Windmessung im Loferer Schacht

Autor: Jochen Hartig, DAV Höhlengruppe Frankfurt/Main, 2008


Inhaltsverzeichnis

   1. Zusammenfassung
   2. Einleitung
   3. Datenerhebung
   4. Messungen im Loferer Schacht
   5. Messungen im Kristallcanyon
   6. Windsysteme der Loferer Steinberge
   7. Danksagung
   8. Literaturverzeichnis 
   Bauanleitung Langzeit-Windmesser 
   Datenlogger Version 2


1. Zusammenfassung

Im Zeitraum von September 2006 bis September 2007 wurden im Loferer Schacht (Kat.-Nr. 1323/42) und im Kristallcanyon (Kat.-Nr. 1323/127) kontinuierliche Wind- und Temperaturmessungen durchgeführt. Durch den Vergleich mit den Lufttemperaturen nahegelegener Wetterstationen und unter Berücksichtigung der winterlichen Schneeverhältnisse konnten jahreszeitliche Windsysteme nachgewiesen werden.

Für die für zwölf Monate angesetzten stündlichen Messungen der Höhlenwinde wurden zwei vom Autor selbst entwickelte Langzeit-Windmesser eingesetzt und erprobt. Der Windmesser im Loferer Schacht lieferte ausgezeichnete Messwerte, deren Auswertung nachfolgend dargestellt wird. Vom zweiten Windmesser im Kristallcanyon wurden, wegen einer beim Transport herausgefallenen Speicherkarte, keine Werte aufgezeichnet. Dieser Verlust konnte aber durch sehr aussagekräftige Temperaturdaten ausgeglichen werden.

1. Abstract

In the period from September 2006 to September 2007, a continuous measurement of wind and temperature was conducted in the Loferer Schacht (Kat.-Nr. 1323/42) and the Kristallcanyon cave (Kat.-Nr. 1323/127). After taking into account the snow conditions, the comparison of these data with the air temperature recorded by a nearby weather station demonstrates seasonal wind cycles.

Two anemometers developed by the author were installed and used to take hourly readings of the cave winds during the twelve month period. The anemometer installed in the Loferer Schacht provided excellent data, which are analyzed in this article. The second anemometer, installed in the Kristallcanyon, lost a memory card during transport and no data were recorded. However, this loss was balanced by the successful recording of very meaningful temperature data.


2. Einleitung

2.3 Motivation

In der Saison 2004 / 2005 wurden im Loferer Schacht zwei ganzjährige Temperaturmessungen durchgeführt, eine in der Schachtzone nahe des Eingangs, die andere in der horizontalen Höhlenetage in -600 m Tiefe. Aufgrund der Daten der Messreihen in den beiden Höhlenzonen, wird von zwei unabhängigen Windsystemen ausgegangen (vergl. Hartig, J., 2005).

Zur genaueren Untersuchung des einen Windsystems, wurden in der Saison 2006 / 2007 im Loferer Schacht eine ganzjährige Höhlenwind- und Temperaturmessungen durchgeführt. Messpunkt 1 befindet sich im Schachtsystem des Loferer Schacht nahe des Eingangs bei -60 m, wo wegen der Luftzirkulation und des Wassereintrags eine starke Abhängigkeit von der Umgebung besteht (siehe Abb. 1).

Um die Wetterführung mit einer benachbarten, womöglich ähnlich ausgeprägten Höhle zu vergleichen, wurden im Kristallcanyon ebenfalls Höhlenwind- und Temperaturmessungen angesetzt. Messpunkt 2 liegt im fossilen Teil des Kristallcan-yons in -150 m Tiefe.

Abb. 1: Schnitt Loferer Steinberge (SW – NO)

Zielsetzung des Unternehmens ist es, durch die Auswertung der aufge-zeichneten Temperaturverläufe und Windverhältnisse sowie durch Vergleich mit den Lufttemperaturen nahegelegener Wetterstationen, Wind-systeme der Loferer Steinberge und deren jahreszeitliche Abhängigkeit zu beschreiben.

