyp und der Art der Flüssigkeit ab. Das Gesetz kommt nur dann zur Anwendung, wenn keine chemischen Reaktionen zwischen den beteiligten Gasen und Flüssigkeiten ablaufen.

Während des Tauchgangs tritt ein Teil des Atemgases in die Körperflüssigkeiten durch oben genannten Prozess. Dieser Austausch zwischen Gas und Flüssigkeit findet an der Lungenoberfläche statt. Im Körper wird das gelöste Gas dann weiter über den Kreislauf verteilt und gelangt so in unterschiedlicher Konzentration in verschiedene Körpergewebe, wo es sich langsam ansammelt. Die Sättigung (Gleichgewicht zwischen äusserem und innerem Gasdruck) wird beim Sporttauchen nicht erreicht. Beim Auftauchen werden die gelösten Gase vom Gewebe abgegeben und über das Blut zurück in die Lunge gebracht, wo sie ausgeatmet werden.

Der Prozess der Gaselimination braucht einige Zeit. Beim Dekompressionstauchen (Nichtsporttauchen) werden deshalb Stopps auf 3, 6 und 9 Metern (oder weiteren) ausgeführt, um den Druckunterschied zwischen inneren und äusseren Gasen in Grenzen zu halten und um dadurch die Dekompressionskrankheit zu vermeiden. Wenn der Druckunterschied zu gross wird können sich Mikroblasen im Blut bilden, die embolieartige Zustände auslösen können.

Eigenschaften von Wasser

Dichte
Wasser ist 770 mal dichter als Luft. Ein Liter Luft wiegt ca. 1.3 Gramm; ein Liter Wasser 1 Kilo. Die Dichte von Flüssigkeiten erhöht sich im Allgemeinen bei sinkender Temperatur. Wasser bildet jedoch eine Ausnahme, da es bei 4 Grad Celsius die grösste Dichte aufweist.

Sehen unter Wasser
Die grössere Dichte von Wasser bewirkt bei einer Person ohne Schwimmbrille oder Tauchermaske, dass die Lichtstrahlen hinter der Netzhaut gebrochen werden (ähnlich wie bei einer weitsichtigen Person, die das Auge auf ein nahe gelegenes Objekt richtet). Trägt der Taucher eine Maske, wird das Licht auf der Netzhaut gebrochen und es entsteht ein scharfes Bild. Der Übergang des Lichts von Wasser über Glas zu Luft lässt uns Objekte jedoch 25% grösser sehen oder 30% näher als sie tatsächlich sind.

Sprechen und hören unter Wasser
Der menschliche Sprechapparat ist darauf angepasst, Luft mit atmosphärischem Druck als Transportmittel für den Schall vorzufinden. Verbale Kommunikation kann deshalb unter Wasser nicht erfolgen. Wasser verbreitet Schall 4 mal schneller als Luft. Geräusche sind unter Wasser deshalb klarer und können über weitere Strecken wahrgenommen werden als an Land. Es ist jedoch auch schwieriger den Ursprung des Geräusches festzumachen.

Wärmeleitung im Wasser
Wärme breitet sich im Wasser viel leichter aus als in der Luft. Abgesehen von einigen tropischen Gewässern, haben die Meere viel tiefere Temperaturen als der menschliche Körper. Ohne einen Tauchanzug würde die Temperatur eines Tauchers sehr schnell absinken, da auch die wärmeren Gewässer unter der menschlichen Körpertemperatur liegen. Längere Tauchgänge oder Tauchgänge in kalten Gewässern können deshalb ohne den richtigen Anzug zu Hypothermie (Unterkühlung) führen.

Wasser und Licht
Das menschliche Auge kann nur einen kleinen Teil aus der Breite elektromagnetischer Wellen wahrnehmen (zwischen 400 und 760 Nanometer). Das Auge sieht Farbe abhängig von der Wellenlänge des Lichts. Weiss wird wahrgenommen, wenn alle Wellenlängen sichtbaren Lichts vorhanden sind.

Wasser absorbiert Licht nach vorhersehbaren Regeln. Je grösser die Tiefe, desto mehr Licht wird vom Wasser absorbiert. Zuerst werden die Wellenlängen am roten Ende des Spektrums heraus gefiltert, d.h. die Farbe Rot verschwindet schon ab einer geringen Tiefe, darauf folgen Orange und Gelb. Rote, orange und gelbe Gegenstände nehmen dann mit zunehmender Tiefe eine gräuliche oder schwarze Farbe an.


