Tauchen in Hilfeleistungsunternehmen: -Teil C- Grundlagen des Tauchens

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Der Aufbau und die Funktionsweise des menschlichen Organismus lassen erkennen, dass das Tauchen ein für den Menschen unnatürlicher Aufenthalt in einer fremden, für das Funktionieren einzelner Organe sogar feindlichen Umwelt ist. Es sind vor allem das Fehlen von Sauerstoff in einer für die Lungenatmung nutzbaren Form, die besonderen Druckverhältnisse mit rapiden Druckänderungen bei sich ändernder Wassertiefe und die Kälte, verbunden mit einer der Luft gegenüber vielfach größeren Wärmeleitfähigkeit, die dem Taucher im Wasser entgegentreten. Die Existenzbedingungen im Wasser erfordern also stets eine Anpassung des menschlichen Organismus an das flüssige Medium in vielfältiger Art und Weise, die ihrerseits Kenntnisse über die wichtigsten physikalischen Gesetze und typischen physiologischen Besonderheiten bei seinem Unterwasseraufenthalt voraussetzen.

Sieht man vom sportlichen Freitauchen mit angehaltenem Atem und dadurch bedingt kurzer Tauchzeit ab, so setzt das Tauchen heute eine Vielzahl technischer Mittel voraus. Aber die physikalischen Gesetzmäßigkeiten und die taucherphysiologischen Erscheinungen unter hydrostatischen Druckbedingungen sind nicht nur für die Entwicklung der Taucherausrüstung von Bedeutung, vielmehr müssen sie zur Gewährleistung von Erfolg und Effektivität bei Taucherarbeiten und im Interesse der Erhaltung von Gesundheit und Leben von allen Tauchern und bei jedem Tauchgang beachtet werden.

Das Ziel der Vermittlung von physikalischen und physiologischen Grundlagen des Tauchens muß deshalb darin bestehen, die für das Tauchen bedeutungsvollsten Naturgesetze und anatomisch-physiologischen Zusammenhänge praxisbezogen darzustellen. Dabei gilt es, bei den angehenden Signalmännern und Tauchern die Fähigkeit zu entwickeln, die physikalischen sowie biologischen Gesetzmäßigkeiten nutzbringend anzuwenden und Fehlverhalten beim Tauchen, das meist im mangelndem Wissen um die technisch-physiologischen Zusammenhänge begründet ist, zu vermeiden.

Physikalische Grundlagen des Tauchens

Als physikalische Grundlagen des Tauchens sind in diesem Abschnitt einige benötigte physikalische Gesetze zusammengefaßt. Für das Verständnis der dargestellten Gesetzmäßigkeiten wird hier die Konvention eingegangen, dass Zahlenwerte stark gerundet werden, was in der Regel auch dem Vorgehen in der Praxis entspricht.

Der Druck

Der Druck ist eine für Flüssigkeiten und Gase typische Größe. Diese Tatsache und der Umstand, dass beim Tauchen der Druck eine große Rolle spielt, erfordern eine Erläuterung und einen Überblick über die im Tauchdienst am meisten benutzte Maßeinheit des Drucks.

Der Druck entsteht durch die eigene Schwere der Flüssigkeiten bzw. Gase. Druck wird aber auch durch andere Naturgesetze, z. B. innerhalb biologischer Prozesse, verursacht und läßt sich außerdem technisch erzeugen.

Der durch die eigene Schwere begründete Druck hängt u.a. von der Dichte des Stoffes ab. Er weist demnach in Flüssigkeiten größere Werte auf als in Gasen und ist bei letzteren erst bei einer extrem hohen Gassäule, wie bei der gewaltigen Luftschicht über der Erdoberfläche, von Bedeutung.

In der Natur sind der Druck und insbesondere die Druckdifferenzen, die teilweise unmeßbar kleine Werte annehmen, für zahlreiche Lebensprozesse eine Voraussetzung. Im Bereich der Technik ist man sowohl in der Lage, Drücke in gewünschten Größen zu erzeugen, als auch imstande, den Druck vielfältig zu nutzen.

Ausgehend vom Druck durch eigene Schwere läßt sich die Abhängigkeit der physikalischen Größe Druck vom Gewicht des Stoffs, d.h. von der Erdanziehung mit der dadurch hervorgerufenen Kraft einerseits und von der Fläche, auf die diese Kraft einwirkt, andererseits, erkennen. Durch das Gewicht einer Flüssigkeit oder eines Gases, das auf einer bestimmten Fläche lastet, entsteht somit ein Druck.

Die Kraft kann aber auch anders als in Form des Gewichts einer Flüssigkeit oder eines Gases wirken. So ist leicht einzusehen, dass ein, durch hohen Schnee laufender, Wanderer besser Schneeschuhe verwendet, da das selbe Gewicht, welches vorher nur auf die Flächen seiner Füße verteilt war, nun mit den Schneeschuhen auf eine größere Fläche verteilt wird, wodurch er nicht mehr so tief einsinkt, weil der Druck den er auf den Schnee ausübt nicht mehr so groß ist.

Der Druck ist der Quotient aus der Kraft und der senkrecht zur Kraftrichtung liegenden Fläche.

$Druck={\frac {Kraft}{Fl{\ddot {a}}che}}$

$[p]={\frac {[F]}{[A]}}={\dfrac {N}{cm^{2}}}=bar$

Im Tauchdienst findet vor allem die SI-Maßeinheit bar Anwendung. Andere Maßeinheiten, die für den Druck Anwendung finden sind z.B. Pascal (Pa) im Wetterdienst oder Millimeter Quecksilbersäule (mm Hg) in der Medizin.

Der Luftdruck

Der atmosphärische Luftdruck wird durch die Gewichtskraft der über der Erdoberfläche ruhenden Luftsäule bestimmt. Wegen der hohen Kompressibilität der Luft wächst deren Dichte mit zunehmender Bodennähe an. Hieraus ergibt sich, dass der Luftdruck mit zunehmender Höhe nicht gleichmäßig, sondern expotentiell abfällt. Daher läßt sich auch keine klare obere Grenze der Atmosphäre angeben. Im Rahmen der Genauigkeit der, im Tauchdienst verwendeten, Meßgeräte geht man allerdings die Konvention ein, dass der Luftdruck pro 1.000 m um 0,1 bar abnimmt.

Der Luftdruck ändert sich pro 1.000 m Höhenunterschied um 0,1 bar.

Als Bezugspunkt für Angaben über den Luftdruck wird der Meeresspiegel mit der „Höhe über NN“ (Normalnull) angenommen.

Beispiel:

Wenn über NN der Luftdruck 1 bar beträgt, so wird er

• in 3.000 m Höhe mit 0,7 bar,
• in 5.000 m Höhe mit 0,5 bar,
• in 7.500 m Höhe mit 0,25 bar angenommen.

Der Wasserdruck

Eine Wassersäule von 10m Höhe erzeugt einen Druck von einem Bar

Im Gegensatz zu Gasen lassen sich Flüssigkeiten nur so geringfügig zusammendrücken, dass die Volumenabnahme bei Kompression für den Tauchdienst vernachlässigbar klein ist. Aus diesem Grund ergibt sich, dass der Druck der Wassersäule mit zunehmender Tiefe stetig (relativ linear) zunimmt.

Gedankenexperiment: Ein 10 m langes Kupferrohr, wie es z.B. im Heizungsbau üblich ist, mit einer Durchschnittsfläche von 1 cm² soll senkrecht stehend mit Wasser gefüllt werden. Wie hoch ist der Druck am unteren Ende des Kupferrohres?

