Höhlentour durch Jahrmillionen

Zwischenstopp im Dunkeln: Die Forschenden übertragen Daten eines Messgerätes in der Grotte de Milandre auf den Laptop. | Gian Marco Castelberg

Die verrostete Eisentür steht einsam und deplatziert im Wald. Sie öffnet sich zu einem betonierten Gang mit einer Treppe, die steil nach unten führt. Für einen Laien sieht es aus wie die Pforte zur Hölle. Für die Geochemikerin und Klimawissenschaftlerin Franziska Lechleitner der Universität Bern ist es das Tor zu einer Schatzkammer des Wissens.

Das auf den ersten Blick furchterregende Loch trägt den Namen Grotte de Milandre. Die am besten untersuchte Tropfsteinhöhle Europas befindet sich ausserhalb von Boncourt am äussersten Nordwestzipfel der Schweiz. In ihren Tropfsteinen ist die Klimageschichte der letzten 100 000 Jahre gespeichert. «Ich versuche die Informationen aus dem Stein herauszuholen und so das Klima der Vergangenheit zu rekonstruieren», sagt Lechleitner. «Das hilft uns letztlich auch zu ­verstehen, welche Umweltveränderungen mit der gegenwärtigen Klimaveränderung auf uns zukommen.»

Doch die Höhle gibt ihre Geheim­nisse nicht freiwillig preis. Mit Helm, Stirnlampe und einem wasserdichten Anzug zwängt sich Lechleitner auf allen vieren durch Gänge, die nur knapp einen halben Meter hoch sind. Der Untergrund besteht aus reinem Lehm, der mit dem Tropfwasser eine schmierseifenartige Konsistenz bekommt. Den braunen Anstrich von Kopf bis Fuss gibt es zu ihrer Forschungsexpedition quasi gratis obendrauf. Dabei ist das noch das Harmloseste.

Denn Höhlen sind gefährliche Arbeitsplätze. Wer auf den glitschigen Steinen ausrutscht und sich das Bein bricht, bleibt hier unten stecken. Dann ist eine ausgedehnte Rettungsaktion mit Dutzenden von Helfern nötig, damit die verunfallte Person das Tageslicht wiedersehen kann.

Probe tropft aus Stalaktit

Darum befindet sich Lechleitner in Begleitung ihrer Doktorandin Sarah Rowan, die Klimawissenschaften studiert, sowie von Marc Lütscher, Paläoklimatologe beim Schweizerischen Institut für Speläologie und Karstforschung. Er koordiniert die Forschungsaktivitäten von verschiedenen Hochschulen hier unten. Für die Tour hat er sich ein CO₂-Warngerät angesteckt. «Das Gas kann manchmal schnell ansteigen. Bei zwei Prozent müssen wir raus. Ab drei Prozent wird es lebensbedrohlich», sagt er. Im Moment ist aber alles noch im grünen Bereich.

Heute geht es darum, Wasser- und Luftproben zu sammeln. Nach einer Viertelstunde erreicht Lechleitner einen kleinen Tropfstein von der Grösse eines Schweineschwänzchens. Von dessen Spitze löst sich im Sekundentakt ein Wassertropfen. Sie hält das Probenröhrchen darunter und füllt es. «Dieses Wasser enthält den chemischen Finger­abdruck der heutigen Umwelt», sagt sie.

Um das zu verstehen, muss man sich den Weg eines Tropfens vergegenwärtigen: Er wächst in einer Wolke und fällt aus ihr heraus. Auf seinem Weg nach unten nimmt er Kohlendioxid aus der Atmosphäre auf. Ein Teil davon bleibt als Gas in ihm gelöst. Ein anderer wandelt sich zu Kohlensäure um. Schliesslich klatscht er auf den Boden und sickert durch die Erde.

