Schall breitet sich im Wasser viermal schneller aus als in der Luft[s]. Dadurch wird die Unterwasser-Schallausbreitung zur wichtigsten Methode für Erkennung, Kommunikation und Navigation unter der Meeresoberfläche, wo Licht mit zunehmender Tiefe schnell schwindet.
Sonar, die Abkürzung für SOund Navigation And Ranging, nutzt diese Physik. Aktives Sonar erzeugt einen Schallimpuls, oft als „Ping“ bezeichnet, und lauscht dann auf dessen Reflexionen[s]. Die Zeit zwischen Aussendung und Rückkehr gibt die Entfernung an; Unterschiede in der Ankunftszeit an mehreren Empfängern liefern die Richtung.
Warum Schall unter Wasser so gut übertragen wird
Die physikalischen Eigenschaften des Wassers ermöglichen eine Schallgeschwindigkeit von etwa 1.493 Metern pro Sekunde[s]. In der Luft beträgt die Schallgeschwindigkeit nur rund 343 m/s. Dieser Geschwindigkeitsunterschied bedeutet, dass Unterwasser-Schallausbreitung Informationen über Distanzen transportieren kann, in denen Funkkommunikation stark eingeschränkt ist.
Drei Faktoren bestimmen, wie schnell sich Schall im Meerwasser ausbreitet: Temperatur, Druck und Salzgehalt. Die Schallgeschwindigkeit liegt typischerweise zwischen 1.450 und 1.570 Metern pro Sekunde in den Ozeanen und steigt um etwa 4,5 Meter pro Sekunde pro Grad Celsius Temperaturerhöhung sowie um 1,3 Meter pro Sekunde pro Einheit des praktischen Salzgehalts (psu)[s].
Die Thermokline: Wo Schall gebrochen wird
Die Meerestemperatur variiert mit der Tiefe, doch zwischen 30 und 100 Metern gibt es oft eine deutliche Veränderung, die Thermokline genannt wird und das wärmere Oberflächenwasser vom kalten, ruhigen Tiefenwasser trennt[s]. Schall, der von einer Seite ausgeht, tendiert dazu, von der Thermokline weggebogen oder refraktiert zu werden. Das kann Sonar beeinträchtigen, da Ping-Signale von oben die Ziele unterhalb dieser Schicht möglicherweise nicht erreichen.
Der SOFAR-Kanal: Die akustische Superautobahn der Natur
In einer bestimmten Tiefe ist die Temperatur so weit gesunken, dass ihre schallverlangsamende Wirkung genau durch den druckbedingten Geschwindigkeitsanstieg ausgeglichen wird. Dadurch entsteht ein Minimum der Schallgeschwindigkeit. Dieses Minimum in etwa 1.000 Metern Tiefe wird als Tiefen-Schallkanal oder historisch als SOFAR-Kanal bezeichnet, was für SOund Fixing And Ranging steht[s].
Daten des World Ocean Atlas 2023 zeigen, dass die Achse des Tiefen-Schallkanals weltweit im Durchschnitt etwa 872 Meter tief liegt, mit einem Median von 950 Metern und erheblichen regionalen Unterschieden[s]. Das Verständnis dieser Struktur ist entscheidend für den effektiven Einsatz von Sonar, Unterwasserkommunikation und akustischer Ausbreitung[s].
Schallwellen im SOFAR-Kanal werden kontinuierlich zur Tiefe mit der geringsten Geschwindigkeit zurückgebrochen. Schall, der weder die Meeresoberfläche noch den Meeresboden berührt, verliert dennoch Energie durch Absorption. Niederfrequente Schallwellen verlieren jedoch sehr wenig Energie durch Absorption[s]. Das Ergebnis ist, dass niederfrequente Schallwellen weiter reisen als höhere Frequenzen, manchmal über Tausende von Kilometern unter günstigen Bedingungen[s].
Konvergenzzonen: Periodische Bündelung des Schalls
Schallpfade von einer oberflächennahen Quelle kommen in regelmäßigen Abständen zusammen oder konvergieren, wodurch in etwa der gleichen Tiefe wie die Quelle alle 50 bis 60 Kilometer Bereiche mit höherem Schalldruck entstehen[s]. Diese Konvergenzzonen bedeuten, dass sich die Unterwasser-Schallausbreitung nicht einfach gleichmäßig mit der Entfernung abschwächt. Ein Ziel kann zwischen den Konvergenzzonen schwerer zu hören sein und in der Nähe einer solchen Zone leichter.
