Projekt: Untersuchungen zur Höhlenklimatologie
(gefördert durch die DFG)Projektziele


Die zu Projektbeginn formulierten Ziele:
Die wissenschaftlichen und technischen Arbeitsziele des Vorhabens umfassen die Identifikation des komplexen Systems von Luftbewegungen in thermischen und in barometrischen Höhlen sowie einen Rückschluss auf deren Ursprung. Die zeitlichen und räumlichen Ausprägungen der Luftbewegungen in Abhängigkeit von der jeweiligen Höhlenmorphologie sowie das Höhlenklima sind Gegenstand der Untersuchung. Darüber hinaus sollen Vergleichsstudien über den Verlauf von Zirkulationsprozessen in unterschiedlichen Höhlentypen als Grundlage für die Ausarbeitung eines Komplexmodells der Variabilität der Klima- und Umweltverhältnisse in Höhlensystemen dienen. Nach Validierung des Modells für die heutigen Klimabedingungen sind die Verhältnisse während früherer Klimaphasen, bei höhlengeomorphologisch statischen Strukturen, zu prognostizieren.

In dem Vorhaben ist ebenfalls die Untersuchung der Variabilität der Zusammensetzung der Höhlenluft enthalten. Insbesondere die CO2-Konzentration und der Feuchtigkeitsgehalt der Luft steuern unmittelbar die Speläothemenbildung und -zusammensetzung.
Die Bestimmung der Kohärenz der Höhlenluftzusammensetzung mit Zirkulationsprozessen und den Klimaverhältnissen soll auch der Prognostik über die Gefährdung der Höhlenumwelt durch anthropogene Einflüsse dienen (Applikationsziel des Projektes).

Die Untersuchungen bezogen und beziehen sich für die erste Projektstufe im wesentlichen auf die Dechenhöhle in Iserlohn, die Punkvahöhle (mit aktivem Höhlenfluss) sowie die Katharinska Höhle (neu) im Mährischen Karst der Tschechischen Republik, die Dob_inská-Eishöhle und die Demänowska Eishöhle (neu) in der Slowakei (thermische Höhlen), sowie die Wind Cave und die Jewel Cave in den USA (barometrische Höhlen).

Die zusammenfassende Beschreibung der einzelnen Projektziele die zu Beginn des Projektes formuliert wurden sowie eine knappe Bewertung der bisherigen Untersuchungen kann der folgenden Aufstellung (Punkte 1 bis 8) entnommen werden:

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1. PROJEKTABSCHNITT:

1. Nachweis von horizontalen und vertikalen Luftbewegungen (Erhebung von Messdaten mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung unter verschiedenen Gesichtspunkten)
Zunächst ist der alleinige Nachweis von Luftbewegungen bzw. einer Bewetterung erstes Ziel dieser Un-tersuchung. Nach deren Identifikation ist die Bestimmung verschiedener Arten von Luftströmungen und eine räumliche Differenzierung derselben, weitere wichtige Untersuchungsziele. Mittels der einzusetzenden Messtechnik ist es zum ersten Mal möglich, detaillierte Informationen über kurz- und langfristige Veränderungen der Strömungs- und Temperaturverhältnisse im Mikroscale zu erhalten.
Die Ergebnisse müssen sowohl zu der spezifischen Morphologie als auch zu den charakteristischen Ausprägungen des Klimas der jeweiligen Höhle in Beziehung gesetzt werden.

Auf Grund der in den oben genannten Höhlen durchgeführten langfristigen Messungen sowie verschiedener Messkampagnen konnten in ausnahmslos allen Höhlensystemen Luftströmungen nachgewiesen werden. Diese sind erwartungsgemäß in den thermischen Höhlen mit Strömungsgeschwindigkeiten von 0,03 bis 0,2 m/s sehr schwach ausgeprägt, während in den barometrischen Höhlen selbst weit im Inneren der Höhle, Geschwindigkeiten von bis zu 6 m/s ermittelt werden konnten.

2. Bestimmung des Ursprungs von Luftbewegungen bzw. Zirkulationssystemen
Der Ursprung von Luftbewegungen bzw. von Zirkulationssystemen und –mustern ist vielschichtig und bis heute für statische Höhlensysteme noch nicht ausreichend untersucht. Neben den Austauschprozessen zwischen Höhlen- und Außenatmosphäre können sich aus der Höhlenmorphologie, dem Wärmeaustausch im Höhleninneren, sowie durch anthropogene Einflüsse in räumlicher, struktureller und zeitlicher Hinsicht/Variabilität unterschiedliche Typologien an Luftbewegungen ausbilden. Hier ist auch die Verknüpfung bestimmter Strömungsereignisse bzw. -systeme zu den Klimabedingungen bzw. den thermischen Zuständen des gesamten Höhlensystems von besonderer Wichtigkeit.

Der Ursprung der verschiedenen Zirkulationssysteme beruht auf der Kombination verschiedenster Einflussfaktoren. Die wichtigsten sind hierbei: die Anzahl und Lage der Tagöffnungen, das Höhlenvolumen, die Höhlenmorphologie (geothermische Temperaturzunahme, Energietransporte), die Mächtigkeit der Überdeckung, die Wasserführung in der Höhle (evtl. hydrothermale Wasser, Höhlenflüsse), sowie der Einfluss des Tourismus, wobei hier die Größe der durchgeführten Gruppen, die Aufenthaltsdauer sowie die Frequenz der Führungen eine bedeutende Rolle spielen.

Es wurde klar bewiesen, dass jedes der zu untersuchenden Höhlensysteme ganz spezifische Bedingungen und Eigenschaften aufweist, die nur bedingt und bei guter Kenntnis der grundlegenden Gesetzmäßigkeiten auf andere Systeme übertragen werden können. Trotzdem wird es am Ende des Projektes möglich sein, Grundstrukturen zu identifizieren und zu quantifizieren, und somit allgemeingültige Gesetzmäßigkeiten abzuleiten, welche für die Charakterisierung anderer Höhlensysteme herangezogen werden können.

3. Untersuchungen der Wechselwirkungen zwischen der Höhlenzirkulation und den dynamischen Elementen des Außenklimas
Die Wechselwirkungen zwischen Höhlen- und Außenatmosphäre sind in statischen Höhlen wesentlich schwächer ausgeprägt als in dynamischen Systemen, müssen aber dennoch detailliert untersucht und in Relation zu den inneren Veränderungen gesetzt werden. In diesem Zusammenhang sind Modifikationen über verschiedene Zeiträume (wie Tages- und Jahresgänge) aber auch verschiedene Zirkulationsmuster sowie spezifische Witterungssituationen zu betrachten. Neben gut ausgeprägten zeitlichen Variationen dürften ebenfalls sehr starke räumliche Variationen nachzuweisen sein.

Die hier aufgestellten Thesen konnten durch die bisher durchgeführten Messungen eindeutig belegt werden. Sowohl in den thermischen als auch den barometrischen Höhlensystemen konnten insbesondere jahreszeitliche als auch kurzfristigen, von der Außenwitterung abhängige, Veränderungen ermittelt werden. Allerdings muss eingeschränkt werden, dass insbesondere in der Dechenhöhle mittlerweile zusätzlich von der Außenwitterung gänzlich unabhängige Strömungsmuster nachgewiesen wurden deren Genese bisher ungeklärt ist und zurzeit weiter untersucht werden.

4. Untersuchung der Touristenbewegungen auf das Höhlenklima
Die Öffnung von Schauhöhlen für Touristen verursacht durch die Veränderung von Stabilitätsphänomenen und von Klimaprozessen erhebliche Veränderungen in deren Wirkungsgefüge. Zum Schutz der Höhlen benötigt man jedoch die differenzierten Kenntnisse der Auswirkungen von eingeleiteten Änderungen. Es ist vorgesehen, die Grenzbestimmung für die Widerstandsfähigkeit der Klimaumwelt im Rahmen des Gleichgewichts der Feuchtigkeits- und Thermobilanz, die Wirkung des anthropogenen Faktorenkomplexes (Organisation, Intensität, Saisonschwankungen des Tourismusverkehrs, Folgen in der Veränderung der Höhlenmorphologie) und die Möglichkeiten des Erarbeitens von Schutzmaßnahmen für die Umwelt zu untersuchen.

Eine differenzierte Untersuchung dieser Einflüsse ist ein wesentliches Ziel dieses Projektes. Mit Hilfe der einzusetzenden Messtechnik ist es zum ersten Mal möglich, detaillierte Informationen über kurz- und langfristige Veränderungen der Strömungs- und Temperaturverhältnisse durch Touristengruppen zu erlangen.

Die weitreichenden Untersuchungen zum Einfluss des Tourismus auf die klimatischen Bedingungen innerhalb von Höhlen haben ganz klar den kurzfristig recht massiv und mittelfristig schwach wirkenden Einfluss nachweisen können. Dieser bezieht sich nicht nur auf die Veränderungen Lufttemperatur und kleinräumiger Strömungen, sondern wirkt sich ganz klar auch auf die Veränderungen der Felstemperaturen und die Zusammensetzung der Höhlenluft aus.