Höhlenwinde können u. a. durch barometrische Ungleichgewichte (barometrische Luftzirkulation) und Temperaturunterschiede (konvektive Luftzirkulation) entstehen (vergl. Filipponi, M., 2003, S. 10). Während die barometrische Luftzirkulation die kurzfristigere und schwächere Komponente darstellt, kann konvektive Luftzirkulation über mehrere Tage anhalten. Im Höhleninnern ist die Luftdichte mehr oder weniger konstant. Durch die großen täglichen und jährlichen Schwankungen der Lufttemperatur vor den Höhleneingängen und der damit verbundenen Änderung der Luftdichte entstehen konvektive Höhlenwinde. Im Winter steigt die relativ wärmere und damit leichtere Höhlenluft nach oben, im Sommer sinkt die relativ kalte, schwere Höhlenluft nach unten.

2.1 Loferer Schacht

Der Loferer Schacht befindet sich in den Loferer Steinbergen (Land Salzburg, Österreich) und wird seit 1990 von der Höhlengruppe des Deutschen Alpenvereins Sektion Frankfurt/Main (www.caverender.de) erforscht. In jährlich stattfindenden Forschungsexpeditionen konnte der Loferer Schacht bis zu einer Gesamttiefe von -806 m befahren und vermessen werden. Mit einer Gesamtlänge von 7801 m ist der Loferer Schacht mit Abstand die größte Höhle der Loferer Steinberge.

Zwei Charakteristika prägen den Loferer Schacht: das Schachtsystem, welches von den drei, eng beieinander liegenden Eingängen (Höhe 2200 m) nahezu senkrecht bis auf -600 m führt und eine großräumige Höhlenetage, die sich auf -600 m fast 1000 m von SW nach NO entlang einer Störungszone und parallel zum Einfallen der Schichten des Dachsteinkalks erstreckt.

Das westliche Schachtsystem des Loferer Schachts wurde in den Jahren 1983 und 1984 von polnischen Höhlenforschern aus Krakau entdeckt und vermessen (siehe Ciszewski, A. & Klappacher, W., 2007). Die DAV Höhlengruppe Frankfurt/Main unternahm 1990 und 1991 eine Neuvermessung bis in die Tiefe von -655 m. Beim Materialausbau 1992 wurde auf -106 m der Abzweig in das östlich gelegene "Frankfurter System" entdeckt, das zwischen 1993 und 2000 bis auf -707 m erforscht werden konnte (vergl. Höhlenbeschreibung Hartig, J. et al., 2003). In den Jahren 2001 bis 2007 wurde vom Horizontalsystem ausgehend eine Tiefe von -796 m erreicht.

Am Südhang des Gebirges wird auf ca. 2000 m eine Verbindung des Horizontalsystems zur Außenwelt vermutet. Bei einer in 2006 durchgeführten Außenvermessung mit Hilfe von GPS konnte in sehr steilem Gelände eine Annäherung bis auf 225 m zum nächsten vermessenen Höhlenteil erreicht werden. Hier existiert eine ausgeprägte Störungs-zone, deren Kluftsystem allerdings nicht passierbar ist.

Der seit 1983 bekannte Reifhornschacht E3 (Kat.-Nr. 1323/63), der sich ca. 15 m westlich des höchstgelegenen Eingang des Loferer Schachts befindet, konnte 2006 an den Loferer Schacht angebunden werden. Aus der erreichten Höhe von +10 m über dem Eingang ergibt sind eine Gesamttiefe von -806 m. (siehe Hartig, J., 2007)

2.2 Kristallcanyon

Der Eingang des Kristallcanyons befindet sich ca. 1200 m nordöstlich des Loferer Schachts auf einer Höhe von ca. 1800 m und wurde 2005 von der DAV Höhlengruppe Frankfurt/Main entdeckt. In den Jahren 2006 und 2007 erfolgte die Erforschung und Vermessung auf einer Länge von 463 m und bis zur einer Tiefe von -228 m.