Lösung: Der Rauminhalt des Kupferrohres beträgt

$V=l\times A=1000cm\times 1cm^{2}=1000cm^{3}\,$

1.000 cm³ sind genau 1 Liter. Ein Liter Wasser, welches in dieses Rohr gefüllt werden soll, wiegt 1 kg. Eine 1 kg Masse wirkt mit ca. 10 N Gewichtskraft auf die Grundfläche von einem Quadratzentimeter.

$10{\frac {N}{cm^{2}}}=1bar$

Eine Wassersäule von 10 m Höhe erzeugt einen Druck von 1 bar, d.h. pro 10 m Wassertiefe nimmt der Druck um 1 bar zu.

Der Umgebungsdruck beim Tauchen

Auf der Wassersäule, die in der jeweiligen Tauchtiefe auf dem Taucher lastet, wirkt auch die Luftsäule, welche über der Wassersäule steht. Für die Bestimmung des in der jeweiligen Wassertiefe herrschenden Drucks müssen der Druck der Wassersäule und der Luftsäule addiert werden. Bezeichnet man den Umgebungsdruck in der Tiefe als absoluten Druck ($p_{abs}$) ergibt sich:

Umgebungsdruck = Wassersäule + Luftsäule

$p_{abs}=p_{WS}+p_{LS}\,$

Beispiel: Ein Tauchereinsatz soll bei NN in 15 m Wassertiefe durchgeführt werden. Welcher Druck liegt auf dem Taucher?

$p_{abs}=1,5bar+1bar$

$p_{abs}=2,5bar$

Der Taucher ist einem Gesamtdruck von 2,5 bar ausgesetzt.

Der Druck in einer abgeschlossenen Gasmenge

Teilchenbewegung in einer abgeschlossenen Gasmenge

Gasteilchen (Moleküle), welche in ein Gefäß (z.B. Druckluftflasche) gefüllt werden, stoßen in Folge ihrer Wärmebewegung auch an die Wandung des Gefäßes. Diese elastischen Stöße sind aufgrund der Masse der Teilchen in einem realen Gas Krafteinwirkungen auf eine Fläche, was der Definition des Drucks entspricht.

Zusammenhänge bei Druckänderungen

Aus der einfachen Vorstellung der Druckentstehung in einer abgeschlossenen Gasmenge heraus, läßt sich leicht eine Aussage über die Zusammenhänge von Druck, Volumen, Dichte und Temperatur einer abgeschlossenen Gasmenge gewinnen. Diese werden auch thermische Zustandsgrößen eines Gases genannt.

Die folgenden Gesetzmäßigkeiten gelten streng nur für ideale Gase. Bei idealen Gasen wird vorausgesetzt, dass die Moleküle kein Eigenvolumen besitzen und keine Kräfte zwischen ihnen wirken.

Für reale Gase weichen die zu beobachtenden Werte bei hohen Drücken und niedrigen Temperaturen von diesen Gesetzmäßigkeiten ab.

Druck und Volumen (Gesetz von Boyle-Mariotte)

Gesetz von Boyle-Mariotte: Doppelter Druck -> Halbes Volumen

Nimmt man einen mit Gas gefüllten Zylinder, der an einer Seite geschlossen und an der anderen Seite mit einem Kolben versehen ist und bewegt den Kolben ins Innere des Zylinders, so ist leicht einzusehen, dass im selben Verhältnis, wie das Volumen des Gases verringert wird, die Stoßzahl je Fläche und Zeiteinheit und damit der Gasdruck anwächst, da die Gesamtzahl der Moleküle gleich bleibt. Wichtig in dieser Betrachtung ist, dass sich die Temperatur des Gases nicht verändert.

Das Produkt aus Druck und Volumen einer abgeschlossenen Gasmenge bleibt bei gleichbleibender Temperatur konstant.

$p\times V=konstant{\text{ bei }}T=konstant\,$

$p_{1}\times V_{1}=p_{2}\times V_{2}\,$

Dieses für den Tauchdienst wichtige Gesetz wurde 1662 durch den englischen Wissenschaftler Robert Boyle (1627 – 1691) entdeckt und erst 1697 durch den französischen Physiker Edmé Mariotte (1620 – 1684) veröffentlicht.

Druck und Dichte

Die Dichte eines Stoffes beschreibt die Anzahl der Teilchen auf einen bestimmten Raum. Aus der Betrachtung des Gesetzes von Boyle-Mariotte läßt sich leicht erkennen, dass Druck und Dichte eines Gases, bei konstanter Temperatur, sich zueinander proportional verhalten, da die Masse (Anzahl der Moleküle) des Gases unverändert bleibt.

Druck und Temperatur (Gesetz von Gay-Lussac)

Gesetz von Gay-Lussac: Mit zunehmender Temperatur (schnellere Teilchenbewegung) steigt auch der Druck einer abgeschlossenen Gasmenge.

Ist das Volumen, wie hier, flexibel, so vergrößert es sich daraufhin.

In den bisherigen Betrachtungen der thermischen Zustandsgrößen des idealen Gases wurde die Temperatur als konstant angenommen. Ist es nun notwendig die Temperatur mit in die Betrachtung einzubeziehen, so ist es auch notwendig auf die Darstellung der Temperatur in technischen Zusammenhängen einzugehen.

Für das Verständnis der Temperatur ist die Skala des schwedischen Astronom Anders Celsius (1701 – 1744), die er um 1742 einführte, auch heute noch von Bedeutung. Celsius legte für seine Skala die drei Aggregatzustände des Wassers bei annähernd 1 bar Luftdruck zugrunde. Nimmt man eine Quecksilbersäule, markiert den Schmelzpunkt und den Siedepunkt des Wassers und teilt den Abstand in 100 gleiche Teile, so erhält man die Celsius-Skala.

Diese Betrachtung der Temperatur ist zwar sehr anschaulich, in technischen Belangen aber nicht verwendbar, da negative Werte z.B. im Zusammenhang mit dem Volumen nicht möglich sind.

So ist es notwendig für die Temperatur eine Skala ohne negative Werte zu verwenden. Der englische Physiker Lord Kelvin of Larges (vorher William Thomas, 1824 – 1907) führte die thermodynamische Temperaturskala ein, die sich auf die Wärmebewegung der Teilchen bezieht.

Kelvin ging davon aus, dass der Wärmezustand eine Stoffs durch die Bewegung seiner Teilchen (z.B. Schwingung in einem Metallgitter oder freie Bewegung von Gasteilchen) dargestellt wird. Kühlt man einen Stoff oder ein Gas soweit ab, dass keine Teilchenbewegung mehr stattfindet, so hat man den absoluten Nullpunkt erreicht, der mit 0 Kelvin (0 K) bezeichnet wird. Der absolute Nullpunkt T = 0 K liegt bei – 273,15 °C, d.h. wird eine Celsius-Temperatur mit 273,15 addiert, so erhält man die Temperaturangabe in Kelvin. Im Tauchdienst ist der Umrechnungsfaktor 273 genau genug.

Läßt man nun im Versuch mit dem gasgefüllten Zylinder aus dem Beispiel in der Druck-Volumen-Betrachtung das Volumen unverändert und beginnt das Gas zu erwärmen, so ist leicht nachzuvollziehen, dass aufgrund der erhöhten Teilchenbewegung in einer Zeiteinheit auch die Stöße an die Wandung des Gefäßes zunehmen, d.h. der Druck steigt. Kühlt man dagegen das Gas bis auf T = 0 K ab, so sollte wegen der fehlenden Teilchenbewegung kein Gasdruck mehr vorhanden sein.