Anwendungen der Unterwasser-Schallausbreitung
Am 27. April 2017 berichtete die NATO, dass JANUS, ein standardisiertes Protokoll für Unterwasser-Akustikkommunikation, seit dem 24. März 2017 von allen NATO-Verbündeten als NATO-Standard anerkannt worden sei[s]. Dieser Standard ermöglicht die Interoperabilität zwischen NATO- und Nicht-NATO-Unterwassergeräten.
Auch Meeressäuger sind auf die Unterwasser-Schallausbreitung angewiesen. Delfine, Orcas und andere Walarten nutzen Sonar zur Kommunikation, Navigation sowie zur Ortung von Beute und Fressfeinden[s]. Sie sind besonders auf Schall angewiesen, der sich im Wasser mindestens viermal schneller ausbreitet als in der Luft[s].
Das Problem mit Sonar und Meerestieren
Dieselbe Physik, die Sonar so effektiv macht, kann für Tiere, die auf Unterwasserschall angewiesen sind, schädlich sein. 1998 beschrieb ein Artikel in Nature einen ungewöhnlichen Fall, bei dem 13 Schnabelwale während einer Marine-Sonarübung strandeten. Bis 2005 hatten Forscher ein Dutzend Fälle dokumentiert, in denen mehr als zehn Schnabelwale während militärischer Übungen mit Mittelfrequenz-Sonar strandeten[s].
Forschungen, die auf einem intergouvernementalen Workshop von ACCOBAMS und ASCOBANS 2024 vorgestellt wurden, ergaben, dass ungewöhnlich niedrige Sonarpegel die echolotgestützten Nahrungstauchgänge von Schnabelwalen noch in Entfernungen von bis zu 100 Kilometern stören[s]. In einem Artikel von 2024 beschrieb die Niederländische Organisation für Angewandte Naturwissenschaftliche Forschung (TNO) einen alternativen Ansatz: Statt kurzer und lauter Schallwellen testeten Forscher längere, aber leisere Signale, um den Einsatz von Sonar effektiv zu gestalten und gleichzeitig Meeressäuger zu schützen[s].
Die Unterwasser-Schallausbreitung erfolgt im Meerwasser mit etwa 1.493 m/s[s], was etwa dem 4,4-fachen der Schallgeschwindigkeit in Luft auf Meereshöhe entspricht. Dieser Geschwindigkeitsunterschied macht Akustik zu einer zentralen Erfassungsmethode unterhalb der photischen Zone, wo Funkkommunikation stark eingeschränkt und sichtbares Licht knapp ist.
Aktives Sonar erzeugt einen Schallimpuls, oft als „Ping“ bezeichnet, und lauscht dann auf dessen Reflexionen[s]. Zur Richtungsbestimmung setzen Systeme Beamforming über Hydrophon-Arrays ein und messen die relativen Ankunftszeiten an jedem Wandlerelement.
Abhängigkeiten der Schallgeschwindigkeit
Die Schallgeschwindigkeit im Meerwasser wird durch Temperatur T, hydrostatischen Druck (Tiefe d) und Salzgehalt S bestimmt. Eine empirische Näherung in imperialen Einheiten lautet: c(ft/s) ≈ 4388 + (11,25 × T(°F)) + (0,0182 × d(ft)) + S(ppt)[s]. In metrischen Einheiten liegt die Schallgeschwindigkeit typischerweise zwischen 1.450 und 1.570 m/s in den Ozeanen und steigt um etwa 4,5 m/s pro Grad Celsius sowie um 1,3 m/s pro Einheit des praktischen Salzgehalts[s].
Die Thermokline, ein Bereich mit raschem Temperaturabfall zwischen 30 und 100 Metern Tiefe[s], erzeugt einen negativen Schallgeschwindigkeitsgradienten, der nach unten gerichtete Schallstrahlen zur Oberfläche zurückbricht. Das Snelliussche Brechungsgesetz regelt diese Brechung: Schall wird in Richtung niedrigerer Geschwindigkeit abgelenkt.