Luft mit Ballon sammeln

Aus der Atmungsaktivität von Pflanzenwurzeln, Bakterien, Pilzen, Würmern und anderen Bodenlebewesen kommt weiteres Kohlendioxid dazu. Noch etwas mehr Kohlensäure bildet sich im Tropfen. Dann erreicht er das Grundgestein, den Jurakalk. «Die Säure reagiert mit dem Kalk und löst ihn auf. Durch diesen Prozess ist diese Höhle überhaupt erst entstanden», sagt Lechleitner.

Schliesslich sickert der Tropfen durch einen der unzähligen Risse im Gestein in das Höhleninnere, rutscht erst über den Stalaktiten an der Decke und landet danach auf den Stalagmiten darunter. Dort fällt während der Reise gesammelter Kohlenstoff als Kalk aus. Das Gemisch aus Kohlendioxidgas, Kohlensäure und Kalk wird zu Stein.

Inzwischen macht sich Doktorandin Rowan an einem länglichen Ballon zu schaffen. Die erste Luftprobe ist fällig. Rowan kniet in einem schmalen Stollen. Hier weht eine milde Brise. Diese kommt zustande, weil die zehn Grad warme Luft in der Höhle aufsteigt wie in einem Kamin. Von aussen fliesst null Grad kalte Winterluft nach.

Rowan hängt den Ballon an einen Schlauch an, der ein paar Meter von ihr wegführt. «Ich will die eingesammelte Luft nicht mit meiner Atemluft kontaminieren», erklärt sie ihr Vorgehen. Als zusätzliche Vorsichtsmassnahme steht sie windabwärts, während sie die Probe nimmt. Fünf Liter haben im Ballon Platz. Er besteht aus einem dicken Kunststoff, damit er die Reise zurück an die Oberfläche übersteht.

Stalagmiten wachsen nach oben und Stalaktiten hängen an der Decke: In der Höhle Milandre bei Boncourt (JU). | Fotos: Gian Marco Castelberg

Die Forschenden essen in einer Hütte neben dem Höhleneingang zu Mittag. An der Wand hinter ihnen hängt die Karte der unterirdischen Gänge.

Marc Lütscher, Paläoklimatologe beim Schweizerischen Institut für Speläologie und Karstforschung, macht sich bereit für den Einstieg.

Überlebenswichtig: Das Messgerät schlägt hier gerade wegen zu hoher CO₂-Konzentration Alarm.

Franziska Lechleitner, Klimawissenschaftlerin von der Universität Bern, nimmt eine Wasserprobe an einem Stalaktiten.

Auch die Höhlenluft beeinflusst die chemische Zusammensetzung des Wassertropfens. Später werden die Forscherinnen ausserhalb der Höhle weitere Wasser- und Luftproben aus dem Boden und dem Jurakalk nehmen. «Die Proben können wir im Labor vergleichen. So wissen wir, was mit Luft und Wasser chemisch auf dem Weg in die Höhle passiert», sagt Lechleitner.

Warngerät heult

Dabei ist sie vor allem am Kohlenstoff interessiert. Ein Teil von ihm besteht aus dem radioaktiven C14. Dieses wird in der Archäologie oft für Datierungen verwendet. Es bildet sich in der oberen Atmosphäre durch die Einwirkung von kosmischer Strahlung. Eingelagert in Holz, Kalk, Knochen oder anderen Stoffen, zerfällt innert 5730 Jahren jeweils die Hälfte davon, bis nichts mehr von ihm übrig ist. Damit ist es wie eine natürliche Uhr, die das Alter von Gegenständen anzeigt. Der Kohlenstoff aus der Atmosphäre wird zu Kalk und somit Teil des Stalagmiten. «Durch die C14-Analyse können wir das Alter des Kohlenstoffs im Stalagmiten in verschiedenen Wachstumsphasen bestimmen», sagt Lechleitner.

Das allein sagt aber noch nichts über das Klima aus. «Darum halten wir nach zeitlichen Anomalien Ausschau.» Die gibt es reichlich, denn das mit C14 ermittelte Alter eines Stalagmiten erscheint immer höher als sein wahres Alter. Lechleitner weiss das, weil sie das Alter der Tropfsteine noch mit anderen Verfahren misst. Diese basieren auf dem radioaktiven Zerfall von Uran und Thorium. Sie hat also zwei Uhren, die sie miteinander vergleichen kann.