1802 formulierte der französische Chemiker und Physiker Joseph Louis Gay-Lussac (1778 - 1850) diese nach ihm benannte Gesetzmäßigkeit. Er sagte, dass sich ein Gas linear mit steigender Temperatur ausdehnt, wenn das Volumen konstant bleibt.

Druck und Temperatur einer abgeschlossenen Gasmenge verhalten sich bei gleichbleibenden Volumen proportional zueinander.

${\frac {T}{p}}=konstant{\text{ bei }}V=konstant$

${\frac {T_{1}}{p_{1}}}={\frac {T_{2}}{p_{2}}}$

Beispiel: Ein Tauchgerät, welches bei 15 °C mit 200 bar gefüllt sein soll, muß bis zu welchem Druck gefüllt werden, wenn sich die Flasche beim Füllen auf 50 °C erwärmt?

Lösung:

$T_{1}=50+273=323K\,$

$T_{2}=15+273=288K\,$

$p_{2}=200bar\,$

$p_{1}\,$ ist gesucht.

$p_{1}={\frac {p_{2}\times T_{1}}{p_{1}}}$

$p_{1}={\frac {200bar\times 323K}{288K}}$

$p_{1}\approx 224bar$

Da 200 bar-Druckluftflaschen nach der Norm für 200 bar bei 15 °C zugelassen sind, können diese beim Füllen durchaus einen höheren Druck aufweisen.

Die Luft als Gasgemisch (Gesetz von Dalton)

Gesetz von Dalton: Der Gesamtdruck eines Gasgemisches, ist gleich der Summe der Teildrücke, der in ihm enthaltenen Partialgase.

Das im Tauchdienst am häufigsten verwendete Atemgas ist die Luft. Luft ist kein reines Gas, sondern ist ein Gemisch aus zahlreichen Gasen.

Die Luft setzt sich aus dem eigentlichen Gasgemisch, dem Wasserdampf und den Beimengungen (besonders Staub, Salzteilchen, Industrieemissionen) zusammen.

Die Hauptbestandteile des Gasgemisches sind die im molekularen Zustand vorhandenen Elemente Stickstoff (78,1%) und Sauerstoff (20,9%). In bedeutend geringerem Maße sind Edelgase (Argon mit über 0,9%, Kohlenstoffdioxid mit 0,03%, Wasserstoff und Stickstoffverbindungen, jeweils weniger als 10-5%) enthalten.

Der Wasserdampfgehalt wird von zahlreichen Faktoren beeinflußt und ist daher großen Schwankungen unterworfen. Er kann bei Sommertemperaturen bis etwa 4% betragen.

Der Gehalt an Beimengungen ist vom jeweiligen Territorium abhängig. Der Vielfalt der Möglichkeiten wegen ist es unzweckmäßig, qualitative oder quantitative Werte als typisch anzugeben.

Im Tauchdienst wird das Gasgemisch Luft im wesentlichen wie folgend betrachtet: 78 % Stickstoff ($N_{2}$) 21 % Sauerstoff ($O_{2}$) 1 % Restgase (Edelgase, Kohlenstoffdioxid)

Es wird wohl gerade unter dem Gesichtspunkt der Taucherphysiologie deutlich, dass bei quantitativen Untersuchungen einzelner Komponenten eines Gasgemischs die Angaben in prozentualen Anteilen nur so lange aussagekräftig genug sind, wie der Druck konstant bleibt. Spielen, wie beim Tauchen, Druckschwankungen eine große Rolle, ist eine Untersuchung der, Partialdruckverhältnisse unumgänglich.

Als Partialdruck wird der Druckanteil eines bestimmten Gasanteils innerhalb eines Gasgemischs bezeichnet.

Die Größe des Partialdrucks hängt einzig von der Größe des Anteils ab, mit dem das Gas an der Ausfüllung des dargebotenen Raums beteiligt ist. So ist Sauerstoff ein Gasanteil des Gasgemischs Luft. Durch sein Volumenanteil von 21% ist der Sauerstoffpartialdruck $p_{O_{2}}$ 21/100 des Gesamtdrucks $p_{ges}\,$.

Bei $p_{ges}=1bar\,$ ist $p_{O_{2}}=0,21bar$, bei $p_{ges}=2bar\,$ hingegen ist $p_{O_{2}}=0,42bar$. Während der prozentuale Anteil (21%) selbstverständlich gleich bleibt, zeigt der Partialdruck, dass der Organismus in 10 m Tauchtiefe ein größeres Sauerstoffangebot erfährt.

In einem Gasgemisch ist der Gesamtdruck gleich der Summe der Partialdrücke, die herrschen würden, wenn jede Komponente den dargebotenen Raum allein ausfüllte.

$p_{ges}=p_{1}+p_{2}+p_{3}+...+p_{n}\,$

$p_{ges}=\sum _{k=1}^{n}p_{k}$

Dieses Gesetz wurde von dem englischen Wissenschaftler John Dalton (1766 – 1844) formuliert.

Durch die alleinige Abhängigkeit des Partialdrucks vom Volumenanteil der Gaskomponente (n) verhalten sich beide direkt proportional zueinander:

${\frac {p_{n}}{p_{ges}}}={\frac {V_{n}}{V_{ges}}}$

Die Löslichkeit von Gasen in Flüssigkeiten (Gesetz von Henry)

Flüssigkeiten sind in der Lage, Gase physikalisch in sich aufzulösen. Ein Liter Wasser enthält dadurch bei 0 °C und unter atmosphärischen Druckverhältnissen ca. 29 cm³ Luft. Analysiert man die aufgelöste Luft, so zeigt sich, dass ihr Sauerstoffanteil mit 36% höher als normal ist. Das weist auf die Existenz eines für die einzelnen Gase unterschiedlichen Lösungskoeffizienten hin. Erwärmt man das Wasser, so perlt ein Teil der gelösten Luft aus. Wird ein Gas unter Überdruck gelöst, wie es z. B. innerhalb einer Seltersflasche geschieht, entweicht ein Teil davon, sobald man die Flüssigkeit entspannt. Diese Beziehungen zwischen Gasen und Flüssigkeiten müssen ganz offensichtlich auch beim Tauchen beachtet werden. Sie bestehen in einem Verhältnis zwischen dem Partialdruck des über der Flüssigkeit stehenden Gases mit einem bestimmten Löslichkeitskoeffizienten einerseits und der Gaskonzentration in der Lösung andererseits.

Der englischer Physiker und Chemiker William Henry (1774 – 1836) formulierte (1803) das Gesetz über die Löslichkeit von Gasen in Flüssigkeiten wie folgt:

Die Löslichkeit eines Gases in einer Flüssigkeit ist dem Produkt aus Partialdruck und Löslichkeitskoeffizienten des Gases proportional. Der Löslichkeitskoeffizient ist für die einzelnen Gase und die verschiedenen Lösungsmittel immer unterschiedlich und prinzipiell temperaturabhängig.

Für die Lösung eines Gases in einer Flüssigkeit sind also folgende Faktoren von Bedeutung:

• Der Druck des Gases über der Flüssigkeit: Doppelter Druck bedeutet doppelte Menge Gas im Sättigungszustand. Der Sättigungszustand beschreibt, die Situation, in der die Flüssigkeit keine Gasteilchen mehr aufnehmen kann.
• Der Löslichkeitskoeffizient (auch als Henry-Konstante bezeichnet) der Flüssigkeit: Verschiedene Flüssigkeiten haben zu bestimmten Gasen unterschiedliche Bindungsfähigkeit (Affinität). So nehmen Fette bis zu sieben mal mehr Stickstoff auf als wässrige Flüssigkeiten.
• Die Temperatur der Flüssigkeit: Je höher die Temperatur einer Flüssigkeit ist, desto schneller ist auch die Teilchenbewegung ihrer Moleküle. Dies hat zur Folge, dass die Gasteilchen nicht mehr so gut in der Lösung gehalten werden können.