Wie der Loferer Schacht orientiert sich auch der Kristallcanyon an einer, für die Loferer Steinberge typisch verlaufenden Störungen von SW nach NO. Der Kristallcanyon liegt in der gleichen Störung wie der 754 m tiefe Schaurige Schacht (Kat.-Nr. 1323/57) und ca. 250 m nordwestlich der parallel verlaufende Störung des Loferer Schachts.


3. Datenerhebung

In der Saison 2006 / 2007 wurden im Loferer Schacht und im Kristallcanyon stündliche Höhlenwind- und Temperaturmessungen durchgeführt. Für die weitere Analyse wurden die Daten folgender Messgeräte bzw. Wetterstationen genutzt (siehe Tab. 1).

Messpunkt

Messung

Von

Bis

Bemerkung

Loferer Schacht, 1323/42, Messpunkt 1, -60 m

Wind

04.09.2006

31.07.2007

Batterie nach 11 Monaten verbraucht

Loferer Schacht, 1323/42, Messpunkt 1, -60 m

Temperatur

04.09.2006

19.09.2007

Vollständiger Datensatz

Kristallcanyon, 1323/57, Messpunkt 2, -150 m

Wind

-

-

Speicherkarte beim Transport verloren

Kristallcanyon, 1323/57, Messpunkt 2, -150 m

Temperatur

07.09.2006

06.07.2007

Vollständiger Datensatz

Wetterstation Loferer Alm, Höhe 1623 m

Lufttemperatur

04.09.2006

19.09.2007

Vollständiger Datensatz

Tab. 1: Datenerhebung

3.1 Langzeit-Windmesser

Die eingesetzten Langzeit-Windmesser (siehe Abb. 2) sind eine Eigenentwicklung. Als Windmesser wurde ein modifizierter Flügelradanemometer Skywatch Xplorer1 (www.jdc.ch) eingesetzt. Durch den Stromsparmodus ist ein einjähriger Betrieb mit sechs AA Lithium-Batterien möglich (vergl. Bauanleitung Langzeit-Windmesser, Hartig, J., 2006).

Abb. 2: Langzeit-Windmesser

3.2 Temperaturlogger

Zur Messung des Temperaturverlaufs wurde der Temperaturlogger M-Log 1 der Firma GeoPrecision (www.geo-precision.com) eingesetzt. Mit dem robusten und wasser-dichten Gerät können bis zu 125.000 Temperaturwerte mit einer Auflösung von 0,01 °C und einer Genauigkeit von 0,05 °C gespeichert werden. Der Startzeitpunkt der Messung und der Messzyklus (5 s bis 12 h) sind einstellbar. Mit einer Lebensdauer der Lithium-Batterie von bis zu fünf Jahren ist ein mehrjähriger Einsatz im Hochgebirge bzw. in Höhlen problemlos möglich (siehe Abb. 3).

Abb. 3: Temperaturlogger

3.3 Wetterstationen

Die benötigten Daten von Wetterstationen wurden vom Datenservice des Deutschen Wetterdienstes (www.dwd.de) zur ausschließlichen Verwendung für Forschung und Lehre zur Verfügung gestellt.

Die dem Loferer Schacht am nächsten gelegene Wetterstation ist die Station Loferer Alm (DWD11139, Höhe 1623 m). Von dieser Wetterstation liegen stündliche Daten zu Lufttemperatur, Niederschlagshöhe, Windrichtung und -geschwindigkeit sowie Luftdruck vor.


4. Messungen im Loferer Schacht

Die im Loferer Schacht an Messpunkt 1 (-60 m) gemessenen Temperaturen liegen im Messzeitraum zwischen 0,25 und 3,2 °C. Die Tagesdurchschnittswerte korrelieren über längere Perioden sehr gut mit den Außentemperaturen, dagegen wird untertägig keine signifikante Abhängigkeit beobachtet.

Wie bereits in der Saison 2004 / 2005 kann aufgrund des Vergleichs der stündlichen Messwerte der Höhlentemperatur mit den Lufttemperaturen der Wetterstation Loferer Alm eine komplexe Abhängigkeit von lokalen Faktoren angenommen werden. Diese sind u. a. die Außentemperatur im näheren Bereich des Eingangs, der Wassereintrag durch Niederschlag und Schmelzwasser sowie die Stärke der Oberflächen- und Höhlenwinde.