Auswirkungen von Atemgasen auf den Taucher

Stickstoffnarkose (Tiefenrausch)
Das Phänomen der Stickstoffnarkose ist bis jetzt relativ wenig erforscht. Der Hauptfaktor scheint der hohe Partialdruck von Stickstoff zu sein. Unter hohem Druck löst sich Stickstoff fünf mal schneller ins Fettgewebe als unter Normalbedingungen. Dies kann das zentrale Nervensystem so beeinträchtigen wie es Alkohol oder gewisse Drogen tun. Symptome wie Euphorie, ein beeinträchtigtes Urteilsvermögen oder Schläfrigkeit können in Erscheinung treten. Das Ausmass der Symptome ist von der jeweiligen Tauchtiefe und von der Verfassung des Tauchers abhängig. Der Einfluss der Stickstoffnarkose kann von Taucher zu Taucher stark variieren. Generell setzt sie ab ca. 30 Metern ein und verstärkt sich mit zunehmender Tiefe. Die Stickstoffnarkose ist insofern gefährlich, als sie das Urteilsvermögen des Tauchers beeinträchtigt, die Konzentrationsfähigkeit wie auch die Entschlussfähigkeit eingrenzt. Dies kann zu irrationalem Handeln führen und unter Umständen tödlich enden. Die Symptome der Stickstoffnarkose lassen in dem Moment nach, wo der Taucher einige Meter aufsteigt. Die Wahrscheinlichkeit einer Stickstoffnarkose wird durch Alkoholgenuss, Drogen, Stress, Müdigkeit und Hypothermie verstärkt.

Sauerstoffvergiftung
Die Sauerstoffvergiftung kommt sehr selten vor. Die technischen Tauchorganisationen empfehlen den Sauerstoffpartialdruck von 1.6 bar nicht zu überschreiten. Dieser Wert entspricht einer Tiefe von 66 Metern, wenn normale Pressluft geatmet wird. Da diese Tiefe sowieso weit ausserhalb der maximalen Tauchtiefen für Sporttaucher liegt (40 Meter), wird diese Grenze nie erreicht. Tauchgänge mit einem Atemgemisch von höherem Sauerstoffanteil als 21% (Nitroxtauchen, technisches Tauchen) müssen in ihrer Planung die mögliche Sauerstoffvergiftung miteinbeziehen, d.h. z. B. ihre maximale Tauchtiefe oder ihre Tauchzeit verringern. Auch die Sauerstoffvergiftung kann durch Müdigkeit, Kälte, Krankheit und Medikamente negativ beeinflusst werden. Die Symptome der Sauerstoffvergiftung sind Schwindel, Sehstörungen, Unruhe, Klingeln im Ohr, Muskelkrämpfe etc. Die Krämpfe um Mund und Lippen können dazu führen, dass der Taucher ertrinkt. Im Gegensatz zur Stickstoffnarkose kann die Sauerstoffvergiftung nicht einfach durch Auftauchen behoben werden und kann deshalb viel drastischere Auswirkungen haben.

Kohlendioxidvergiftung
Die Kohlendioxidvergiftung kommt gewöhnlich bei Tauchern vor, die versuchen Luft zu sparen, indem sie den Atem anhalten und die gebrauchte Luft zu wenig gut ausatmen. Der erhöhte Kohlendioxidanteil kann sich von Kopfweh über Schwindel, Übelkeit bis hin zu starkem Schwitzen und Bewusstlosigkeit bemerkbar machen.

Kohlenmonoxidvergiftung
Das Atmen von verschmutzter komprimierter Luft kann eine Kohlenmonoxidvergiftung hervorrufen (z. B. wenn der Kompressor Auspuffgase aufgenommen hat). Wenn die verschmutzte Luft während des Tauchgangs eingeatmet wird (unter Druck und daher in grösserer Menge), wirkt das Kohlenmonoxid giftiger als wenn an der Oberfläche aus dieser Tauchflasche geatmet würde. Das Kohlenmonoxid löst sich im Hämoglobin des Blutes und bewirkt, dass das Hämoglobin keinen Sauerstoff mehr transportieren kann. Kohlenmonoxid braucht etwas 8 bis 12 Stunden um wieder abgebaut zu werden, d.h. in dieser Zeit stehen immer weniger rote Blutkörperchen zur Verfügung, um Sauerstoff zu transportieren. Ausser verschmutzter Luft kann auch das Rauchen eine Kohlenmonoxidvergiftung hervorrufen, da im Blut von Rauchern der Kohlenmonoxidanteil erhöht ist.