Im Tauchdienst müssen aber noch folgende Faktoren beachtet werden:

• Die Zeit, welche die Flüssigkeit dem erhöhtem Gasdruck ausgesetzt ist. Da im Tauchdienst keine Tauchzeiten bis zur vollständigen Sättigung (siehe unter Gassättigung) erreicht werden gilt: Je länger der Taucher dem erhöhtem Druck ausgesetzt ist, desto höher ist auch die Stickstoffkonzentration in seinen Geweben.
• Die Grenzoberfläche zwischen Flüssigkeit und Gas. Werden zwei gleiche Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Oberfläche einem erhöhten Gasdruck ausgesetzt, so wird in der Flüssigkeit mit der größeren Oberfläche der Sättigungszustand schneller erreicht sein.

Gase lösen sich in Flüssigkeiten in Abhängigkeit des Gasdruckes über der Flüssigkeit, der Einwirkzeit des erhöhten Drucks, der Temperatur der Flüssigkeit, der Grenzoberfläche zwischen Gas und Flüssigkeit, der Affinität der Flüssigkeit gegenüber dem Gas (Löslichkeitskoeffizient).

Das Prinzip des Archimedes

Auftriebsverhalten eines in eine Flüssigkeit getauchten Körpers

Hydrostatische Zustände eines Körpers: Schwimmen, Schweben, Sinken

Taucht ein Körper in eine Flüssigkeit ein, dann verdrängt dieser Körper in dem Maße Flüssigkeitsvolumen, wie er nicht durch die herrschenden Druckkräfte komprimiert wird. Die Kraft, die dem Gewicht des verdrängtem Flüssigkeitsvolumens entspricht, wirkt der Gewichtskraft des eingetauchten Körpers entgegen. Dadurch verliert der eingetauchte Körper scheinbar soviel an Eigengewicht, wie die Masse der verdrängten Flüssigkeit wiegt.

Der Auftrieb eines Körpers entspricht dem Gewicht der von ihm verdrängten Flüssigkeitsmenge.

Dieses Prinzip ist nach dem in Syrakus lebenden griechischen Naturforscher Archimedes (ca. 287 – 212 v.u.Z.) benannt, dem die Erfindung der hydrostatischen Waage zugesprochen wird.

Ist die Auftriebskraft eines eingetauchten Körpers größer als dessen Gewichtskraft, so steigt er so weit auf, bis die verdrängte Flüssigkeitsmenge gleich der Gewichtskraft ist. Dann schwimmt der Körper.

Folgendes Gedankenexperiment kann dies einfach verdeutlichen:

• Eine nur mit Luft gefüllte Plexiglaskugel soll ein Eigenvolumen von einem Liter haben. Ihr Gewicht beträgt 100 Gramm.
• Wird diese Kugel in Wasser eingetaucht, so verdrängt sie 1.000 cm³ Wasser. Dies sind 900 g mehr, als die Kugel selber wiegt. Sie wird also soweit aufsteigen, bis sie mit dem 0,9-fachen ihres Volumens oberhalb der Wasseroberfläche schwimmt.
• Versieht man sie zusätzlich mit 900 g Gewicht, wird ihr Gesamtgewicht gleich dem des verdrängten Wassers sein. Sie ist austariert oder auch im hydrostatischem Gleichgewicht, d.h. sie kann jede Position unter Wasser einnehmen.
• Gibt man nun mehr Gewicht hinzu, so sinkt sie ab, da ihr Gesamtgewicht größer als das Gewicht der verdrängten Wassermenge ist. Allerdings scheint sie unter Wasser um ein Kilogramm leichter zu sein.

Ein Taucher ohne Kälteschutzanzug kann alle diese Zustände durch das Füllen oder Entleeren seiner Lungen erreichen. Zu beachten ist aber, dass der Auftrieb immer von der Dichte der Flüssigkeit abhängt. So ist Salzwasser um ca. 3% schwerer als Süßwasser, wodurch der Taucher einen höheren Auftrieb erfährt.

Licht unter Wasser

Der Lichteinfall in das Wasser unterliegt durch wechselnde atmosphärische Bedingungen und Unterschiede z. B. bei Reflexion und Absorption der Lichtstrahlen großen Schwankungen. Dies macht eine genauere Untersuchung dieser Vorgänge notwendig.

Die Reflexion an der Wasseroberfläche vermindert die Quantität des Lichtes unter Wasser.

Brechung des Lichtes bei Wechsel des Mediums (Luft/Wasser)

Durch die "Richtungsänderung" der Lichtstrahlen an der Wasseroberfläche scheint das Ufer "angekippt".

Wegen der Lichtbrechung an der Maske erscheinen Gegenstände um 1/3 vergrößert und darum auch 1/4 näher (Perspektive)

Mit zunehmenden Weg des Lichtes durch das Wasser werden die Spektralanteile des weißen Lichtes absorbiert. Gegenstände "verlieren" mit zunehmender Entfernung und Tiefe ihre Farben, die dann "Grau" erscheinen.

Streuung des Lichtes beim Auftreffen auf ein Wasserteilchen

Trifft das Licht auf die Wasseroberfläche, so geht nur ein Teil des Lichtes in das Wasser über, der andere Teil wird an der Wasseroberfläche reflektiert, d.h. ein Teil des Lichtes steht unter Wasser überhaupt nicht zur Verfügung. Die Menge des Lichtes, welches unter Wasser zur Verfügung steht, hängt letztendlich vom Einfallswinkel der Lichtstrahlen auf das Wasser ab. Je senkrechter das Licht einfällt (Sommer zur Mittagszeit), desto heller wird es unter Wasser sein. Im Gegensatz dazu kann es bei einem recht flachen Einfallswinkel (Winter) zu einer Totalrefflektion kommen.

Wechselt das Licht von einem Medium in ein Medium anderer Dichte (z. B. von Luft in Wasser), so kommt es durch die unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten des Lichtes in diesen Medien zu einer Richtungsänderung der einfallenden Lichtstrahlen. Diese Richtungsänderung wird als Brechung des Lichtes bezeichnet. Die Brechung des Lichtes an der Wasseroberfläche hat für den Taucher z. B. den Effekt zur Folge, dass er das Ufer „angekippt“ sieht, es kommt ihm vor, als könne er auf das Ufer hinauf sehen.

Die Brechung des Lichtes findet aber bei jedem Medienwechsel statt. Da das menschliche Auge für das Sehen unter Wasser nicht geeignet ist, muß der Taucher Luft vor die Augen bringen, um wieder deutlich sehen zu können, d.h. er muß eine Maske aufsetzen. An der Maske geht das Licht aber wieder vom Wasser in Luft über,

wodurch es wiederum zur Lichtbrechung kommt. Durch diese Brechung nimmt der Taucher alle Gegenstände um 1/3 vergrößert wahr.

Dieser vergrößerte Eindruck hat durch den Effekt des räumlichen Sehens aber zur Folge, dass Gegenstände, die größer wahr genommen, auch als näher empfunden werden. Dem Taucher erscheinen Gegenstände unter Wasser um 1/4 näher.

