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Zustandsänderung der Höhlenwetter

Die Entscheidung, ob die Zustandsänderung adiabatisch oder isotherm erfolgt, ist von großer Bedeutung für den Energiehaushalt der Höhle und damit auch für das Höhlenwetter. Es ist schließlich ein Unterschied, ob die Wärme in der Luft gespeichert bleibt (adiabatisch) oder ob sie an die Umgebung abgeführt wird (Eisdegeneration!).

Als System wird nach wie vor das Höhlenwetter, und als Umgebung die freie Atmosphäre, das Deckgebirge sowie der feste und flüssige Höhleninhalt angesehen.

Im Winter dringt die Kaltluft in die Höhle und steigt auf, wobei sie mit zunehmenden Höhe eine Druckentlastung erfährt. Die dabei von der Luft verrichtete Arbeit und die dazu erforderliche Wärme, die umgesetzt werden muss, lässt sich berechnen und wird als trockenadiabatischer Temperaturgradient bezeichnet. Er beträgt -0,98 °C/100 m, d.h. Luft kühlt sich beim Aufstieg um 100 m um knapp ein Grad ab (nicht mit dem geometrischen Temperaturgradienten verwechseln) (LILJEQUIST 1970: 85ff). Im Winter müßte die Luft am Ende des Riesenkamins um rund 2 °C kälter sein als am Eingang. Das Gegenteil ist jedoch der Fall, da nämlich Wärme vom Gestein an die Höhlenwetter abgegeben wird. Die Zustandsänderung ist somit isotherm und die Höhle keinesfalls ein isoliertes System.

Wäre sie adiabatisch, könnte die Wetterführung nicht funktionieren! Würde sich die Tagluft im Winter in der Höhle weiter abkühlen, was die trockenadiabatische Expansion fordert, käme praktisch eine Dichtezunahme und infolge dessen auch keine Wetterführung zustande! Im Sommer oben angesaugte Luft würde sich adiabatisch komprimiert erwärmen (statt abzukühlen!) und der Ansaugung durch die geringe Dichte Widerstand leisten.

Bei der Messreihe vom 24.3.1984 wurde eine Windgeschwindigkeit im Gaudischluf von tex2html_wrap1065 ermittelt, was bezogen auf den Gangquerschnitt einem Luftdurchsatz von rund tex2html_wrap1066 entspricht. Bei 101300 Pa Luftdruck, 4 °C und 0 % relativer Feuchte folgt daraus ein Massendurchsatz von tex2html_wrap1177. Die Luft wird dabei von -11 °C auf +4 °C bei Erreichen der temperaturkonstanten Zone erwärmt. Die spezifische Wärmekapazität von Luft beträgt tex2html_wrap1178 (KUSCH 1989: 13), d.h. die Höhlenatmosphäre nimmt vom umgebenden Deckgebirge eine thermische Leistung von tex2html_wrap1179 auf.

Mit den vorhandenen Zahlen ist es sehr schwierig, abzuschätzen, welche Rolle der terrestrische Wärmestrom für den Energiehaushalt eines Riesenhöhlensystems spielt. Der Wärmestrom beträgt im globalen Schnitt tex2html_wrap1180 (KAPPELMEYER 1985: 435), in den Nördlichen Kalkalpen der Schweiz liegt er bei 70-80 tex2html_wrap1181 und gegen Österreich nimmt er auf tex2html_wrap1182 zu (pers. Mittl. M. LUETHI, ETH Zürich). Wenn man für das Deckgebirge um die Salzgrabenhöhle einen Wärmefluß von tex2html_wrap1183 annimmt und man sich den Wetterweg durch die Höhle als perfekt zylindrische Röhre von 3 m Durchmesser vorstellt, werden rein konduktiv pro Gangmeter 0,7536 W an die Höhlenatmosphäre abgegeben. Um die genannte Erwärmung um 15 °C hervorrufen zu können, müßte der Wetterweg über 3000 km lang sein! Das darf getrost als utopisch betrachtet werden. Für ein Bergwerk fand KAPPELMEYER (1985: 455) eine lineare Wärmeübertragung vom Gebirge an das Wetter in der Größenordnung von 0,1 kW pro Meter Streckenlänge. Auch hier müßte der Wetterweg immer noch über 20 km lang sein.

In der Höhle muss also eine um drei Zehnerpotenzen stärkere Energiequelle vorhanden sein, als die Erdwärme sie darstellt. Naheliegend ist, dass das Wasser, dessen spezifische Wärmekapazität mehr als viermal größer als jene von Luft ist, Wärme aus dem Aquifer in die durchlüfteten Höhlenteile abführt. Nicht vergessen werden darf auch, dass Wasser beim Gefrieren eine beträchtliche Erstarrungswärme (332,85 KJ * kg-1) abgibt, die sowohl vom Gestein als auch direkt vom Höhlenwetter aufgenommen wird. Natürlich kann auch die Erstarrungswärme allein den Energiehaushalt nicht aufrecht erhalten, da täglich mehr als 600 Tonnen Eis neu gebildet werden müßten. Dagegen genügt es bereits, rund 140 Liter Wasser pro Sekunde von 4 °C auf 0 °C herunterzukühlen, um allein dadurch die Wärmezufuhr an die Luft zu erklären. Die Schüttung ist im Winter zwar recht niedrig, aber die drei Effekte -terrestrischer Wärmefluß, Abkühlung von Wasser, Erstarrungswärme des Eises- addieren sich ja auf.

Im Sommer kehrt sich das Spiel um: Die warme Außenluft wird in der Höhle abgekühlt, d.h. der Höhle wird Energie zugeführt. Diese heizt das Karstwasser auf bzw. dient zum Schmelzen des Höhleneises. Die derzeit verfügbaren Klimadaten aus der Salzgrabenhöhle sind jedoch viel zu knapp, als dass überprüft werden könnte, ob die im Winter aus der Höhle abgeführte Energie von der Energiezufuhr im Sommer vollständig ausgeglichen wird oder ob ein langfristiger Abkühlungs- oder Erwärmungstrend vorliegt.


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