5. Ermittlung des Jahresganges des CO2-Gehaltes in der Höhlenatmosphäre und dessen Abhängigkeit zu Art und Stärke der Bewetterung und Tropfaktivität
Tropfwässer weisen im Sommerhalbjahr aufgrund der höheren Mikroorganismen- und Pflanzenaktivitäten im Boden einen höheren Gehalt an freiem CO2 auf als im Winterhalbjahr. Daher ist, bedingt durch das Ausgasen von CO2 aus dem Bodenwasser, bei Erreichen eines Höhlenraumes in der Höhlenatmosphäre im Sommerhalbjahr eine Anreicherung von CO2 gegenüber dem Winterhalbjahr zu erwarten. Diese Anreicherung sollte in stärker bewetterten Höhlen geringer sein als in statisch bewetterten Höhlen. Schauhöhlen weisen neben der jahreszeitlichen Variabilität zusätzlich Tagesschwankungen auf. Durch regelmäßige Messungen in ausgewählten Höhlenbereichen wird angestrebt, diese Schwankungen zu quantifizieren.

Die bisherigen Messungen haben die erwarteten Variabilitäten hinsichtlich jahreszeitlich bedingter Veränderungen der wirksamen Einflussfaktoren erwiesen. Darüber hinaus spielt aber auch die touristische Nutzung eine entscheidende Rolle bei der CO2-Konzentration.

6. Ausarbeitung eines umwelt-klimatischen Höhlenmodells
Schließlich soll ein umwelt-klimatisches Modell der bearbeiteten Höhlen entwickelt werden, das es er-möglicht, die Änderungen des Höhlenklimas bestimmten anthropogenen und natürlichen Veränderungen zuzuschreiben. Ziel ist es die unterschiedlichen Sinterzusammensetzungen bestimmten Umweltfaktoren innerhalb des Höhlenmilieus zuzuordnen, um so zu einer weitergehenderen paläoklimatischen Interpretation von sedimentpetrographischen und geochemischen Sinterprofilen zu gelangen. Hier würde eine Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe Höhlenforschung von Prof. Dr. Richter, Institut für Geologie, Ruhr- Universität Bochum stattfinden.

Dieser Teilbereich des Projektes ist erst für den letzten Projektabschnitt vorgesehen.

7. Empfehlungen für die weitere Nutzung von Schauhöhlen bzw. den zukünftigen Ausbau bisher ungenutzter Höhlensysteme aus klimatologischer Sicht im Hinblick auf deren Schutz bzw. Erhaltung
Letztendlich steht neben dem Erkenntnisgewinn für die Grundlagenforschung die Zusammenführung der zunächst konträr erscheinenden Ziele der Erhaltung und des Schutzes von Tropfsteinhöhlen als einzigartige Naturdenkmäler und deren Stellung als Wirtschaftsfaktor durch touristische Nutzung im Mittelpunkt des Projektes. Durch die oben erläuterten Untersuchungsziele bzw. das im folgenden aufgeführte Arbeitsprogramm wird es möglich sein, einen detaillierten Maßnahmenkatalog bzw. ein Nutzungskonzept für Tropfsteinhöhlen zu erstellen. Neben speziellen Empfehlungen für die innerhalb dieses Projektes untersuchten Höhlensysteme werden zusätzlich die allgemeingültigen Gesetzmäßigkeiten herausgearbeitet, die sich auf andere Höhlensysteme bzw. bestimmte Systemtypen übertragen lassen.

Dieser Teilbereich des Projektes ist für den letzten Projektabschnitt vorgesehen.

8. Übertragung der Ergebnisse auf die Tunnelsysteme von U-Bahnen
Auch wenn sich dieses Projekt nicht direkt auf U-Bahntunnel bezieht, so lassen sich die Teilergebnisse hervorragend übertragen. Insbesondere der Einfluss der Außenwitterung auf die Luftzirkulation, sowie die Temperatur- und Druckverhältnisse innerhalb der Höhlen sind wichtige Fragestellungen der Grundlagenforschung die sich auf die Sicherheitsstudien für U-Bahntunnel anwenden lassen.

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2. PROJEKTABSCHNITT:

Der Schwerpunkt der Untersuchungen wurde nach den ersten beiden Projektjahren von den thermischen Höhlen Osteuropas in die barometrischen Höhlen in den USA verlagert. Der Grossteil des durchgeführten Messprogramms lag somit in der Dechenhöhle in Iserlohn, sowie in der Jewel Cave und der Wind Cave in Süd Dakota.