Trifft das Licht auf Wasserteilchen, so entziehen sie dem Licht Energie und lenken es nach allen Seiten in den Raum ab. Bei der allseitigen Ablenkung spricht man von Streuung. Durch die Streuung des Lichtes wird die Sichtweite in unbelastetem Wasser eingeschränkt. Die Konturen von Gegenständen erscheinen unscharf und bei zunehmender Entfernung wie in einem Schleier eingehüllt, bis die Kontraste ganz verschwinden.

Mit zunehmender Entfernung "verschwinden" Farben und Konturen. Am Horizont erscheint alles blau-grau und in einen Schleier gehüllt.

Bei der Absorption wird die Schwingungsenergie des Lichtes in Wärmeenergie umgewandelt. Die Absorption hat im wesentlichen zwei Effekte. Zum einen wird das Wasser erwärmt und zum anderen verschwinden nach und nach die Spektralfarben des Sonnenlichtes. So ist das langwellige Rot schon nicht mehr zu erkennen, wenn das Licht eine Entfernung von fünf Metern zurückgelegt hat. Im Gegensatz dazu ist Gelb noch bis zu einer Tauchtiefe von 30 m zu erkennen. Das die kurzwelligen grünen und blauen Farbanteile am weitesten unter Wasser reichen ist auf UW-Fotos sehr deutlich zu sehen, die ohne künstliches Licht aufgenommen wurden.

Das Licht unter Wasser unterliegt der Reflexion (Wasseroberfläche), der Brechung (Wasseroberfläche, Maske), der Streuung, der Absorption.

Die Sichtverhältnisse in den für in Hilfeleistungsunternehmen tätige Taucher zutreffenden Gewässern hängen infolge ihres großen Schwebeteilchenbestands fast ausschließlich vom Verschmutzungsgrad ab. Wie die Erfahrung zeigt, sind die Gewässer durch natürliche Vorgänge sowie durch industrielle, verkehrsmäßige und kommunale Nutzung des Wassers in der Regel so verunreinigt, dass die Sichtweiten nur wenige Zentimeter betragen.

Diese ungünstigen Lichtbedingungen lassen sich auch durch künstliches Licht nur wenig beeinflussen, da das Lampenlicht von den Schmutzpartikeln vielseitig reflektiert wird und dadurch lediglich eine diffuse Helligkeit in einem begrenzten Wirkungsradius erzeugt. Die Ausbildung von Tauchern in Hilfeleistungsunternehmen muß deshalb auf das Handeln bei geringer oder fehlender Sicht ausgerichtet sein.

Schall unter Wasser

Die Schalleitfähigkeit des Wassers ist aufgrund der höheren Dichte gegenüber Luft sehr gut. Es ist deshalb möglich, dass sich Taucher im Wasser durch Klopfsignal über weite Entfernung verständigen.

Beachtenswert ist die große Schallgeschwindigkeit im Wasser. Abhängig von Dichte (Salzgehalt!) und Temperatur, beträgt sie etwa 1500 m/s. Das bedeutet, dass sich der Schall im Wasser etwa 4,5 mal so schnell wie in der Luft (ca.320 m/s) fortpflanzt. Besonders diesem Umstand ist es zuzuschreiben, dass es dem Taucher, kaum gelingt, die Richtung, in der sich eine Schallquelle befindet, zu bestimmen, da das zeitliche Auflösungsvermögen des menschlichen Gehörs nicht für diese hohe Schallgeschwindigkeit ausgelegt ist.

Die Schallausbreitung im Wasser findet aber nicht nur schneller, sondern auch wesentlich verlustfreier als in der Luft statt. Die Energie des auftreffenden Schalls ist dadurch wesentlich höher, d.h. der Schall ist lauter. Wegen der Gewöhnung des Gehörs für des Hören in der Luft erscheint dem Taucher die Schallquelle dadurch wesentlich näher.

Der Schall breitet sich unter Wasser bis zu viereinhalb mal schneller und verlußtfreier aus als in der Luft, dadurch ist Richtung der Schallquelle nicht auszumachen, der Schall lauter und damit scheinbar näher.

Dieser Umstand kann beim ungeübten Tauchern oft Unruhe und Angst auslösen, wenn in seinem Umfeld noch andere Arbeiten oder Bootsverkehr stattfinden. Auch der Schalldruck von implodierenden oder explodierenden Ausrüstungsgegenständen kommt wesentlich energiereicher (als Impuls oder Druckschlag) beim Taucher an, was nicht selten zu Schädigungen führen kann. Man spricht hier vom Unterwasserdetonationsbarotrauma von dem, je nach Wirkung der Stoßwelle, Gehör, luftgefüllte Hohlräume im Schädel oder die Lunge betroffen sein können.

Anatomisch-physiologische Grundlagen des Tauchens

Anpassung des Tauchers an die besonderen Umweltbedingungen

Die Möglichkeit des Menschen, unter den besonderen Bedingungen des Unterwasseraufenthalts Arbeit leisten zu können, ist nur über komplizierte Anpassungsreaktionen des menschlichen Organismus an die extremen Umweltbedingungen möglich. Das Tauchen gehört zu den schweren Formen der körperlichen Arbeit. Aus diesem Grund muß der Taucher über ein bestimmtes Anpassungspotential verfügen. Dieses wird durch einen sinnvoll gestalteten Ausbildungsprozeß geschaffen.

Die Entwicklung physiologisch-funktioneller Möglichkeiten und die Vermeidung von Schädigungen durch das spezifische Training der Taucher und durch die Taucherarbeit erfordert gute Kenntnisse in der Anatomie des menschlichen Körpers und den physiologischen Grundvorgängen beim Tauchen.

Die Atmung

Grundsätzlich kann man sich das Funktionieren des menschlichen Organismus wie das einer Verbrennungsmaschine vorstellen. Er benötigt Brennstoff aus der Nahrung und Sauerstoff aus der Luft zur Energieerzeugung. Im Gegensatz zum Brennstoff (Glukose, Fett) kann der menschliche Körper Sauerstoff nicht speichern. Das heißt, um lebensnotwendige Vorgänge aufrecht zu erhalten, ist der Organismus ständig darauf angewiesen Sauerstoff aufzunehmen und das Abfallprodukt Kohlenstoffdioxid wieder abzugeben. Diesen Austausch der Gase mit der Umwelt wird über die Atmung realisiert.

Der Aufbau der Atmungsorgane (Anatomie)

Anatomie der Lunge

Die Atmungsorgane werden grob in zwei Abschnitte eingeteilt, die oberen und die unteren Luftwege.

Die oberen Luftwege werden von Nasenraum, Mundhöhle und Rachenraum gebildet und enden am Kehlkopf. Die wesentliche Aufgabe der oberen Luftweg im Bezug auf die Atmung ist die Filterung, Befeuchtung und Erwärmung der Einatemluft.

Die unteren Atemwege, beginnend mit dem Kehldeckel, setzen sich über die Luftröhre und die Bronchien in die rechte und linke Lungenhälfte fort. Die rechte Lunge ist unterteilt in drei Lungenlappen und die linke Lunge in zwei Lungenlappen. Hierin verzweigen sich die unteren Luftwege fortlaufend und bilden den sogenannten Bronchialbaum. An den blinden Enden der Luftwege liegen die Lungenbläschen (Alveolen). Diese Lungenbläschen werden durch ein ausgedehntes Netz feinster Blutgefäße (Kapillare) umschlossen. Zwischen den Alveolen und dem, in den Kapillaren, befindlichen Blut findet der Gasaustausch statt. Das, den Alveolen vorgelagerte, Luft leitende System dient nicht dem Gasaustausch und wird deshalb auch als Totraum bezeichnet.

