Mitt. Verb. dt. Höhlen- u. Karstforscher
52 (1)
8-13
München 2006

Klima-Extreme in Winter und Sommer in der Einhornhöhle bei Scharzfeld im Harz

VON
DIETER MEISCHNER

„Hohlraumsysteme mit nur einer Tagöffnung reagieren auf exogene Faktoren kaum, abgesehen von den durch die Dichteschwankungen hervorgerufenen schwachen Störungen: statische Höhlen.“ (BÖGLI 1978: 222)

Zusammenfassung
Das Klima der Einhornhöhle bei Scharzfeld (Südharz) wird durch ein apikales Deckenloch kompliziert. Zwei extreme Klima-Situationen im Winter und Sommer werden dargestellt und verallgemeinert. Die Einhornhöhle zeigt eine hohe jahreszeitliche Wetterdynamik.

Abstract
The climate in the Einhornhöhle (Unicorn Cave; Southern Harz Mts.) is complicated by an aperture in the apex of the ceiling. Climate extremes in winter and summer are generalized to describe the cave’s climate as seasonally dynamic.

Résumé
Le climat dans la Grotte Einhornhöhle près de Scharzfeld (Harz du sud) se présente très compliqué en raison d’un effondrement de la voûte. Deux situations climatiques en hiver et en été sont décrites généralisées. La Grotte Einhornhöhle montre un grand dynamisme du climat dépendant de la saison.

Höhlenklima
Geschlossene, oberflächennahe Höhlen sollten eine Lufttemperatur in Höhe der mittleren Jahrestemperatur und eine Luftfeuchtigkeit nahe der Sättigung aufweisen. Im mitteleuropäischen Klima sind das je nach Höhenlage und mit Ausnahme der alpinen Höhlen 7 bis 12 °C. Dagegen unterliegen Höhlen mit mehreren Tagesausgängen je nach ihrer Geometrie mehr oder weniger starker wetterbedingter barometrischer und thermischer Zirkulation (SAAR 1957) und, durch diese verursacht und mit ihr rückgekoppelt, wechselndem Energieaustausch beim Übergang zwischen fester, flüssiger und gasförmiger Phase des Wassers (FILIPPONI 2003).
Die klimatischen Verhältnisse sind jahreszeitlich kompliziert, wenn eine Höhle nur eine Tagesöffnung besitzt (Sackhöhle sensu TRIMMEL 1968: 83). Je nach Höhenlage des Zugangs unter oder über dem Boden der Höhle herrschen nach Jahreszeit und Wetter unterschiedliche Bedingungen für die Zirkulation (TRIMMEL 1968: 84). Der Tageseinfluss wird mit wachsender Entfernung einer Messstelle vom Eingang gedämpft und zeitlich verzögert. Komplizierte Geometrie der Höhle, Wechsel von engen Gängen und Weitungen, kann eigenständige Zirkulationszellen nebeneinander bedingen.

Einhornhöhle
Die Einhornhöhle bei Scharzfeld im Südharz ist eine Schauhöhle in reinem, massigem Zechstein-Dolomit (NIELBOCK 1990, 2002, MEISCHNER 2001, PAUL & VLADI 2001). Die sonst geschlossene Höhle besitzt nahe ihrem bisher bekannten SW-Ende zwei unterschiedlich große Deckeneinbrüche (VLADI 2003, hier Abb. 1). Diese liegen, bezogen auf die gesamte Höhle, apikal, d.h. in der Kuppel des am höchsten gelegenen Höhlenraums, der Blauen Grotte. Der größere Einbruch dominiert das Klima in der Blauen Grotte und darüber hinaus in der Höhle.
Durch das Tagesloch fällt Licht auf den darunter liegenden Schuttkegel. Das Tageslicht bildet wie durch eine Lochkamera den blauen Himmel und den um das Loch stehenden Wald in der Blauen Grotte ab (MEISCHNER 2006). An Sommernachmittagen fällt zusätzlich Sonnenlicht in einem eng begrenzten Strahl auf den Boden. Beide Einstrahlungen, Lochkamera und Sonnenstrahl, werden an in der Luft schwebendem Kondensat gestreut wie in einem verrauchten Raum, im Sommer an Wassertröpfchen, im Winter an resublimiertem Eis („Reif“).


Abb. 1: Einhornhöhle bei Scharzfeld am Harz, Plan und Seitenansicht. Nach Vladi 2004, Abb. 3, verändert.
Nicht auf der Schnittlinie liegende Abschnitte der Höhle werden bei der Horizontal-Projektion verzerrt, z.B. die von Alten-Kapelle.