Anhand der mehrere Monate relativ konstant bleibenden Tagesdurchschnittstemperaturen im Loferer Schacht, lässt sich zumindest eine grobe Aussage über die Dauer des winterlichen Schneeverschlusses machen (siehe Abb. 4, Schneeverschluss von Anfang Januar bis Mitte Juni 2007). Durch die nachfolgende Auswertung der durchgeführten Windmessung wird dieser Zeitraum weiter konkretisiert.

Abb. 4: Temperaturmessung im Loferer Schacht

Die Windmessung am Messpunkt 1 wurde an einer Engstelle mit einem Querschnitt von ca. 2 m² durchgeführt. Die gemessenen Windgeschwindigkeiten (siehe Abb. 5) liegen im Messzeitraum zwischen 7,25 km/h abwärts und 10 km/h aufwärts. Windgeschwindigkeit und -richtung sind keineswegs konstant, es treten vielmehr ca. 30 mal, mehrere Stunden bis Tage andauernde Winde auf, deren Verteilung jahreszeitlichen Schwankungen unterliegen.

Abb. 5: Windmessung im Loferer Schacht

Im Sommer treten vorwiegend Abwinde auf, die in Summe über einen Zeitraum von 30,9 Tagen gemessen wurden. In Gegensatz dazu konzentrieren sich die wesentlich kürzeren Aufwinde im Herbst, die in Summe über einen Zeitraum von 7,4 Tagen beobachtet wurden. Im Winter und Frühjahr sind wegen des Schneeverschlusses keine Winde nachweisbar (siehe Abb. 6).

Abb. 6: Häufigkeit der Windsysteme

Besonders aufschlussreich ist die Gegenüberstellung der Windmessungen mit den Lufttemperaturen an der Wetterstation Loferer Alm (siehe Abb. 7). Aufwinde treten
überwiegend in Zusammenhang mit Temperaturstürzen auf. Beispielsweise erreicht der Aufwind seinen Maximalwert von 10 km/h, als um dem 30.10.2006 die Temperatur innerhalb von 42 Stunden um 22 °C bis weit unter den Gefrierpunkt sank.

Für das Auftreten von Abwinden sind hohe Außentemperaturen erforderlich. Grob kann man davon ausgehen, dass ein Abwind dann auftritt, wenn die Tagesdurchschnittstemperatur über die mittelfristige Trendtemperatur ansteigt.

Abb. 7: Vergleich Windmessung mit Außentemperatur

Die Auf- und Abwinde wirken sich direkt auf die gemessenen Temperaturen am Messpunkt 1 in -60 m aus. Die Abwinde transportieren warme Umgebungsluft in den Loferer Schacht, Aufwinde ziehen kühle Luft aus tiefer gelegenen Öffnungen an (siehe Abb. 8). Die im Schnitt kleineren Amplituden der Aufwinde bestätigen den Einfluss konvektiver Luftzirkulation.

Abb. 8: Vergleich Windmessung mit der Temperatur in -60m

IIm Falle eines Sturzes der Außentemperatur unter die durchschnittliche Höhlentemperatur von 1,5 °C, entsteht typischerweise ein im Schnitt ca. 13 Stunden anhaltender Aufwind. Die in der Regel mit einem Temperatursturz einhergehende Abnahme des Luftdrucks weist auf barometrische Luftzirkulation hin, wobei der Vergleich mit dem, an den Wetterstationen gemessenen Luftdruck noch nicht durchgeführt wurde (siehe Abb. 9).

Das Verhalten bei hohen Temperaturen ist dagegen stabiler. Die kältere und schwerere Höhlenluft sinkt nach unten, wobei die Abwinde im Schnitt ca. 53 Stunden anhalten. Die Windstärke verhält sich proportional zur Außentemperatur und bestätigt eine konvektive Luftzirkulation. Die Temperatur in -60 m steigt durch den andauernden Eintrag warmer Umgebungsluft sukzessive an.