Hierdurch ergaben sich die folgenden – neu zu formulierenden - Ziele für das Gesamtprojekt:

9. Erstellung eines dreidimensionalen Computermodells der Höhlen mit den einschlägigen Mög-lichkeiten der Visualisierung der Raumgeometrie und darin vorhandenen Luftströmungen
Parallel zu den verschiedenen Klimamessungen arbeiten wir daran, eine anschauliche und aussagekräftige Visualisierung aller untersuchten Höhlensysteme zu erstellen. Die dabei zu berücksichtigenden Schwierigkeiten ergeben sich sowohl aus der Komplexität von Höhlensystemen, als auch aus der teilweise ungenügenden Kartierung dieser.

Obwohl die Datenlage in einem Teil der untersuchten Systeme (Dechenhöhle, Bären-Höhle und Punkva-Höhle) als vergleichsweise gut anzusehen ist, ließen sich diese in nur unbefriedigender Weise in die am Institut vorhandene Software integrieren. Insbesondere die Übertragung in dreidimensionale Modelle stellte sich als schwierig heraus.

Für die Wind Cave in Süd Dakota wurden die Daten – durch unsere amerikanischen Partner - bereits in hoher Auflösung in das Modell COMPASS eingegeben. Mit Hilfe dieses Programms ist es möglich, anhand der kompletten Raumkoordinaten eines jeden Messpunktes, ein dreidimensionales Modell der Höhle zu erstellen, welches durch Rotation beliebige Ansichten erlaubt. Leider zeigt sich jedoch, dass die Auflösung der Daten für unsere Belange nicht ausreicht. Zwar gewinnt man einen anschaulichen Überblick über die verschiedenen Höhlengeometrien, die Information über die innere Struktur der Höhlen sind jedoch mangelhaft. So lassen sich nur ungenaue Aussagen über die den Luftraum umschließenden Felsoberflächen sowie das Höhlenvolumen ableiten, welche aber für unsere Berechnungen absolut unzureichend sind. Ebenso benötigen wir für die Berechnung der Durchflussmengen im Bereich der Ein- und Ausgänge hochauflösende Daten, welche in der gewünschten Form nicht zur Verfügung stehen.
Zu Lösung des Problems haben wir damit begonnen, mittels eines Laserscanners (Laserace 300) (freundliche Leihgabe von Herrn Prof. Schmitt – Geographisches Institut der RUB) die Dechenhöhle in Iserlohn ganzheitlich und sehr detailliert zu vermessen und aufzunehmen. Entsprechende Messungen, die aber nur auf die Messstandorte bezogen sind, wurden bereits in den amerikanischen Höhlen durchgeführt, weitere sind projektiert.
Hinsichtlich der räumlichen Darstellung konnten wir die Firma Raindrops Geomagic in Davis (Delaware, USA) dazu bewegen, uns die Software geomagic qualify 6 SR1 für einen Projektschritt (die Untersuchung der Dechenhöhle) kostenfrei zur Verfügung zu stellen. Hierdurch wird es möglich sein, die gesamte innere Struktur der Höhle detailliert und sinnvoll zu visualisieren. Die Ergebnisse sind abzuwarten. Aufbauend auf diesen Ergebnissen lassen sich die benötigten Berechnungen (Durchflussberechnungen, Luftvolumina, Felsoberflächenberechnungen des Innenraumes) durchführen bzw. räumliche Darstellungen anfertigen.

10. Integration eines mikroskaligen Strömungsmodells mit der Möglichkeit unterschiedli-cher interner und externer Antriebe
In Planung!

11. Bestimmung des Höhlenvolumens barometrischer Höhlensysteme durch Strömungsmessungen
Zum tieferen Verständnis der Klimatologie barometrischer Höhlen ist es grundsätzlich wichtig das Volumen des Höhleninneren zu kennen. Da es sich bei barometrischen Höhlensystemen um sehr große Systeme handelt, die sowohl eine große horizontale Erstreckung aufweisen, als auch vertikal in verschiedene Ebenen gegliedert sind, ist die Gesamterstreckung noch völlig unbekannt. Für die Jewel und Wind Cave lässt sich sagen, dass man heute davon ausgeht, dass erst ein Bruchteil der Höhlen – trotz Ihrer bisher erfassten Länge von 220 km für die Jewel und 180 km für die Wind Cave - bekannt ist. Somit ist jedoch einer der wichtigsten Einflussfaktoren auf die Bewetterung, bzw. den Antrieb des Strömungssystems noch nicht erfasst. Bereits Herb Conn versuchte im Rahmen seiner Klimauntersuchungen das Höhlenvolumen über die ein- und ausströmenden Luftmassen zu bestimmen. Da in den 70er Jahren des vergangenen Jahrhunderts die verwendeten Messgeräte nur sehr unvollständige Daten lieferten und insbesondere Strömungsgeschwindigkeiten < 0,5 m/s nur unzureichend bis gar nicht registrierten und auch die zeitliche Auflösung zu grob war, sollen die durch uns durchgeführten Messungen weiterführende Erkenntnisse bringen.