 
Winter
Bei scharfem Frost im Winter fällt Kaltluft in die Höhle und verdrängt die wärmere Höhlenluft. Bei rascher Abkühlung kondensiert oder resublimiert je nach Tagestemperatur das Wasser in der aus dem Deckenloch entweichenden Höhlenluft – die Höhle dampft. Die Konvektionszelle reicht in die Leibnizhalle (HARTMANN 2004: 54) und endet an der Verengung des Bärengangs, spätestens aber am Eingang zum Virchowgang jenseits des Schillersaals. Der Weiße Saal wird bei heutigem Klima nicht von Frostluft erreicht.
Die Luft in der der Blauen Grotte südlich benachbarten und einige Meter tiefer liegenden von-Alten-Kapelle kann im Winter bis weit unter den Gefrierpunkt des Wassers abkühlen. Dann bilden sich Stalaktiten und Stalagmiten aus Eis (MEISCHNER 2001, Abb. 4; hier Abb. 2, 3).
Beständiges Frostwetter, bei uns gebunden an stabile atmosphärische Hochdruck-Lagen, ist Voraussetzung für die Speicherung von Wasser als Eis. Die durch das Deckenloch einfallende Kaltluft kühlt die Wände der Grotten ab. Solange der Gefrierpunkt des Wassers im Gestein noch nicht unterschritten ist, nährt Sickerwasser die Eiszapfen. Es gefriert an den Stalaktiten teilweise an, das Restwasser tropft von ihren Spitzen ab und formt auf dem Boden Stalagmiten von mit dem Wetter wechselndem Durchmesser (Abb. 2, 3). Das Tropfwasser gefriert rascher als aus verdunstendem Wasser CO2 entgast und Calciumcarbonat ausfällt. Eis-Stalagmiten sind daher konisch oder konkav zugespitzt, nicht zylindrisch wie solche aus Calcit, und die Stalagmiten sind deutlich kleiner als die Stalaktiten.
Gegen Ende März 1958 war die von-Alten-Kapelle nach wochenlanger Frostlage mit Nachttemperaturen bis unter minus 20 °C soweit abgekühlt, dass kein Tropfwasser mehr austrat.
Der Frostpunkt lag im Gestein, die Eisgebilde waren trocken. Von der tief gefrorenen Erdoberfläche ist ebenfalls kein Wasser mehr nachgesickert. Tropfsteine aus Eis bilden sich früher, bei Abkühlung der Höhlenluft unter den Gefrierpunkt; sie wachsen nicht mehr weiter, wenn das Sickerwasser schon im Gestein gefriert.
Höhlenluft, die infolge der durch die Kaltluft erzwungenen Konvektion aus tieferen Teilen der Höhle nachströmt, kühlt in der Blauen Grotte ab, ihr Wassergehalt resublimiert zu Eis und bedeckt als Reif Boden und Wände. An in Schwebe befindlichen Eiskristallen („Eisnebel“) wird das einfallende Tageslicht gestreut. Im Winter, bei beständig wolkenlosem Frostwetter, erscheint die Blaue Grotte mittags intensiver blau als im Sommer.
Anhaltender Niederschlag von Reif kann auf dem Boden vorübergehend eine Eisschicht aufbauen. Dieses Eis sublimiert wieder, wenn keine Tagesluft mehr einströmt (Eis hat bei 0 °C einen Dampfdruck von ca. 6 hpa). Der Boden ist dann eisfrei und staubtrocken bis auf die Stalagmiten und die von ihnen herab gelaufenen Tropfen (Abb. 3).
HARTMANN (1982) berichtet von ähnlichen Eisspeläothemen in der Jettenhöhle im Hainholz am Harz im Januar 1982. Die dortige Abb. 4 ist nicht physikalisch befriedigend gedeutet.


Abb. 2: Einhornhöhle im Winter, Blick aus der von-Alten-Kapelle Richtung Blaue Grotte
(Fleck von Tageslicht, Blitzlicht im Vordergrund). Foto: Meischner, 20. 3. 1958.


Abb. 3: Detail aus Abb. 2. Die Stalagmiten stehen auf hellem staubtrockenem Höhlenboden.
Nur wenig Tropfwasser ist seitlich herab gelaufen und gefroren (dunkel). Foto: Meischner,
20. 3. 1958.

Sommer
Im Sommer überschichtet warme Außenluft beständig die Höhlenluft, sobald die Temperatur nachts nicht mehr deutlich unter 9 °C sinkt. Bernd Scholze (in lit.) hat bereits im Juni 2003 bei 20 °C Jahrestemperatur eine stabile Schichtung festgestellt.
Die Luftschichtung war extrem während mehrerer Phasen extremer Hitze bei anhaltenden Hochdrucklagen im Juli und im August 2003 (Abb. 4, 5).
Die Luftschichtung wird durch wechselnde Kondensation und Evaporation der Luftfeuchtigkeit energetisch kompliziert. Die Grenze zwischen Höhlenluft und Außenluft liegt etwa 10 m unter Gelände am Deckenloch. Dies ist eine Thermokline und zugleich eine Pyknokline – die Schichtung ist stabil. Die Höhlenluft ist trotz höherer Feuchte dichter als die Tagesluft, weil die Temperaturdifferenz wesentlich wirksamer ist als unterschiedliche Feuchte. Bei Sommerwetter bewirkt schon eine Temperatur-Differenz von 1 °C doppelt soviel wie die potentielle Differenz der Feuchte zwischen Höhlen- und Außenluft. Eine Quantifizierung des Energieaustausches ist bei gegenwärtiger Kenntnis von Messdaten nicht möglich, weil weder die Gradienten an der Thermokline und an den Felswänden noch die Mechanismen von Diffusion und Absorption der Wärme und des Wassers bekannt sind.
Die in der Höhle stehende warme Tagesluft kühlt sich bis zum Kontakt mit der Höhlenluft durch Diffusion und Abstrahlung der Wärme bis unter Taupunkt ab. Es entsteht, abwärts zunehmend, ein Kondensat aus feinsten Wassertröpfchen. Die Höhlenluft unterhalb der Grenzschicht erwärmt sich durch Wärmeeintrag aus der Tagesluft; ihr hoher Wassergehalt verdunstet teilweise. Nahe der Grenzschicht überwiegt in der Höhlenluft die Erwärmung durch Eintrag aus der Tagesluft die durch Evaporation verursachte Abkühlung. Die erwärmte Höhlenluft ist deshalb klar. Weiter unten aber lassen Evaporation und Diffusion aus der relativ feuchteren Höhlenluft in die erwärmte Luftschicht die Temperatur der Höhlenluft bis auf 5 °C abfallen. Diese kalte, dichte Luft sinkt bodennah ab und verursacht weiträumige Konvektion. Kaltluft von 5 °C erfüllt die tiefer gelegenen Grotten, die von-Alten-Kapelle und die Leibnizhalle mindestens bis zur Verengung im Bärengang. Von der Kaltluft verdrängte Höhlenluft steigt auf und unterschichtet die erwärmte Höhlenluft. Solange Höhlenluft abkühlt, kondensiert Wasser. Die abgekühlte Höhlenluft ist nicht vollständig durch Turbulenz homogenisiert, die Kondensation daher wolkig (Abb. 4, 5).

Abb. 4: Gang von Temperatur und Evapo-Kondensation mit der Tiefe in der Blauen Grotte der Einhornhöhle. Nach Beobachtungen der Streuung von Tageslicht und punktuellen Temperatur-Messungen von Dipl.-Geogr. Bernd Scholze, Juni 2003.
A: Längsprofil der Einhornhöhle nach VLADI 2003, vereinfacht, von-Alten-Kapelle (links) entzerrt, ca. 3-fach überhöht.
B: Blaue Grotte und von-Alten-Kapelle mit Grenze Tagesluft/Höhlenluft, fiktivem Temperaturverlauf und Abbildung der Wasserdampf-Sättigung durch Dunstbildung. Vgl. Foto Abb. 5.

Schichtgebundene Kondensation und Evaporation werden durch einfallendes Tageslicht deutlich (Abb. 5). Das Licht wird an dem Kondensat gestreut, der Strahlengang der Camera Obscura ebenso wie das Bündel direkten Sonnenlichts. Die Streuung ist umso heller sichtbar je stärker die Kondensation.
Der direkte Sonnenstrahl ist sehr viel heller als der Strahlengang der Camera Obscura. Auf Fotografien ist daher vor allem der Sonnenstrahl zu erkennen. Das menschliche Auge ist über einen größeren Helligkeitsbereich anpassungsfähig. Besucher sehen daher den Himmel, den Wald und den Sonnenstrahl gleichzeitig in dem Höhlendunst abgebildet. Die Strahlen erscheinen in der Schicht erwärmter Höhlenluft unterbrochen und infolge der Turbulenzzellen in der tieferen Höhlenluft fleckig.
Von oben nach unten umfasst die extreme Luftschichtung folgende Zustände (Abb. 4, Erdoberfläche = 0 m, Metrierung abwärts):
 
oberhalb 0 mTagesluft, bis 30 °C, turbulent;
bis 10 mTagesluft, abgekühlt, stationär, abwärts stärkere Kondensation;
Grenzschicht Tagesluft/Höhlenluft: Thermokline/Pyknokline bei ca. 10 m;
ca. 10 bis 11 mHöhlenluft, erwärmt, stationär, klar;
> 11 mHöhlenluft, durch Evaporation abgekühlt, infolge Konvektion turbulent, Kondensat wolkig;
bodennahHöhlenluft, auf 5 °C abgekühlt.

Die Dichteschichtung in Höhlen ist analog der in stehenden Wasserkörpern. Der Unterschied liegt in der Bedeutung der Kondensation und Evaporation für die Einstellung von Lufttemperaturen und folglich auch der Dichteschichtung. Eine Quantifizierung des Energiehaushalts wird erst möglich sein, wenn erheblich mehr Messwerte vorliegen. Die vorläufig qualitativen Beobachtungen können aber Hinweise für die Strategie eines Messprogramms geben.

Schlussfolgerungen
Stabile extreme Wetterlagen treten im mitteleuropäischen Klima bei stabilem atmosphärischem Hochdruck auf. Sowohl bei winterlichem Frost wie bei sommerlicher Hitze liegt die Temperatur der Einhornhöhle, soweit der Einfluss des Deckenlochs reicht, unter der mittleren Tagestemperatur, im Winter durch Retention der nächtlich einbrechenden Kaltluft, im Sommer infolge Plombierung der Höhle durch stabile Schichtung und Abkühlung der Höhlenluft unter das Jahresmittel durch Evaporation.
Die Einhornhöhle ist daher gerade bei sommerlicher Hitze „der kälteste Punkt Norddeutschlands“ (NIELBOCK 2003: www.einhornhoehle.de).
Dieser Befund überrascht, denn nach KYRLE (1923: 215) kann „...die Verdunstung auf die Abkühlung der Höhlenwetter in statischen Wetterhöhlen meist nur in sehr beschränktem Umfang...wirksam sein.“ Dipl.-Geogr. Bernd Scholze hat im Sommer 2003 als erster den Effekt der sommerlichen Abkühlung der Höhle unter die mittlere Jahrestemperatur erkannt und richtig gedeutet. Daher nenne ich dieses Phänomen den Scholze-Effekt. Er sollte für alle einseitig offenen Höhlen von Bedeutung sein.
Der Wasserhaushalt bei anhaltendem Frost wirft ein Licht auf die Frage des Höhlenklimas während der Eiszeiten. Bei dauerhaft gefrorenem Boden (Permafrost) gibt es kein Sickerwasser.
Daher ist unwahrscheinlich, dass die Höhle während der Glaziale von Eis plombiert gewesen wäre (KEMPE 1989, KEMPE & ROSENDAHL 2003). Zu Beginn einer Vereisung aufgebaute Speläotheme würden sublimieren, sobald der Bodenfrost permanent würde. Dagegen ist eine Plombierung vorstellbar, wenn Permafrost bei Ende eines Glazials von der Oberfläche her auftaut.
In Sommer und Winter geht Wasser aus der Höhle in die Atmosphäre über, im Winter durch Entweichen der Höhlenluft und Ersatz durch geringer gesättigte Außenluft, im Sommer durch Evaporation durch die Grenzfläche Außenluft/Höhlenluft hindurch und stetigen Ersatz der abgereicherten Luft durch nachströmende Höhlenluft. In der Summe liegt daher der Wassergehalt der Höhlenluft um einige Prozent unter der Sättigung.
Die Höhle ist trocken bis auf wenige von Tropfwasser feucht gehaltene Flecken.
Die von dem Deckensturz ausgehende Dynamik beherrscht das Klima der gesamten Höhle. Die Jahresmitteltemperatur der Höhlenluft liegt unter der der Umgebung, die Luftfeuchtigkeit wird durch sommers und winters unterschiedliche Mechanismen deutlich unter der Sättigung gehalten.