Abb. 9: Schematische Darstellung des typischen Wind- und Temperaturverhalten


5. Messungen im Kristallcanyon

Im Kristallcanyon wurde am Messpunkt 2 (-150 m) ein vom Loferer Schacht völlig abweichender Temperaturverlauf gemessen (siehe Abb. 10). Die Temperaturen liegen im Messzeitraum zwischen 0,24 und 1,4 °C. Die im Frühjahr und Sommer relativ konstante Temperatur um ca. 1 °C deutet für diese Jahreszeit auf ein von der Oberfläche unabhängiges großes Windsystem hin.

Abb. 10: Temperaturmessung im Kristallcanyon

Mit dem Auftreten der ersten Fröste bzw. Schneefälle Ende Oktober 2006 sinkt die Temperatur im Kristallcanyon bis auf das Minimum von 0,24 °C ab, was auf einen kalten lokalen Windeintrag schließen lässt.

Die Messungen zwischen dem 21.01.2007 und 09.04.2007 weisen auf einen vollständigen Schneeverschluss im Umfeld des Kristallcanyons hin. In diesem Zeitraum verhalten sich die Temperaturen im Kristallcanyon exakt gegensätzlich zu den Außentemperaturen der Wetterstation Loferer Alm. Ein Absinken der Außentemperatur um z. B. 10 °C ruft einen Anstieg der Höhlentemperatur um ca. 0,50 °C hervor und umgekehrt.

Die Aufzeichnung der Windmessungen an Messpunkt 2 ist aufgrund einer beim Transport herausgefallenen Speicherkarte leider misslungen. Daher kann nur vermutet werden, dass das beobachtete Phänomen auf einen, durch Konvektion hervorgerufenen „Kamineffekt“ zurückzuführen ist, der im Kristallcanyon einen warmen Aufwind aus dem Tal hervorruft. Je tiefer die Außentemperatur sinkt, desto stärker ist der Wärmetransport des Aufwinds. Der über drei Monate andauernde Kamineffekt ist lediglich unter einer absolut geschlossenen Schneedecke möglich, wobei die Luft in den steilen Flanken des Gipfelbereichs wieder austritt. Mit der Schneeschmelze und der damit verbundenen Öffnungen von Klüften, bricht der Aufwind im Frühjahr unvermittelt zusammen.

Es ist geplant die Windmessung in der Saison 2008 / 2009 erneut anzusetzen.


6. Windsysteme der Loferer Steinberge

Aufgrund der durchgeführten Temperatur- und Windmessungen lassen sich drei prinzipielle Windsysteme in den Loferer Steinbergen annehmen.

Im Frühjahr und Sommer treten in den Höhlensystemen aufgrund der warmen Außentemperaturen vermutlich anhaltende Abwinde auf, die von den Klüften in der Südwand des Gebirges ausgehen. Diese werden bei hohen Temperaturen durch den nachgewiesenen Windeintrag über den Loferer Schacht verstärkt (siehe Abb. 11).

Abb. 11: Windsystem im Frühjahr und Sommer

Sinkende Außentemperaturen im Herbst führen zu andauernden Aufwinden, die u. a. kalte Luft in den Kristallcanyon einziehen und bei Temperaturstützen zu starken Aufwinden im Loferer Schacht führen (siehe Abb. 12).

Abb. 12: Windsysteme im Herbst (teilweiser Schneeverschluss)

Eine vollständig geschlossene Schneedecke verursacht im Winter und Frühling andauernde Aufwinde aus tiefer gelegenen, wärmeren Höhlenteilen (siehe Abb. 13).

Abb. 13: Windsysteme im Winter und Frühjahr (vollständiger Schneeverschluss)

Der Umfang der vermuteten sommerlichen Abwinde bzw. winterlichen Aufwinde am Boden des Loferer Schachts sollen in der Saison 2008 / 2009 mit einer Windmessung in -600 m nachgewiesen werden.


7. Danksagung

Die Forschung in den Loferer Steinbergen wurde durch die freundliche Unterstützung folgende Einrichtungen ermöglicht:


8. Literaturverzeichnis

Folgende Literatur dient zur weiteren Information zu diesem Artikel: