Dem CO2 auf der Spur

Rund zehn Prozent der Kontinentaloberfläche sind von Karstgestein bedeckt. Als Karstgesteine bezeichnet man wasserdurchlässige und leicht lösliche Gesteine, vor allem Kalkstein und Dolomit. Diese Gesteine sind von vielen Rissen, Spalten und Klüften durchzogen, die durch mechanische Beanspruchung, wie etwa die Hebung ganzer Gebirge, entstehen. Wenn es regnet, sickert das Wasser in den Boden ein. Dort reichert es sich mit CO₂ an, das bei der Zersetzung von Pflanzenresten durch Bodenbakterien entsteht. Dieses CO₂ verwandelt das Regenwasser in Kohlensäure. Sie greift den Kalkstein an und löst ihn langsam auf, insbesondere entlang der bereits vorhandenen Risse und Spalten. Wasser bewegt sich nämlich vornehmlich entlang dieser Hohlräume. Mit der Zeit werden diese Hohlräume immer größer und verbinden sich zu ganzen Höhlensystemen. Dieser natürliche Prozess, bei dem Gestein durch chemische Zersetzung abgebaut wird, wird Verkarstung genannt.

In der Folge setzt erneut Kalklösung ein, und die zuvor abgelagerten Tropfsteine werden angelöst,“ erklärt Leon Keim. In einem SimTech Projekt im Rahmen seiner Promotion untersucht er, wie das CO₂ sich in der Höhle verhält und wie der Gasaustausch in der Höhle mit der Atmosphäre und dem Wasser im Karstgestein stattfindet. Die Messungen finden in der Laichinger Tiefenhöhle auf der Schwäbischen Alb statt. Die Daten, die er dabei erhält, sind die Grundlage für Simulationsmodelle.

Die Höhlenluft hat durchschnittlich eine Temperatur von acht bis neun Grad Celsius, im Sommer wie im Winter. Im Sommer ist die Luft draußen meist wärmer als in der Höhle, im Winter oft kälter. Gas wird schwerer, je kälter es ist und je mehr CO₂ darin enthalten ist. Ist der Boden ausgetrocknet, drückt das Gas in die Höhle. Je nach Temperatur kann es durch die Bodenschicht dann auch wieder in die Atmosphäre entweichen. 

Physikalische Prozesse in der Höhle

Ist das CO₂ in Wasser gelöst, erhöht es dessen Dichte. Das Wasser wird schwerer und reichert sich an der Grenzfläche zwischen der vadosen und der phreatischen Zone an, also an der Grenzschicht zum Grundwasser. Dort strebt es weiter nach unten. Das führt dazu, dass sich fingerartige Strukturen aus CO₂-angereichertem Wasser im Grundwasser bilden, das sogenannte Fingering. Diese Finger wiederum sind der Grund, dass das CO₂ verstärkt ins Grundwasser gelangen kann. „Zu diesen Vorgängen unter Karstbedingungen fehlen jedoch zuverlässige Daten“, sagt Leon Keim. Dies herauszufinden, ist der Schwerpunkt seines Promotionsprojekts. 

Die Idee dazu lieferte der Geologe Harald Scherzer vom Höhlen- und Heimatverein Laichingen. Er vermutete schwankende CO₂-Werte in der Höhle, wollte es genauer wissen und wandte sich an Leon Keims Doktorvater, Professor Holger Class. Da die Ergebnisse nicht nur für die Höhlenforschung, sondern auch für Klimamodellierer oder die CO₂-Speicherung im Boden interessant sind, entstand daraus ein Forschungsprojekt.

Um den CO₂-Gehalt zu messen, wurde eine über sechs Meter hohe Messstation in die Laichinger Tiefenhöhle transportiert und aufgestellt. Sie bestand aus einer Wassersäule, einem sechs Meter langen Rohr, das sie mit Leitungswasser füllten. So imitierten sie einen Höhlensee und konnten den Gasaustausch mit dem Wasser messen. Innerhalb des Rohres waren Sensoren in 0,15 Meter und 5,6 Meter Tiefe befestigt, um den CO₂-Gehalt im Wasser zu messen.

Über dem Rohr waren Sensoren angebracht, die den CO₂-Gehalt in der Höhlenluft erfasst haben. Die Daten geben Aufschluss darüber, wie sich die CO₂-Konzentration im Wasser in verschiedenen Tiefen ändert – in Abhängigkeit von der CO₂-Konzentration in der Luft. Daraus kann man dann Vermutungen ableiten, unter welchen Bedingungen und in welchen Zeiträumen die Finger auftreten. 

Die aufgezeichneten Daten kann Leon Keim in seinem Büro an der Universität Stuttgart auswerten, da sie per Internet übertragen werden. Zusätzlich wurde die Temperatur in der Höhle gemessen und frei zugängliche Daten des Deutschen Wetterdienstes über die tägliche Niederschlagsmenge sowie die minimale, die maximale und die durchschnittliche Tagestemperatur verwendet und mit den Messdaten verknüpft.

