Wieviel Sonar erträgt der Mensch?

Bei einem Vorfall in internationalen Gewässern zwischen der australischen und der chinesischen Marine eskalierten im November letzten Jahres die Spannungen, als australische Marinetaucher im Wasser waren. Während sie Fischernetzte, die sich in der Schiffsschraube der Fregatte Toowoomba verheddert hatten, entfernten, näherte sich ein chinesischer Zerstörer und aktivierte das Sonar, wodurch die Taucher leicht verletzt wurden. Dies wirft die Frage auf, wie gefährlich Sonar für Taucher ist.

Das berühmteste "Ping" der Filmgeschichte. "Jagd auf Roter Oktober"

Sonar und seine Intensität

Sonar, ein Akronym für Sound Navigation and Ranging, nutzt Schallwellen zur Navigation, Kommunikation und Erkennung von Objekten unter Wasser. Bei Marineeinsätzen spielt das Sonar eine entscheidende Rolle. Es sendet Schallwellen in einem bestimmten Frequenzbereich aus (Aktivsonar), welche von Objektion unter Wasser zurückgeworfen werden. Die reflektierten Schallwellen werden von Empfängern detektiert und weiterverarbeitet, typischerweise zu Lagebildern auf Bildschirmen. Typisches Marine-Sonar kann Intensitäten zwischen 185 und 215 Dezibel oder auch mehr erreichen.

Dezibel (dB) messen den relativen Druck des Schalls mittels einer logarithmischen Skala, welche sich an der menschlichen Hörwahrnehmung orientiert, die sich nicht linear verhält. Dies bedeutet, dass eine kleine Änderung des Dezibelpegels einer großen Änderung des tatsächlichen Schalldruckes entspricht.

Für Unterwasserverhältnisse muss die Skala angepasst werden, da sich der Schall im Wasser anders ausbreitet als in der Luft. Ein Schalldruckpegel von 200 dB unter Wasser entspricht ca. 10000 Pa oder 0.1 bar. Dies heisst nichts anderes, als dass unter dieser Intensität Wasserdruckschwankungen von 0.1 bar auftreten. Je nach Einsatzgebiet wird niederfrequentes (50 Hz bis 3 kHz), mittelfrequentes (3 kHz bis 15 kHz) oder hochfrequentes Aktivsonar eingesetzt. Niederfrequente Sonare dienen mit Übertragungsdistanzen von über 20 km bspw. der Ortung von U-Booten. Passivsonar dagegen sendet keine aktiven Schallpulse aus, sondern horcht nur auf Geräusche.

Schädliche Auswirkungen auf Taucher

Das Hauptgesundheitsrisiko für Taucher, die starkem Sonar ausgesetzt sind, ist das Barotrauma, d.h. Schädigungen durch Druck. Die Schallwellen von Aktivsonar verursachen hochfrequente Druckschwankungen. So bedeutet ein Sonarpuls von 200 dB mit einer tiefen Frequenz von 50 Hz, dass der Druck während einer Sekunde 50 Mal um 0.1 bar schwankt. Je höher die Schallintensität und je höher die Frequenz, desto stärker und häufiger sind diese Druckschwankungen.

Ein typisches Sonarprofil bei der U-Boot-Jagd umfasst einen Frequenzbereich von 100 bis 500 Hz, einen Schallpegel von etwa 215 dB bestehend aus verschiedenen Wellenformen in einer Sequenz von ca. 60 Sekunden mit Übertragungspausen von 6 bis 15 Minuten, während denen gehorcht wird.

Dass unter einer solchen Exposition Verletzungen der typischen, druckempfindlichen anatomischen Strukturen wie den Ohren, der Nasennebenhöhlen und der Lunge auftreten, überrascht nicht. Taucher können dadurch Schmerzen und in schweren Fällen auch dauerhafte Schäden an empfindlichen Strukturen erleiden. Vermutlich durch direkte Stimulation der Bogengänge kann es zu Schwindel, Gesichtsfeldverschiebungen und Übelkeit kommen.