Die rechte und linke Lunge liegen im Brustraum beiderseits des Mittelfellraums, in dem das Herz, große Gefäße, die Luftröhre und die Speiseröhre liegen. Nach unten wird die Lunge durch das Zwerchfell, zu den Seiten und nach oben durch den Brustkorb begrenzt.

Die äußere Haut, die das Lungengewebe überzieht, wird als Lungenfell bezeichnet. Zwischen dem Lungenfell und dem Rippenfell, welches die Innenseite des Brustkorbes auskleidet, befindet sich ein minimaler Spalt, dessen Raum mit Flüssigkeit gefüllt ist, der Pleuraspalt.

Die Funktion der Atmung (Physiologie)

Die Volumina der Lunge

Durch den Unterdruck im Pleuraspalt muß das sehr flexible Lungengewebe den Bewegungen des Zwerchfells und des Brustkorbes folgen und kann sich deshalb ausdehnen. Die Flüssigkeit im Pleuraspalt verhindert eine zu große Reibung der Lunge am Brustkorb.

Insgesamt kann man sich dieses System wie zwei Glasplatten vorstellen, zwischen denen sich eine Flüssigkeit befindet. Diese Glasplatten können sehr gut gegeneinander verschoben werden, aber nicht auseinander. Hier wirken sogenannte Adhäsionskräfte.

Die Steuerung des Atmungssystems beruht auf der Abfrage der Meßgrößen $CO_{2}$-Sättigung, $O_{2}$-Sättigung und pH-Wert des Blutes. Diese Werte werden laufend durch das Atemzentrum über Rezeptoren im Körper abgefragt, wobei die Steuergröße „$CO_{2}$“ gegenüber den anderen beiden beim gesunden Menschen absoluten Vorrang hat.

Stellt das Atemzentrum fest, dass der $CO_{2}$-Gehalt im Blut zu hoch ist, bekommt das Zwerchfell den Befehl sich zusammenzuziehen. Der Hohlraum im Brustkorb wird nach unten vergrößert, das Lungengewebe muß aufgrund des Unterdrucks im Pleuraspalt der Bewegung des Zwerchfells folgen. In der Lunge entsteht so ein Unterdruck, der zum Einsaugen von Umgebungsluft (Einatmen) führt. Ist die Lunge ausreichend belüftet wird dies durch Dehnungsrezeptoren gemeldet, die Spannung des Zwerchfells läßt nach. Das Lungengewebe zieht sich wieder zusammen. Dadurch wird der Druck im Lungengewebe erhöht und es kommt zur Ausatmung. Das Zwerchfell folgt der Lunge aufgrund der selben Vorgänge wie vorher die Lunge dem Zwerchfell.

Wir unterscheiden bei der Atmung demnach zwei Phasen. Eine aktive Phase (Einatmung), bei der Muskelarbeit verrichtet wird, und eine passive Phase (Ausatmung), bei der das Ausstoßen der Luft aus der Lunge durch deren Flexibilität erfolgt.

Reicht das Belüften der Lunge allein durch die Bewegung des Zwerchfells (Ruheatmung) nicht aus, wird die Zwischenrippenmuskulatur eingesetzt, welche die Rippen anhebt und damit eine weitere Aufdehnung der Lunge („tieferes“ Einatmen) verursacht. Letztendlich kann der Hohlraum des Brustkorbes noch durch das Anheben der Schultern (Atemhilfsmuskulatur) vergrößert werden. Genügt die vermehrte Belüftung der Lunge nicht, den momentanen Sauerstoffbedarf des Körpers zu bedienen, kommt es zu einer Erhöhung der Atemfrequenz.

In der Atemmechanik können also verschiedene Atemvolumina unterschieden werden. Bei der Ruheatmung findet eine minimale Belüftung der Lunge statt. In der Regel spricht man hier von einen Atemzugvolumen von 0,5 l. Diese Atemzugvolumen kann je nach Bedarf bis zur maximalen Einatmung vergrößert und bis zur minimalen Verkleinerung der Lunge, die durch den starren Brustkorb begrenzt wird, verringert werden. Das Volumen, welches nach der maximalen Ausatmung noch in der Lunge verbleibt, wird Rest- oder auch Residualvolumen (ca. 1,5 l) genannt. Die Möglichkeit der Lunge sich vom Residualvolumen bis zur maximalen Einatmung zu füllen wird als Vitalkapazität bezeichnet. Residualvolumen und Vitalkapazität beschreiben die Totalkapazität (durchschnittlich 6 l) der Lunge. Bezieht man nun das Atemzugvolumen auf eine Zeiteinheit, vorzugsweise Anzahl der Atemzüge in einer Minute, so erhält man den Luftverbrauch pro Minute (Atemminutenvolumen).

Das Gesamtvolumen der Atemzüge pro Minute wird als Atemminutenvolumen (AMV) bezeichnet.

$[AMV]={\frac {l}{min}}$

Das Herzkreislaufsystem

Der in der Lunge angebotene Sauerstoff muß nun zu den Zellen im Körper gelangen. Gleichfalls muß das Stoffwechselendprodukt $CO_{2}$ wieder zum Abatmen zur Lunge zurück befördert werden. Dieses Fördersystem wird als Kreislauf bezeichnet. Die Pumpe die dieses System bedient ist das Herz.

Die Anatomie des Herzkreislaufsystems

Schematische Darstellung des menschlichen Herzens

Das Herz ist ein Hohlmuskel, welcher im Mittelfellraum zwischen Wirbelsäule und Brustbein mit der Spitze nach links liegt.

Dieser Hohlmuskel ist durch die Herzscheidewand in zwei Hälften getrennt. Jede Herzhälfte unterteilen sich in Vorhof und Kammer, welche durch Segelklappen von einander getrennt sind. Die vom Herz wegführenden Schlagadern werden als Arterien, die zum Herz hinführenden Saugadern als Venen bezeichnet.

Die Lungenarterie, welche von der rechten Herzkammer zur Lunge führt, wird von der Aorta unterschieden, die ausgehend von der linken Herzkammer den gesamten Körper mit Blut versorgt. Diese Arterien sind durch Taschenklappen zu den Herzkammern abgegrenzt.

Das System von Segel- und Taschenklappen verhindert einen Rückstrom des Blutes durch das Herz und sorgt dafür, dass das Blut nur in einer Richtung durch den Kreislauf fließt.

Die Arterien verzweigen sich in einem immer kleiner werdenden Netzwerk im Körper, welches weitgehend für die Regulierung des Blutdruckes mit verantwortlich ist.

Der Kurzschluß zwischen arteriellem und venösem System wird als Kapillaren bezeichnet. Hier findet der Gasaustausch zwischen Blut und Zelle (innere Atmung) und zwischen Umgebungsluft und Blut in der Lunge (äußere Atmung) statt.

Aus dem kapillarem System sammelt sich das Blut in wieder größer werdenden Gefäßen des venösen Teils des Blutkreislaufes, welches das Blut zurück zum Herzen transportiert. Die meisten Venen, außer die herznahen großen Venen, besitzen Venenklappen, die als Taschenklappen ausgebildet sind. Sie lenken den Blutstrom zum Herzen und verhindern ein „Versacken“ des Blutes in den unteren Extremitäten.

Der Lungenkreislauf wird auch als „kleiner Kreislauf“ bezeichnet und vom großen Körperkreislauf unterschieden.

Die Physiologie des Herzkreislaufsystems

Schema des menschlichen Kreislaufs

In der Erschlaffungsphase des Herzens wird Blut aus den großen Hohlvenen in den rechten Vorhof angesaugt. Kontrahiert des Herz von den Vorhöfen ausgehend wieder, wird das Blut durch die rechte Herzkammer in die Lungenarterie gepreßt. Die Segelklappe zwischen Vorhof und Kammer verhindert einen Rückstrom in die Venen. Die Taschenklappe an der Lungenarterie verhindert in der folgenden Erschlaffungsphase einen Rückstrom des Blutes aus dem Lungenkreislauf in das Herz.

In der Lunge wird das Blut durch immer kleiner werdende Arterien bis zu den Alveolen befördert, welche vom kapillaren Netz umgeben sind. Hier gibt das Blut das mitgebrachte Kohlenstoffdioxid ab und nimmt den, in den Alveolen angebotenen, Sauerstoff auf, indem dieser an den Blutfarbstoff (Hämoglobin) in den roten Blutkörperchen gebunden wird. Das sauerstoffreiche Blut über die Lungenvenen vom linken Vorhof angesaugt und durch den selben Mechanismus wie im rechten Herzen in die Aorta befördert, wo der Rückstrom des Blutes in das linke Herz durch die Aortenklappe verhindert wird. Da das linke Herz einen wesentlich größeres Gefäßsystem versorgen muß als das rechte Herz, wird hier ein wesentlich höherer Druck aufgebaut.

Das Blut strömt nun durch die immer kleiner werdenden Arterien bis zu den von Kapillaren umgebenen Zellen überall im Körper. Hier gibt das Hämoglobin den Sauerstoff an die Zellen ab. Das durch Stoffwechsel in den Zellen entstandene $CO_{2}$ wird vom Blut aufgenommen und durch das Sammelsystem der Venen wieder zurück zum rechten Vorhof des Herzens befördert.

Die Hohlräume im menschlichen Schädel

Der menschliche Schädel

Der menschliche Schädel besteht aus einer Vielzahl von Einzelknochen. Durch die Anordnung der Schädelknochen kommt es zur Bildung von Hohlräumen, welche alle durch mehr oder minder große Kanäle mit dem Nasen-Rachen-Raum in Verbindung stehen. Diese Hohlräume werden als Nasennebenhöhlen bezeichnet.

Die Oberfläche der Nasennebenhöhlen wird von Schleimhaut bedeckt.

Nasennebenhöhlen werden im einzelnen bezeichnet als: Stirnhöhle Kieferhöhlen Keilbeinhöhle Paukenhöhlen Siebbeinhöhle (Siebbeinzellen) Warzenfortsatzzellen

Die Siebbein- und Warzenfortsatzzellen sind keine Hohlräume im eigentlichen Sinne sondern poröses Knochengewebe.

Die Paukenhöhlen, welche sich paarig rechts und links am Schädel befinden beherbergen das Ohr.

Das menschliche Ohr

Das Ohr des Menschen enthält zwei Sinnesorgane, das Gehör- und das Gleichgewichtsorgan, und kann grob in drei Hauptteile eingeteilt werden:

• Außenohr,
• Mittelohr und
• Innenohr.

Das menschliche Ohr

Das Außenohr besteht aus der Ohrmuschel (3) und dem Gehörgang (2). Am Ende des Gehörgangs spannt sich das Trommelfell (4) auf und bildet die Grenze zum Mittelohr.

Das Mittelohr, das in der mit Schleimhaut ausgekleideten Paukenhöhle im Schädel (1) eingebettet ist, beherbergt die kleinsten Knochen des menschlichen Körpers, die Gehörknöchelchen, welche als Hammer (6), Ambos (7) und Steigbügel (8) bezeichnet werden. Diese bilden zusammen mit dem Trommelfell den Schalleitungsapparat zum Innenohr. Die Verbindung der Paukenhöhle zum Nasen-Rachen-Raum ist die Eustachische Röhre (12). Durch sie geschieht die Belüftung des Mittelohres und der Druckausgleich. Die Paukenhöhle setzt sich fort in weitere mit Schleimhaut ausgekleidete Hohlräume im Bereich des Warzenfortsatzes, die Warzenfortsatzzellen.

Die Verbindung zum Innenohr ist das ovale Fenster (5), in das die Fußplatte des Steigbügels (8) eingebettet ist. Das Innenohr stellt ein verzweigtes System von Gängen und Hohlräumen, das knöcherne Labyrinth, dar, das mit Flüssigkeit (s.g. Endolymphe) gefüllt ist. Das Labyrinth enthält das Gehör- und das Gleichgewichtsorgan.

Vom ovalen Fenster ausgehend windet sich die Gehörschnecke (10) in einer ca. 3 cm langen Spindel und endet am runden Fenster wieder in Richtung Paukenhöhle. In der mit Endolymphe gefüllten Gehörschnecke (10) befinden sich die Hörsinneszellen, welche die mechanischen Schallwellen in elektrische Impulse umwandeln. Diese werden über den Hörnerv (11) zum Gehirn weitergeleitet, wo der Höreindruck entsteht.

Zum Gleichgewichtsorgan gehören drei Bogengänge (9), in denen sich Sinneszellen befinden. Diese spezialisierten Sinneszellen ragen mit kleinen Antennen in die Endolymphe hinein. Hier findet die Registrierung von Beschleunigungen und Lageveränderungen und somit die Orientierung im Raum statt. Bei einer Verlagerung oder einem Wechsel der Position des Kopfes erfolgt auf Grund der Trägheit eine Bewegung der Endolymphe. Die dadurch stimulierten Sinneszellen senden über den Gleichgewichtsnerv die Information zum Kleinhirn, das reflektorisch auf die Veränderung reagiert.

Gassättigung und -entsättigung

Physiologie des Gasaustausches

Veranschaulichung der Diffussion:
1) Gasmassen getrennt,
2) Nach Entfernung der Trennwand: Vermischung durch die Bewegung der Gasteilchen,
3) Vollständige Vermischung der Gasmassen -> Konzentrationsausgleich.

Die treibenden Kräfte des Gasaustausches zwischen der Umgebung und dem Organismus sind die Partialdrücke der Atemgase. Dem Gasaustausch liegt die Massenbewegung der Gasteilchen zugrunde, die in den Gesetzmäßigkeiten der Diffusion ihren Ausdruck findet. Durch die Diffusion findet ein Konzentrationsausgleich von Gasen statt. Dieser Konzentrationsausgleich vollzieht sich immer vom Ort der höheren Konzentration zum Ort der niederen Konzentration. Die treibende Kraft ist der Diffusionsdruck, dessen Höhe vom Unterschied zwischen den Konzentrationen bestimmt wird. Die Diffusion kann sowohl zwischen Gaskonzentrationen frei im Raum stattfinden, als auch durch eine halbdurchlässige Membran.

In der Lunge des Menschen befindet sich nach dem Einatmen eine hohe Konzentration von Sauerstoff, im Gegensatz zum Blut, welches durch die Kapillaren der Alveolen strömt. Dieser Konzentrationsunterschied sorgt dafür, dass der Sauerstoff aus den Alveolen in das Blut hinüber tritt und von da aus über das Herzkreislaufsystem an alle Zellen im Körper gelangt. An den Zellen ist die Konzentration des Sauerstoffs im Blut höher als in der Zelle, in der er für Stoffwechselvorgänge „verbraucht“ wird. Somit diffundiert der Sauerstoff aus dem Blut in die Zelle. Da er in der Zelle aber über besagte Stoffwechselvorgänge an Kohlenstoff gebunden wird, ist die Konzentration des Kohlenstoffdioxid in der Zelle sehr hoch, wogegen im Blut nur wenig $CO_{2}$ vorhanden ist. Also wird das $CO_{2}$ aus der Zelle heraus in das Blut diffundieren, um dort vor allem als Kohlensäure gebunden zu werden. Das Blut, welches nun zurück zur Lunge gelangt enthält eine wesentlich höhere Konzentration an $CO_{2}$, als es in den Alveolen vorhanden ist. Es findet eine Diffusion des $CO_{2}$ aus dem Blut in die Alveole statt. Aus diesem Grund weicht auch die Zusammensetzung der Augatemluft von der Umgebungsluft (siehe Gesetz von Dalton) ab.