Die Messungen in der Laichinger Tiefenhöhle begannen im April 2021 und dauern noch an. „Wir haben zunächst beschrieben, was wir beobachtet haben“, erzählt Leon Keim. „Wir haben zum Beispiel gesehen, dass in jedem Frühjahr die CO₂-Konzentration tendenziell eher gering ist und den Sommer über ansteigt. Im Sommer 2021 hatten wir eine sehr hohe CO₂-Konzentration, in den beiden Folgejahren war das nicht so und 2024 war sie dann wieder sehr hoch. Da fragen wir uns natürlich, warum ist das so?“

CO₂-Werte in der Laichinger Tiefenhöhle

In den Wintermonaten bis zum Frühsommer, also in trockenen und kalten Perioden, wurde generell eine niedrigere CO₂ Konzentration gemessen als im Sommer und Herbst. In Zeiten mit hohen Niederschlägen wurden auch Spitzenwerte bei der CO₂-Konzentration in der Höhlenluft erreicht. Da im Winter die Außentemperatur niedriger war als die in der Höhle, war die Luft außen schwerer und drängte nach innen.

Trocknete die obere Bodenschicht aus, konnte ein Gasaustausch zwischen Höhlen- und Atmosphärenluft stattfinden und es kam zu einem Abfall der CO₂ Konzentration. Im Sommer war die CO₂ Konzentration tendenziell höher. Die besonders stark gestiegene Konzentration im Spätsommer und Frühherbst 2021 interpretierten die Wissenschaftler*innen als Folge eines relativ feuchten Sommers gefolgt von einer extrem trockenen Periode.

In Perioden mit hohem Niederschlag und wenn das CO₂ eine Zeit lang im Karstsystem gespeichert war, pendelte sich die Konzentration bei 15.000 ppm (parts per million) ein. Dieser Gleichgewichtswert stellte sich wiederkehrend in der Höhlenluft ein.   

Mobilität des CO₂-Gases im Karstsystem

Die Frage war zudem, ob auch die Besucher*innenströme im Sommer – die Laichinger Tiefenhöhle ist von April bis Oktober eine Schauhöhle - die CO₂-Konzentration erhöhen. Aus den Tagesschwankungen war das tatsächlich ersichtlich, die Ausschläge in den Messkurven sind jedoch gering und auf der Skala im Jahresverlauf deshalb vernachlässigbar. Interessant war für die Wissenschaftler*innen jedoch die Beobachtung rund um den 5. März 2023. An dem Tag fand eine Großübung der Höhlenrettung Baden-Württemberg statt, bei der eine aktive Belüftung bis hinunter zur Messstation in einem benachbarten Schacht eingebaut wurde. Die CO₂-Konzentration sank dadurch deutlich. Diese Daten könnten für weitere Studien noch von Bedeutung sein.

Auch bei der Messung des Gasaustauschs mit dem Wasser haben die Wissenschaftler*innen überraschende Beobachtungen gemacht. Holger Class und seine Kolleg*innen haben die Ergebnisse bereits 2023 dokumentiert. So konnten sie feststellen, dass in geringen Wassertiefen die gleichen Schwankungen in der Konzentration auftraten wie in der Höhlenluft, wenn auch nicht so stark. Wenn CO₂ im Wasser gelöst wird, erhöht es dessen Dichte und sinkt nach unten. In einem Meter Tiefe reichen jedoch kleinste Störungen, zum Beispiel minimale Temperaturunterschiede oder kleine Erschütterungen, noch aus, damit das CO₂ wieder in die Gasphase gelangen kann, das heißt zurück in die Höhlenluft.

In größeren Wassertiefen dagegen war die CO₂ Konzentration hoch. In 5,85 Meter Tiefe wurde ein Spitzenwert erreicht. Das einmal abgesunkene CO₂ war dort gefangen, das heißt, es stieg nicht wieder nach oben. Große Wassertiefen sind deshalb eine sehr effiziente und permanente Falle für CO₂, sofern es keine nennenswerten Durchmischungen gibt. „Unseres Wissens nach ist dies das erste Mal, dass die Mobilität von CO₂ im ruhenden Wasser in einer Höhle modelliert wurde“, erzählt Leon Keim. Die Datensätze stehen anderen Wissenschaftler*innen und Modellier*innen für ihre eigene Forschung zur freien Verfügung.

Die slowenischen Wissenschaftler*innen lieferten hier schon wichtige Ergebnisse, in einem Teil der Höhle wurde jedoch eine Verteilung von CO₂ festgestellt, die man sich noch nicht erklären kann. Hier sollen Simulationen helfen, die Prozesse aufzudecken. 

In Zusammenarbeit mit Forschenden der Universität Bordeaux wollen die Stuttgarter Wissenschaftler*innen auch hier untersuchen, wie sich das CO₂ in der Höhle bewegt. Dabei können sie auf die Vorarbeiten der französischen Wissenschaftler*innen aufbauen. „Am Ende wollen wir dazu beitragen, besser zu verstehen, welche Prozesse zu welchen Effekten in den Höhlen führen und wie sich auch der Klimawandel auf die Höhlen auswirkt“, erklärt Leon Keim.

Manuela Mild | SimTech Science Communication