Außerdem wurde die Exposition gegenüber hochintensivem Sonar mit Symptomen in Verbindung gebracht, die der Dekompressionskrankheit ähneln. Selbst wenn sich Taucher an die gängigen Tauchprotokolle halten, besteht die Gefahr, dass sich aufgrund der schnellen Druckschwankungen, welche quasi durch Mark und Bein gehen, Inertgasblasen (Stickstoff oder Helium) in den Geweben und im Kreislauf bilden. Wahrscheinlich werden dabei Mikroblasen aus den Geweben mobilisiert, welche je nach Ausmass der vorherrschenden Übersättigung durch die Inertgase mehr oder weniger rasch wachsen und so die Dekompressionskrankheit auslösen.

Darüber hinaus können lange Sonarimpulse (eine Sekunde oder länger) Tiefenmesser stören und Atemregler abblasen lassen.

Aus diesen Gründen können vor Anker liegende Kriegsschiffe Sonarimpulse auch dazu verwenden, um gegnerische Kampftaucher von Angriffen abzuhalten.

Richtlinien und Expositionsgrenzwerte

Marinen verbieten die Verwendung von Sonar prinzipiell, wenn Taucher im Wasser sind. Muss aus operativen Gründen trotzdem Sonar eingesetzt werden, gelten strenge Sicherheitsmassnahmen, welche Faktoren wie die Intensität und Dauer der Sonarexposition sowie die Tiefe des Tauchgangs berücksichtigen, um Taucher vor Sonarschäden zu schützen. So erlaubt das Tauchmanual der US Navy eine maximale Exposition von 215 dB für insgesamt 13 Minuten innerhalb von 24 h, wobei ein Mindestabstand von 13 bis 56 yards (12 bis 51 m) zur Sonarquelle einzuhalten ist und klar festgehalten wird, dass Druckpegel über 205 dB wenn immer möglich zu vermeiden sind.

Vergegenwärtigt man sich, was dies punkto Druckschwankungen bedeutet (215 dB = 0.56 bar resp. eine Änderung von 5.6 m Wassersäule), überraschen diese Vorgaben nicht.

Neopren bietet einen gewissen Schutz, da es Druckwellen absorbiert, aber nur bis maximal 215 dB. Die Wahrscheinlichkeit einer physiologischen Schädigung nimmt deutlich zu, wenn der Schalldruck über 200 dB ansteigt. Taucher dürfen unter diesen Umständen Sonar nur ausgesetzt werden, wenn sie Ganzkörperanzüge und Kopfhauben tragen.

Auswirkungen auf das Meeresleben

Meeressäuger, insbesondere Wale, reagieren sehr empfindlich auf Unterwasserlärm. Die störende Wirkung von Sonar kann ihre Orientierung stören und sie dazu bringen, ihre Wanderungen oder Tauchtiefen zu ändern. Massenstrandungen von Walschulen werden immer wieder mit Marinesonar in Zusammenhang gebracht. Darüber hinaus existiert seit längerem eine Diskussion darüber, ob Sonar auch bei Walen und Delfinen Blasenbildung im Gewebe und somit die Dekompressionskrankheit auslösen und so zum Tod dieser Meeressäuger führen kann.

Kommerzielles Sonar vs. Marine-Sonar

Handelsübliche Fischfinder oder Echolotgeräte arbeiten mit viel geringeren Intensitäten als Marinesonare. Diese Geräte, die in der Regel Schallwellen im Bereich von einigen zehn Dezibel aussenden, sind für eine begrenzte Reichweite ausgelegt und stellen für Taucher kein Risiko dar. Nimmt einen also ein Fischerboot im Zürichsee auf den Schirm, besteht keine Gefahr. Wird man aber von der USS «Dallas» während der «Jagd auf Roter Oktober» angepingt, hat man ein Problem.