Dekompressionskrankheit
Die Dekompressionskrankheit ist neben dem Lungentrauma die häufigste ernsthafte Erkrankung, die durch das Tauchen hervorgerufen wird. Während des Tauchgangs nimmt der Taucher Stickstoff auf, das beim Auftauchen wieder in die Lungen zurückkehrt und ausgeatmet wird. Wenn Tauchzeit, Tauchtiefe evtl. Dekostopps und Aufstiegsgeschwindigkeit eingehalten werden in Übereinstimmung mit einer Tauchtabelle oder einem Tauchcomputer, ist die Chance eine Dekompressionskrankheit zu erleiden sehr gering. Der im Gewebe gelöste Stickstoff wird durch das langsame Auftauchen und evtl. Stopps über die Atmung abgebaut.

Die Wahrscheinlichkeit einer Dekompressionskrankheit erhöht sich durch Dehydrierung (zu wenig Wasser), Fettleibigkeit, Alkohol, Kälte, Müdigkeit, Medikamente, Übermüdung, Anstrengung nach dem Tauchgang oder fortgeschrittenes Alter.

Die Symptome der Dekompressionskrankheit sind Jucken, Hautrötungen, Gelenkschmerzen, Schwindel, Übelkeit, Schmerzen in den Atemwegen, Husten etc.


Barotrauma

Ein Barotrauma ist eine Verletzung, die durch Druckunterschiede hervorgerufen wird. Es besteht eine erhöhte Anfälligkeit für luftgefüllte Hohlräume des Körpers ein solches zu erleiden. Barotraumen zählen ausserdem zu den häufigsten Tauchunfällen. Da die Druckunterschiede im Wasser sehr viel grösser sind als in der Höhe, treten Barotraumen viel häufiger beim Tauchen als beim Fliegen auf.

Barotrauma der Lunge
Barotraumen der Lunge sind zwar nicht die häufigsten Unfälle beim Tauchen, zählen jedoch zu den gefährlichsten. Viele tödlich verlaufende Tauchunfälle haben ein Barotrauma der Lunge als Ursache.

Lungenrisse treten nur bei Gerätetauchern auf. Unter erhöhtem Druck wird Luft über einen Lungenautomaten eingeatmet. Bei nicht ausreichender Anpassung an den abnehmenden Umgebungsdruck durch Ausatmen während des Auftauchens entsteht eine Überdehnung des Lungengewebes, die einen Lungenriss verursachen kann.

Der Lungenüberdruck kann unter anderem bewirken, dass Luftbläschen in die Luftbahnen eintreten und in Form einer Embolie zu einem Gefässverschluss führen. Liegen die Verschlüsse weit peripher, sind die Folgeschäden gering. Schwerwiegend sind Embolien, die in Herz, Gehirn, Nieren und Rückenmark gelangen. Herz und Gehirn sind dabei am häufigsten symptomatisch betroffen. Aufgrund einen embolischen Geschehens in den Koronararterien kann ein Infarkt ausgelöst werden. Eine Embolie im Gehirn äussert sich durch schwere, plötzlich einsetzende neurologische Ausfälle, nicht selten halbseitige Paresen. Die Symptome des Lungenrisses oder der Luftembolie treten im Gegensatz zur Deko-Krankheit immer plötzlich auf.

Barotrauma der Ohren
Das Trommelfell ist eine Membran mit geringer Elastizität und daher anfällig für Barotraumen. Es bildet die grenze zwischen äusserem Ohr und Mittelohr. Das Mittelohr, auch als Paukenhöhle oder Cavum Tympani bezeichnet, hängt durch die Eustachische Röhre (Ohrtrompete) mit dem Nasen-Rachen-Raum zusammen. Die Ohrtrompete öffnet sich im Normalfall durch Schlucken, Gähnen, Kaubewegungen oder Druckpressen bei geschlossener Nase (Valsalva-Methode), wodurch ungleicher Druck auf beiden Seiten des Trommelfells ausgeglichen wird.

Bereits unmittelbar nach dem Eintauchen ins Wasser herrscht ein erhöhter Druck an der Aussenseite des Trommelfells, der mit dem Abtauchen kontinuierlich zunimmt. Dadurch wölbt sich dieses nach innen und komprimiert die Gehörknöchelchen. Der dabei auftretenden stechende Schmerz kann bereits in 2 Metern Tiefe auftreten. Erfolgt nun kein Druckausgleich, kann das Trommelfell perforieren. Eine Tiefe von 5 bis 6 Metern ist dazu ausreichend.

Unmittelbar nach der Perforation des Trommelfells verschwindet der Schmerz, da der Druck wieder ausgeglichen wird. Das ins Mittelohr eindringende kalte Wasser kann Schwindel und Übelkeit hervorrufen, aber auch akute Störungen des Orientierungsvermögens erzeugen. Einzige Hilfe, um an die Wasseroberfläche zurückzufinden, ist oftmals die Orientierung nach den aufsteigenden Blasen der ausgeatmeten Luft. Selten kommt es zu akutem Labyrinthschock, der einen Bewusstseinsverlust verursacht. Diese Symptome eines Barotraumas des Innenohrs sind oft nicht zu unterscheiden von einer Gasembolie der Labyrinthgefässe. Es ist daher wichtig, dass der Druck beim Abtauchen in regelmässigen Abständen ausgeglichen wird. Zeigen die üblichen Methoden wie Kaubewegungen, Schlucken oder Druckpressen bei geschlossener Nase keine Wirkung, muss eine geringere tiefe aufgesucht werden. Falls immer noch kein Druckausgleich hergestellt werden kann, ist es erforderlich, den Tauchgang abzubrechen.

Schnupfen und andere Entzündungen der oberen Luftwege bewirken eine Anschwellung der Schleimhäute. Dadurch wird die Eustachische Röhre verschlossen, und ein Druckausgleich ist nicht ausreichend möglich.

Niemals sollte der Taucher Ohrenstöpsel verwenden, denn zwischen Stöpsel und Trommelfell entsteht ein kleiner Hohlraum. Die darin enthaltene Luft unterliegt wie alle Gase dem Gesetz von Boyle-Mariotte. Beim Abtauchen wird in diesem Hohlraum ein Unterdruck erzeugt, der zu einem Barotrauma des Trommelfells, bis hin zur Perforation, führen kann. Zusätzlich drückt der Ohrenstöpsel durch entstehende Sogwirkung auf das Trommelfell, so dass dieses nach innen perforiert. Ein grosser Zerumenpfropf kann ebenfalls einen mechanischen Verschluss des äusseren Gehörganges verursachen und sich auf ähnliche Weise wie ein Ohrstöpsel auswirken.

Im Gegensatz zum Abtauchen sind Barotraumen der Ohren während des Auftauchens selten, da sich der Druck im Normalfall von selbst ausgleicht.

Barotrauma der Sinusse
Am häufigsten betroffen sind die Stirnhöhlen von Barotraumen betroffen, etwas seltener die Kieferhöhlen (aufgrund der starren Wände). Die Schleimhäute schwellen bei Erkältungen an, und es kommt zu Exsudation und Blutungen. Charakteristische Anzeichen für einen Unterdruck in diesen Nebenhöhlen, der bereits in einer geringen Tiefe von 5 bis 6 Metern auftreten kann, sind langsam zunehmende Kopfschmerzen. Wird trotzdem tiefer getaucht, kommt es zu einer Blutung in der betroffenen Nebenhöhle. Da damit ein gewisser Druckausgleich durch Komprimierung der Luft geschaffen wird, verschwindet der Schmerz vorerst. Beim Auftauchen dehnt sich die eingeschlossene Luft durch den abnehmenden Wasserdruck aber wieder aus, so dass ein Überdruck entsteht. Die Schmerzen kehren daraufhin wieder zurück. Um diese Art von Barotrauma zu vermeiden, müssen obstruktive Nasenerkrankungen chirurgisch behandelt werden. Akute oder chronische Erkrankungen wie Otitis media (Mittelohrentzündung), Rhinitis (Schnupfen) etc. bedürfen einer völligen Ausheilung vor dem Tauchen.

Barotrauma der Zähne
Bei gesunden, intakten Zähnen tritt kein Barotrauma auf. Hingegen kann ein Druckwechsel bei kariösen Zähnen oder schlechter Zahnfüllung schmerzhafte Reizungen oder Kompressionen der Nervenfasern hervorrufen.

Barotrauma des Gesichtes und der Haut
Da bei zunehmender Tauchtiefe im Hohlraum zwischen Gesicht und Maske ein Unterdruck entsteht, muss in regelmässigen Abständen Luft durch die Nase in den Maskeninnenraum geblasen werden. Erfolgt dieser Druckausgleich nicht, werden Augen und Gesichtsgewebe durch den ansteigenden Druck in die Maske gesogen, wodurch es zu ödematösen Schwellungen der Haut und Blutungen der Kapillaren oder im Augenbereich kommt (sogenannte Squeeze). Tritt ein retrobulbäres Hämatom (Blutung hinter dem Augapfel) auf, kann die Sehfähigkeit - zumindest vorübergehend - eingeschränkt werden.

Barotrauma des Magen-Darm-Traktes
Die Wände des Magens und des Darms sind elastisch und dehnbar. Barotraumen sind deshalb selten und treten höchstens auf, wenn vor dem Tauchgang blähende Speisen konsumiert wurden, was kolikartige Schmerzen zur Folge hat. Auch Magenrupturen wurden berichtet.