Die Unterschiede zwischen den beiden Methoden haben mit dem Klima in der jeweiligen Epoche zu tun. «Wenn es eher kühl war, verweilte der Kohlenstoff länger im Kreislauf der Natur, bevor er im Stein eingelagert wurde.» Wie eine Eislandschaft, in der das Wasser nur sporadisch abschmilzt und im Boden versickert. «Während dieser Zeit baut sich das C14 fortwährend ab», erklärt Lechleitner. Es wird am Ende also weniger C14 im Stalagmiten eingelagert, und dieser erscheint älter. «Bei wärmerem Klima versickert das Wasser schneller, und C14 wird schon nach ein paar Tagen im Tropfstein eingebaut.» Hier stimmen die beiden Uhren also besser überein.

Im Moment ist die Ummünzung von Messungen auf den Zustand vergangener Ökosysteme noch ziemlich vage. «Darum nehmen wir Wasser- und Luftproben. Wir vergleichen die Messwerte mit den Klimadaten von heute und sehen so, wie Klima und Wasser-Chemie zusammenhängen.» Das Gas-Warngerät beginnt zu heulen. Der CO₂-Gehalt hat 1,7 Prozent erreicht. Das ist bereits über vierzig Mal so viel wie in der Aussenluft. «Das geht noch», meint Lütscher trocken. Der Alarm ist eine Erinnerung daran, dass die Arbeit hier unten gefährlich ist und man den Kopf bei der Sache haben muss.

Doktorandin Sarah Rowan nimmt eine Probe Höhlenluft mit einem speziellen Ballon. | Fotos: Gian Marco Castelberg

An manchen Stellen geht es in der jurassischen Höhle Milandre nur auf allen vieren weiter.

Austausch im Büro unter Tage.

Den oberen Teil dieses Stalagmiten hat Projektleiterin Franziska Lechleitner abgebrochen, um ihn auf Klimaschwankungen zu untersuchen. Dies geschieht sehr selten: Was Tausende Jahre gewachsen ist, soll nicht kaputtgemacht werden.

Der Temperaturlogger samt Batterie bleibt unten. Alles muss wasserdicht verpackt sein, da die Höhle zeitweise ganz unter Wasser steht.

Gesteinsproben werden heute keine genommen. Hier ist ohnehin Zurückhaltung geboten. «Das Thema Stalagmiten-Beprobung ist hochemotional. Viele sagen, man soll bloss nichts beschädigen», sagt Lütscher. Rechtlich bewege man sich dabei in einer Grauzone. Wer eine Probe eines Stalagmiten mitnehmen möchte, muss das zwar nicht vor eine Ethikkommission bringen. Diese kommt nur bei lebenden Organismen zum Zug. «Zurzeit werden aber in verschiedenen Kantonen juristische Grundlagen dazu formuliert, damit Höhlen und andere geologische Aufschlüsse besser geschützt sind», sagt Lütscher.

Lechleit­ner ergänzt: «Es gibt generell zu wenig Bewusstsein dafür, dass dies schützenswerte Orte sind.» Hier unten könne etwas kaputt­gemacht werden, das Tausende von Jahren brauchte, um zu wachsen. Sie selbst habe für ihre Arbeit einmal einen kleinen Stalagmiten abgebrochen. Das ist für die Altersbestimmungen unumgänglich. Aufwändig ist die Entnahme nicht. Man benötigt dazu lediglich einen Hammer und einen Meissel. «Wir versuchen jedoch immer, so wenig wie möglich zu sammeln.» Es gehe auch darum, dieses in Stein angelegte Archiv des Wissens für zukünftige Generationen von Forschenden zu erhalten. Denn eines Tages lässt sich vielleicht noch viel mehr aus dem Stein herauslesen als nur das Klima längst vergangener Zeiten.