Zusammensetzung der Ausatemluft: Stickstoff 78% Sauerstoff 17% Kohlenstoffdioxid 4% Rest 1%

Gassättigung

Während des Abtauchens und des Aufenthalts in der Tiefe wird in den Lungen ein höherer Partialdruck der Anteile des Luftgemischs angeboten. Für den Sauerstoff ist dies bis zu einer gewissen Konzentration unproblematisch, da dieser verstoffwechselt wird. Aber der Stickstoff ist ein so genanntes Inertgas, welches im Körper nicht verbraucht wird. Stickstoff wird aufgenommen, mit dem Blut transportiert und in den Geweben gespeichert.

Einzelnen Gewebe haben unterschiedliche Halbsättigungszeiten, deshalb werden nicht alle Gewebe gleichmäßig mit Stickstoff aufgesättigt ("beladen").

Die Halbsättigungszeit ist die Zeit in Minuten, in der sich ein Gewebe zur Hälfte mit Stickstoff sättigt oder von Stickstoff entsättigt wird. Die Halbsättigungszeit konkreter Gewebe ist schwer bestimmbar. Aus diesem Grund teilt man den Organismus des Menschen in „theoretische“ Gewebe mit verschiedenen Halbsättigungszeiten (von 30 bis 72 Minuten) ein und berechnet ein Sättigungsmodell des Menschen.

Zuerst werden die gut durchbluteten Gewebe mit Stickstoff beladen („schnelle Gewebe“). Die schlecht durchbluteten Gewebe und die Gewebe mit einem langsamen Wasserwechsel benötigen für die Stickstoffaufnahme viel Zeit („langsame Gewebe“). Bei körperlicher Arbeit und in Wärme geht die Stickstoffaufnahme schneller vonstatten, weil die Durchblutung und der Wasserwechsel in den einzelnen Geweben erhöht sind.

Gasentsättigung

Im Gegensatz zum Sauerstofftransport, der biologisch an den roten Blutfarbstoff (Hämoglobin) in den roten Blutkörperchen gebunden ist, ist der Transport von Stickstoff biologisch nicht organisiert. Das bedeutet, dass für die Abgabe von überschüssigem Stickstoff aus dem Organismus vorwiegend physikalische Gesetzmäßigkeiten gelten. Besondere Bedeutung hierbei haben die Diffusion, das Gesetz von Dalton und das Gesetz von Henry.

Während der normalen Dekompression ist der Organismus des Tauchers stets mit Stickstoff übersättigt. Das Zuviel an Stickstoff während und nach der Dekompression bezeichnet man als Übersättigung.

Entsprechend den physikalischen Gesetzmäßigkeiten ist in einem übersättigten System Gas-Flüssigkeit immer die Möglichkeit der Gasblasenbildung gegeben (Vergleich mit einer geöffneten Sektflasche).

Der Organismus des Menschen kann jedoch eine gewisse Übersättigung mit Stickstoff aushalten, ohne dass gasblasenbedingte Krankheitszeichen auftreten (Dekompressionskrankheit). Die durchschnittlich zulässige Übersättigungsgröße für den Menschen wird in der Literatur mit annähernd 0,8 bar angegeben.

Die Ausscheidung kleinster Gasbläschen erfolgt nur über die Lunge auf dem Wege der Diffusion durch die Alveolarmembran (Blut-Luft-Schranke).

Eine Störung der Stickstoffaabgabe während oder nach einer Dekompression führt zur Dekompressionskrankheit. Nach jeder Dekompression ist der Organismus des Tauchers noch längere Zeit (einige Stunden) mit Stickstoff übersättigt, so dass die potentielle Gefahr der Dekompressionskrankheit gegeben ist. Aus diesem Grund ist auch noch nach dem Tauchen in mittlere und große Tiefen der Prophylaxe der Dekompressionskrankheit eine besondere Aufmerksamkeit entgegenzubringen.

Der Wärmehaushalt des Organismus

Der menschliche Organismus hält unter normalen Bedingungen durch Steuerung des Gleichgewichts zwischen Wärmebildung und Wärmeabgabe die Körpertemperatur innerhalb eines normalen Grenzbereichs um 37,0°C konstant.

Der menschliche Körper besteht aus einem wärmeproduzierenden Kern (Gehirn, Lunge, Leber, Milz, Magen-Darm-Trakt, Nieren) und einer wärmeabgebenden Schale (Muskulatur, Haut).

Bei körperlicher Ruhe wird die Wärme über die Schale (Muskulatur, Haut) an die Umgebung abgegeben. Bei körperlicher Arbeit wird die Wärme unmittelbar über die Haut an die Umgebung abgeleitet. Der Wärmetransport durch die Gewebe vollzieht sich durch

• Wärmeleitung (Konduktion);
• Transport durch das strömende Blut (Konvektion);
• Abstrahlung infolge von Temperaturdifferenzen zwischen den Geweben (Radiation).

Auf gleichem Wege vollzieht sich die Wärmeabgabe an die Umgebung.

Beim Tauchen wird ein großer Teil der Körperwärme (20%) durch die Lunge und die Atemwege an die kalte Atemluft abgegeben, die meist die gleiche Temperatur wie das kalte Wasser aufweist und von den Luftwegen auf 37°C angewärmt werden muß.

Beim Aufenthalt im kalten Wasser treten die folgenden vegetativen Schutzreaktionen des Organismus auf:

• Umstellung aller vegetativen Reaktionen des Organismus auf Erhöhung der Wärmebildung und Schutz vor Wärmeverlust;
• Engstellung der Blutgefäße in der Schale (Haut und Unterhautfettgewebe);
• Erhöhung der Isolationskraft des Unterhautfettgewebes;
• Erhöhung der Wärmeproduktion in der Leber;
• Verbesserung der Energiebereitstellung für die arbeitende Muskulatur.

Beim Kältezittern erfolgt die Wärmeproduktion durch die Muskulatur bei gleichzeitig verstärkter Glukoseverbrennung.

Bei wiederholten Kältebelastungen kommt es zu Anpassungserscheinungen auf Zellebene. Der Vorrat an energiereichen Verbindungen und stoffwechselaktiven Strukturelementen der Zelle (Mitochondrien) nimmt zu. Daraus folgt, dass ein sinnvoll betriebenes „Kältetraining“ für Taucher eine zweckmäßige Ausbildungsmaßnahme ist. Die Herausbildung eines hohen funktionellen Potentials der Zellen ist für den Schutz vor Kältebelastung besonders wichtig.

Der Schutz vor Kälte ist jedoch in erster Linie ein technisches Problem. Kälteschutzbekleidung für Taucher gewährleistet heutzutage die hohe Effektivität der Taucherarbeiten. Durch zweckmäßige Kälteschutzbekleidung wird der schlimmste Feind des Tauchers, die Kälte, beherrscht.

In Abhängigkeit von der Wassertemperatur und der Art der Kälteschutzbekleidung muß die Aufenthaltszeit im Wasser bzw. die Tauchzeit begrenzt werden.

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