12. Bestimmung der „wahren“ Ausdehnung von Jewel und Wind Cave anhand von Temperatur- und Strömungsmessungen in umliegenden „Blow Holes“ und kleinen Höhlensystemen
Für die Volumenbestimmung ist es unerlässlich die Anzahl und Größe der Tagöffnungen sowie deren Durchfluss zu bestimmen. Durch die Literatur, als auch durch persönliche Gespräche, war uns vor Projektbeginn jeweils nur ein Eingang bekannt. Durch zusätzliche Untersuchungen der umliegenden kleineren Höhlen wurde rasch klar, dass einige die typischen Merkmale einer barometrischen Höhle zeigen. Da hierfür ein erheblich größeres Volumen nötig ist als das bisher bekannte, liegt der Schluss nahe, dass die verschiedenen Systeme mit den beiden Großhöhlen verbunden sind. Zum Verständnis des Strömungsgeschehens sowie die wichtige Volumenbestimmung der beiden Großhöhlen ist es somit unablässig möglichst viele Tagöffnungen zu ermitteln.

13. Wirkung von baulichen Erweiterungen bzw. Schleusensystemen der touristisch genutzten Ein-gangsbereiche auf die Höhlenklimatologie bzw. die Eingangsnahen Felsstrukturen
Da die natürlichen Öffnungen von Schauhöhlen meist zu klein für den Durchgang von Touristen sind, werden diese oftmals stark erweitert, oder es werden gar neue Eingänge geschaffen. In früheren Jahren hat man diese Öffnungen vielfach nicht verschlossen. Seitdem man jedoch feststellen musste, dass diese neuen und größeren Öffnungen zu einer Veränderung des Höhlenklimas führen, ist man zum Schutz der Höhlenumwelt dazu übergegangen die Eingänge durch Türen bzw. Schleusensysteme zu verriegeln.
Ein besonderes Problem stellt bei den barometrischen Höhlen Süd Dakotas insbesondere die im Winter mit hohen Geschwindigkeiten eindringende trockene Kaltluft dar. Der ständige Wechsel von in die Höhle eindringende trockener Kaltluft und ausströmender warmer feuchtigkeitsgesättigter Höhlenluft führt zu einer starken Frostverwitterung im Eingangsbereich.

Während in der Jewel Cave der natürliche Eingang „nur“ erweitert werden musste, hat man in der Wind Cave neben dem kleinen natürlichen Eingang einen neuen Eingang geschaffen der zunächst offen blieb. Nachdem es in der Folge mehrfach zu Deckeneinstürzen kam hat man zunächst eine Holztür und später eine zusätzliche Drehtür eingesetzt, so dass man ein kleine Luftschleuse hatte. Im Verlauf der Jahre kam es zu Quellungen und einem Verziehen der Holztür und die Gummiisolierungen der Drehtür wurden rissig und sind verschlissen, so dass mehr und mehr Luft durch das Schleusensystem in die Höhle eindringt. Der Einrichtung einer neuen Schleuse stehen die schlechte finanzielle Ausstattung der Nationalparks, aber auch der Schutz historischer Gebäudeteile entgegen. Da die Holztür mittlerweile mehr als 40 Jahre alt ist, gilt diese als historisch und der ursprüngliche Zustand darf nur bei schwerwiegenden Gründen verändert werden.

Unsere Aufgabe war es nun, den Durchfluss durch das undichte Schleusensystem zu quantifizieren, die Wirkung der zusätzlich eindringenden Luftmassen zu beurteilen, und Empfehlungen für die Nationalparkverwaltung abzugeben.

14. Quantifizierung des geothermalen Einflusses auf die Höhlenklimatologie
Es wurden Hinweise darauf gefunden, dass die geothermale Energie der Black Hill einen erheblichen Einfluss auf die Klimatologie der Jewel als auch Wind Cave haben. Die in den unteren Höhlenstockwerken nachgewiesenen Lufttemperaturen sind deutlich höher als erwartet. Sollte hier die Höhlenluft durch den Untergrund überproportional erwärmt werden, so hätte dieses auch Auswirkungen auf das Strömungsgeschehen und könnte einige bisher nicht erklärbare Unstimmigkeiten im Strömungsmuster begründen.