Höhlenklimatologie

Die Höhlenklimatologie beschreibt das generelle Verhalten der Luftsäule in einem Höhlensystem (künstliche und natürliche Höhlen!), also den durchschnittlichen physikalischen Zustand der Atmosphäre und seine typische Variabilität.
Im Gegensatz zum Klima beschreibt die Meteorologie das aktuelle Wetter, zum Beispiel, dass es jetzt gerade windet.

Klimaelemente

Zur Beschreibung des Klimas verwendet man messbare Parameter. Diese Klimaelemente sind einzelne Eigenschaften oder Bedingungen, die zusammen den physikalischen Zustand der Atmosphäre beschreiben.

Die wichtigsten Elemente des Höhlenklimas

  • Lufttemperatur
  • Luftfeuchtigkeit
  • Luftdruck
  • Windrichtung
  • Windstärke
  • Kondensation / Verdunstung
  • Wassertemperatur
  • Wasserfluss
  • Felstemperatur

Die meisten höhlenklimatischen Projekte beschränken sich auf die Messung der Luft- und Wassertemperatur mittels Datalogger, die manuelle Messung der Höhlenwindgeschwindigkeit und die Beobachtung der Windrichtung. Die Beobachtung der übrigen Klimaelemente in den Höhlen ist schwierig oder nur mit massivem technischem und logistischem Aufwand möglich.

Höhlenluft

Die Luft in Höhlen hat im wesentlichen die gleiche Zusammensetzung wie die der Atmosphäre an der Oberfläche. Dennoch zeichnet sie sich durch einige Besonderheiten aus:

Die Luft in Höhlen

  • ist meist fast vollständig gesättigt mit Wasserdampf (über 90 % relative Luftfeuchtigkeit)
  • hat weniger Staubteilchen und ist nahezu keimfrei, da die Keime Kondensationskerne bilden und zu Boden sinken. (Deshalb werden Höhlen auch zur Therapiezwecken verwendet: Speläo-Atemtherapie)
  • hat oft einen leicht erhöhten Kohlendioxidgehalt gegenüber dem Normalgehalt der Luft (jedoch meist weit entfernt von den toxischen Konzentrationen)
  • hat meist eine konstante Temperatur im Jahresverlauf (Schwankungen von wenigen Zehntel °C zwischen Sommer und Winter)
  • kann sich nicht wie die Luft an der Oberfläche in alle Himmelsrichtungen bewegen, sondern nur in Richtung der Höhlengänge.

Lufttemperatur

Die Lufttemperatur in einem Höhlensystem liegt üblicherweise sehr nahe der Jahresdurchschnitts-Temperatur an der Oberfläche in derselben Höhenlage.
Im Detail wird die Temperatur unter anderem beeinflusst durch die aktuelle Aussentemperatur und dem Höhlenwind (s.u.) sowie von fliessendem Wasser.

Der Lufttemperaturgradient

Der vertikale Lufttemperaturgradient beschreibt die Veränderung der Temperatur in Bezug auf die Höhe:  Sinkt trockene Luft ab, so erwärmt sie sich um 1°C pro 100 m (unter adiabatischen Verhältnissen). Ist hingegen das absinkende Luftpaket mit Wasserdampf gesättigt, so beträgt die Erwärmung nur etwa ein halbes Grad pro 100 m.
In Höhlensystemen nimmt die Lufttemperatur nach unten oft noch weniger stark zu, etwa 0.3-0.4 °C pro 100 m. Diese Anomalie wird durch Wechselwirkungen der Luft mit dem Fels und den Höhlengewässern verursacht. Die Interpretation des Lufttemperaturgradienten in einer Höhle kann wesentliche Hinweise über die Ursache der klimatischen Situation geben.

Höhlenwind – Luftbewegung in Höhlen

Die Luftbewegung in einer Höhle – der Höhlenwind – beruht auf drei unterschiedlichen Mechanismen: Konvektion (Temperaturdifferenz), Barometrisch (Druckdifferenz) und Impuls (mechanisch). Diese drei Mechanismen können einzeln oder gemeinsam vorkommen. Die konvektive Luftzirkulation bleibt oft für Tage bis Monate ähnlich.

Die konvektive Luftzirkulation

Die Temperatur der Höhlenluft ist im allgemeinen über das Jahr hinweg mehr oder weniger konstant. Tägliche und jahreszeitliche Schwankungen sind oft sehr klein oder fehlen besonders in grösserer Entfernung zum Eingang.