Dank
Dipl.-Geogr. Bernd Scholze hat Daten seiner Messungen von 2003 bereitgestellt und wertvolle Diskussionen beigetragen. Dipl.-Geol. Friedhart Knolle hat geduldig und selbstlos Literatur recherchiert und beschafft. Dr. Ralf Nielbock hat uneigennützig seine Fotos von extremer sommerlicher Luftschichtung zur Verfügung gestellt. Ich danke allen vier Kollegen sehr herzlich.

Literatur
BÖGLI, A. (1978):Karsthydrographie und physische Speläologie. – 292 S., Heidelberg (Springer)
FILIPPONI, M. (2003):Das Klima der Schrattenhöhle, Auswertung einer 10-jährigen Messreihe. – Semesterarbeit ETH Zürich, 53 S., Zürich, http://e-collection.ethbib.ethz.ch/show?type=semarb&nr=45
HARTMANN, R. (1982):Eissinterbildungen in der Jettenhöhle im Hainholz/Harz. – ArGe Karstkde. Niedersachsen e.V., Mitt., 1: 7–10
HARTMANN, R. (2004):Die wirbellose Fauna der Einhornhöhle, Südharz. – Mitt. Verb. dt. Höhlen- u. Karstforscher 50 (2): 54–56
KEMPE, S. (1989):Sinterschäden: Verursacht durch Permafrost oder Erdbeben? – Mitt. Verb. dt. Höhlen- u. Karstforscher 35 (1/2): 87–90
KEMPE, S. & ROSENDAHL, W. (2003):Speleothem damage in Central European Caves, a result of permafrost processes? – Proc. Climate Changes: the Karst Record III, 3rd Intern. Conf., Montpellier, France, 11th-14th May, 2003: 88–89
KYRLE, G. (1923):Grundriss der theoretischen Speläologie. – 353 S., 10 Taf., Speläolog. Inst. Bundeshöhlenkommission, Wien
MEISCHNER, D. (2001):Bericht über Grabungen in der Einhornhöhle bei Scharzfeld am Harz. – Mitt. Verb. dt. Höhlen- u. Karstforscher 47 (2):4–7
MEISCHNER, D. (2006):Das Blaue vom Himmel herunter – Warum ist die Blaue Grotte der Einhornhöhle im Harz blau? – Mitt. Verb. dt. Höhlen- u. Karstforscher, in diesem Heft
NIELBOCK, R. (1990):Die Einhornhöhle – ein quartärwissenschaftliches Kleinod im Südharz. – Mitt. Verb. dt. Höhlen- u. Karstforscher 36 (2): 24–27
NIELBOCK, R. (2002):Die Einhornhöhle – Forschungsstand und -perspektiven. – Abh. Karst- u. Höhlenkde. 34: 5–11
NIELBOCK, R. (2003, Webmaster):www.einhornhoehle.de
PAUL, J. & VLADI, F. (2001):Zur Geologie der Einhornhöhle bei Scharzfeld am südwestlichen Harzrand. – Ber. Naturhist. Ges. Hannover 143: 109–131
SAAR, R. (1957):Zur Frage des Einflusses der Großwetterlage auf die Dynamik der Wetterhöhlen. – Die Höhle 8: 33–44
TRIMMEL, H. (1968):Höhlenkunde. – 300 S., Braunschweig (Friedr.Vieweg & Sohn)
VLADI, F. (1979):Führer durch die Einhornhöhle bei Scharzfeld am Südharz. – Harzklub-Zweigverein Scharzfeld, 15 S., Scharzfeld. 2. Aufl., 31 S., 1984
VLADI, F. (2004):Ein geologischer Gang durch die Einhornhöhle. – Unser Harz 2/2004: 28–33
 


Abb. 5: Die Blaue Grotte in der Einhornhöhle bei Scharzfeld am Harz im Sommer bei heißem Wetter. Das durch die Decke einstrahlende Tageslicht wird an Luftschichten mit kondensiertem Wasser unterschiedlich stark gestreut. Oben: abgekühlte Tagesluft, starke Kondensation; Mitte: Schicht klarer Luft in Höhe der Spitze des Schuttkegels; unten: abgekühlte Höhlenluft, Kondensat wolkig. Die Schicht klarer Luft liegt horizontal, sie erscheint auf dem Foto in leichter Untersicht. Foto: Dr. Ralf Nielbock, Juli 2003.


Anschrift des Verfassers: Dr. Dieter Meischner, Professor für Geologie (em.), Am Weendelsgraben 6, 37077 Göttingen-Weende, Tel. 0551/32744, www.dieter-meischner.de


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