Struktur des Tiefen-Schallkanals
Das Minimum der Schallgeschwindigkeit in etwa 1.000 Metern Tiefe definiert die Achse des Tiefen-Schallkanals (Deep Sound Channel, DSC), der historisch als SOFAR-Kanal bezeichnet wird[s]. Oberhalb dieser Achse dominiert der negative Temperaturgradient; unterhalb überwiegt der positive Druckgradient. Bestimmte Schallstrahlen oszillieren um dieses Minimum, ohne mit den Grenzen zu interagieren.
Die Analyse des World Ocean Atlas 2023 ergibt eine globale mittlere Tiefe der DSC-Achse von 871,6 m, einen Median von 950 m und eine Standardabweichung von 400,2 m[s]. Die Tiefe der sonischen Schicht (Sonic Layer Depth, SLD), die die obere Grenze des DSC markiert, hat einen globalen Mittelwert von 24,2 m mit einem Median von 10 m[s].
Niederfrequente Schallwellen verlieren sehr wenig Energie durch Absorption[s], was die Unterwasser-Schallausbreitung über Tausende von Kilometern durch den DSC unter günstigen Bedingungen ermöglicht[s]. Die Absorption nimmt mit der Frequenz zu und begrenzt so die Reichweite der Detektion hoher Frequenzen.
Konvergenz- und Schattenzonen
Bei oberflächennahen Quellen konvergieren Schallpfade in regelmäßigen Abständen und erzeugen alle 50 bis 60 Kilometer Bereiche mit höherem Schalldruck in etwa der gleichen Tiefe wie die Quelle[s]. Zwischen den Konvergenzzonen liegen Schattenzonen mit reduzierter akustischer Intensität. Diese räumliche Periodizität bedeutet, dass die Detektionswahrscheinlichkeit nicht monoton mit der Entfernung abnimmt.
Modellierung der Schallausbreitung
Gängige rechnerische Ansätze zur Modellierung der Unterwasser-Schallausbreitung umfassen Strahlenverfolgung (BELLHOP), parabolische Gleichungen (RAM) und Normalmoden (KRAKEN). Eine Studie aus dem Jahr 2025 in Frontiers in Marine Science ergab, dass BELLHOP in einer 200 m tiefen, flachen Meeresumgebung für Frequenzen über 200 Hz eine hohe Genauigkeit erreicht, KRAKEN vergleichbar mit RAM unter 50 Hz abschneidet und RAM unter 200 Hz am besten geeignet ist[s].
BELLHOP, das auf der Strahlentheorie basiert, eignet sich gut für Tiefsee- und Hochfrequenzszenarien. In flachen Gewässern mit niedrigen Frequenzen kann seine Genauigkeit jedoch aufgrund der Vernachlässigung von Modeninterferenz und Beugungseffekten eingeschränkt sein[s].
Kommunikationsstandards
Am 27. April 2017 berichtete die NATO, dass JANUS, ein standardisiertes Protokoll für Unterwasser-Akustikkommunikation, seit dem 24. März 2017 von allen NATO-Verbündeten als NATO-Standard anerkannt worden sei[s]. JANUS ermöglicht die Interoperabilität zwischen NATO- und Nicht-NATO-Unterwassergeräten.
Biologische Auswirkungen
Viele Walarten sind auf biologische Sonarsysteme angewiesen. Delfine, Orcas und andere Cetaceen nutzen Sonar zur Kommunikation, Navigation sowie zur Ortung von Beute und Fressfeinden[s].
Mittelfrequenz-Militärsonar wurde mit Massenstrandungen in Verbindung gebracht. 1998 beschrieb ein Artikel in Nature 13 Schnabelwale, die während einer Marine-Sonarübung strandeten. Bis 2005 hatten Forscher ein Dutzend Fälle dokumentiert, in denen mehr als zehn Schnabelwale während militärischer Übungen mit Mittelfrequenz-Sonar strandeten[s]. Forschungen, die auf dem ACCOBAMS-ASCOBANS-Workshop 2024 vorgestellt wurden, ergaben, dass Sonar die Nahrungstauchgänge von Schnabelwalen noch in Entfernungen von bis zu 100 Kilometern stört[s].
Die TNO berichtete 2024 über alternative Wellenformen: Statt hochintensiver kurzer Impulse testeten Forscher längere, aber leisere Schallwellen, um den Einsatz von Sonar effektiv zu gestalten und gleichzeitig Verhaltensstörungen zu reduzieren[s].