Die konvektive Luftzirkulation ist dominant in Höhlen mit zwei Eingängen auf verschiedener Höhe. Das Prinzip ist einfach: dichtere (kältere) Luft fällt, während die weniger dichte (wärmere) steigt. Im Sommer “fällt“ normalerweise die Luft in der Höhle, während sie im Winter steigt. Daraus können Höhleneingänge anhand ihrer klimatischen Funktionsweise als meteohoch oder meteotief bezeichnet werden.

  • Der meteohohe Eingang saugt im Sommer Luft an und stösst im Winter Luft aus (im Winter ein “Blasloch“).
  • Der meteotiefe Eingang stösst im Sommer Luft aus und saugt im Winter Luft an.

Die barometrische Luftzirkulation

Luft fliesst von einem Ort höheren Drucks zu einem mit niedrigerem. Bei schnellen Änderungen des Luftdrucks der Aussenatmosphäre (zum Beispiel beim Heranziehen einer Schelchtwetterfront), kann vor der Höhle ein anderer Luftdruck herrschen als drinnen. Die Höhle reagiert indem sie Luft “ansaugt“ oder “ausstösst“. Die barometrische Luftzirkulation kann in Höhlen mit grossem Volumen hinter Verengungen sehr heftig sein, jedoch ist sie meist nur von kurzer Dauer (einige Minuten bis Stunden).

Luftbewegung durch Impuls

Die Luftbewegung durch Impuls  tritt auf, wenn die Höhlenluft durch die Bewegung eines anderen Körpers angetrieben wird. So zum Beispiel durch das Fliessen eines Höhlenbachs oder durch Höhlenbesucher, die sich in der Höhle bewegen.

Weiterführende Informationen

Höhlenklima-Projekte der AGS-Regensdorf

Aktuell

Eine aufwendige, mehrjährige Temperatur-Messreihe in der Pomeranzenhöhle O92 zeigte, dass die Temperatur bis auf eine Tiefe von 120 m unter dem Eingang abnahm statt, wie erwartet, zunahm (Stündliche Messungen während mehreren Jahren). Die Resultate sowie Hypothesen zur Erklärung dieser Anomalie wurden am internationalen Kongress für Höhlenforschung in Brno (Tschechische Republik) 2013 präsentiert (O92 Klima ICS). Ab 2014 sind Vergleichsmessungen in der Höhle O89 geplant.

 

Abgeschlossen

  • qualitative und quantitative Beschreibung des Höhlenklimas in ihren Forschungsgebieten: O17-Gamsalp und Kristallhöhle Kobelwald).
  • Messen des Einflusses der Höhlengewässer auf das Höhlenklima (Kristallhöhle Kobelwald, Chienberg).
  • Abschätzung der Empfindlichkeit des Höhlenklimas auf Höhlenbesucher (z.B. Kristallhöhle Kobelwald, Chienberg).

Veröffentlichungen der AGS im Bereich Höhlenklima

  • Stünzi H. (2013): A Pronounced Extended Negative Temperature Gradient in the Pomeranzen Cave, Switzerland, Proceedings of the 16th International Congress of Speleology, June 2013, 458-463.
    Deutsche Übersetzung mit Anmerkungen: O92 Klima ICS: Ein ausgeprägter negativer Temperaturgradient in der Pomeranzenhöhle, Schweiz, AGS-Info 2/13, 27-35
  • Stünzi H. (2010) . Temperaturprojekt O92: Erste Daten. AGS-Info 2010(2), 13-20.
  • Filipponi M. (2003) – Das Klima der Schrattenhöhle: Auswertung einer 10-jährigen Messreihe. Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, Institut für Atmosphäre und Klima.
  • Filipponi M. (2003) – Das Höhlenklima des Abisso di Trebiciano (Triest, Italien). Arbeitsgemeinschaft für Speläologie Regensdorf, AGS Info 1/03, S. 43-47, Regensdorf.
  • Filipponi M. (2001) – Höhlenklima-Projekt im O17 – Zwischenbericht (Gamsalp, SG). Arbeitsgemeinschaft für Speläologie Regensdorf, AGS Info 2/01, s. 43-47, Regensdorf.
  • Filipponi M. (2000) – Höhlenklimabeobachtungen im Bauerloch (Schwäbische Alb). Arbeitsgemeinschaft Höhle und Krast Grabenstetten e.V, Jahresheft 2000, S. 21-26, Filipponi M. (2000) – Höhlenklimaskript. Arbeitsgemeinschaft für Speläologie Regensdorf, S. 1-67, RegensdorfGrabenstetten.