Die längsten Höhlen der Welt
Den Mayas galt das riesige Karsthöhlensystem der mittelamerikanischen Halbinsel Yukatan als Eingang zur Unterwelt. Schweizer Forscher sind seiner Entstehungsgeschichte auf der Spur – mit Tauchgängen und mit mathematischen Formeln. Von Simon Koechlin
(Aus "Horizonte" Nr. 104, März 2015)
Urwald, überall Urwald. Es ist tropisch warm und feucht im mexikanischen Bundesstaat Quintana Roo im Nordosten der Halbinsel Yukatan, die wie ein riesiges Horn vom Festland Mittelamerikas in die Karibik ragt. Doch den Regen- und Mangrovenwäldern zum Trotz: Wer die 400 Kilometer von Cancún an der äussersten Spitze Yukatans bis zur Grenze zwischen Mexiko und Belize unter die Räder nimmt, wird keine einzige Brücke überqueren. Es ist ein Land ohne Flüsse und Bäche. Zumindest ohne sichtbare Flüsse: Das Wasser fliesst unterirdisch.
Denn der Untergrund Yukatans ist durchzogen von einem gigantischen Höhlengeflecht. Hunderte Hohlräume, Kanäle und Tunnel gibt es hier, die meisten davon gefüllt mit Wasser. Über der Erde zeugen einzig die so genannten Cenoten von diesem verborgenen Labyrinth: Löcher, die entstehen, wenn die Decken der Höhlen einstürzen. Über 3000 dieser von der Natur geformten Zisternen finden sich in Yukatan. Für die Maya, die in Yukatan viele Zentren ihrer Hochkultur errichtet hatten, waren die Cenoten die Tore zur Unterwelt.
Eines dieser Maya-Zentren war die Stadt Tulum. Hier liegen die zweitlängste und die viertlängste Höhle der Welt. "Höchstwahrscheinlich sind sie sogar miteinander verbunden, was sie zum grössten Höhlensystem der Welt machen würde", sagt Philippe Renard, Hydrogeologe an der Universität Neuenburg. Er untersucht gemeinsam mit Kollegen der Geologischen Bundesanstalt Österreichs eines dieser Höhlensysteme, das rund 250 Kilometer lange Ox-Bel-Ha-System. Das Hauptziel des Forschungsprojektes ist, mathematische Modelle zu entwickeln, die erklären, wie solche Höhlenlabyrinthe entstanden sind und wie sie funktionieren.
Auflösende Kalksteine
Die Grundvoraussetzung für löchrigen Untergrund ist das entsprechende Gestein: Die Halbinsel Yukatan ist eine riesige Kalksteinplatte. Sie entstand über Jahrmillionen, als das Gebiet noch unter dem Meeresspiegel lag. Aus abgestorbenen Korallen wuchs eine über zwei Kilometer dicke Kalksteintafel. Der Kalk zersetzt sich relativ rasch, wenn er mit in Wasser gelöster Kohlensäure in Kontakt kommt. So entstehen Klüfte, Poren und Höhlen.
Heute sind die Höhlen so lang, dass das Meerwasser in ihnen zum Teil Dutzende von Kilometern landeinwärts fliesst. "In küstennahen Gebieten wie in der Region Tulum führt ein Mix aus Salz- und Süsswasser dazu, dass sich die Gesteine im Lauf der Jahrtausende auflösen", sagt Philippe Renard. Weil Salzwasser eine grössere Dichte aufweist als Süsswasser, liegt es in den Wasserkörpern in der unteren Schicht. Regenwasser versickert im durchlässigen Kalkboden rasch und fliesst auf das Salzwasser. Die beiden Wassertypen vermischen sich nicht vollständig, sondern nur in einer Zwischenschicht. "Man geht davon aus, dass die Auflösung des Kalksteins entlang dieser Zwischenschicht erhöht ist", sagt Renard.
Zwar wollen Renard und seine Kollegen die Entstehung der Höhlensysteme mit Hilfe von Rechenmodellen ergründen, dafür aber sind längst nicht nur mathematische Fähigkeiten gefragt. Die Forschenden sind auf Daten angewiesen, mit denen sie ihre Modelle füttern und deren Plausibilität testen. Denn Karstsysteme sind komplex. Eine ganze Reihe von Faktoren bestimmen das Ausmass und die Geschwindigkeit der Zersetzung: Woraus genau besteht das Gestein, wie ist das Wasser zusammengesetzt, und wie interagieren die beiden Elemente? Welche Stoffe und Sedimente werden durch die Poren und Ritzen des Gesteins transportiert?
Zuerst müssen die Wissenschaftler aber natürlich wissen, wo sich Höhlen befinden und wie gross sie sind. Denn längst noch nicht alle sind auf Karten verzeichnet. "Unbekannte Höhlen spüren unsere österreichischen Kollegen mit elektromagnetischen Messungen per Helikopter auf", erklärt Renard. Der Helikopter fliegt über das urwaldbedeckte Karstgebiet und schickt elektromagnetische Wellen in den Untergrund. Weil Kalkstein und Wasser die Signale unterschiedlich gut leiten, können die Forschenden mit dieser Methode wassergefüllte Höhlen recht genau orten.
Um die Höhlen zu vermessen, haben die Wissenschaftler ein Unterwassergerät entwickelt, das aus einem Laser und einer Kamera besteht. Spezialisierte Höhlentaucher wagen sich damit in die Grotten vor und bestimmen deren Dimensionen. "Die Taucher haben uns auch dabei geholfen, Sensoren in den Höhlen anzubringen, um den Wasserdurchfluss zu bestimmen", sagt Renard. Andere Sensoren geben Hinweise darauf, wie sich der Wasserstand im Karstsystem verändert, und wieder andere Geräte sammeln Daten über die Eigenschaften der Karstfelsen. "Wir nutzen natürlich auch Informationen, die bereits andere Forscher publiziert haben", erklärt Renard. "Um Aussagen über die Langzeitentwicklung des Karstsystems machen zu können, sind zum Beispiel die Fluktuationen des Meeresspiegels während der letzten Eiszeit wichtig."
250 Meter Sichtweite
SichtweiteFür definitive Resultate ist es laut Renard noch zu früh. Die mathematischen Modelle, die von seinen Doktoranden Axayacatl Maqueda und Martin Hendrick erstellt werden, seien noch nicht fertig. "Wir verstehen aber heute die Grundwasserchemie in der Region besser als zuvor", sagt er. Chemische Analysen in dem Projekt hätten zum Beispiel gezeigt, dass das Süsswasser schon allein, ohne die Vermischung mit dem Salzwasser, viel aggressiver sei als bislang angenommen. Der hohe Grundwasserspiegel, das tropische Klima und die intensive biologische Aktivität erhöhen die Produktion von Kohlendioxid, was wiederum zu stärkerer Zersetzung führt.
Zwar ist das Erstellen der Modelle Grundlagenforschung. Trotzdem könnten aus dem Projekt auch praktische Anwendungen entstehen – zum Beispiel in der Vorbeugung gegen Wasserverschmutzung. Den Bewohnern Yukatans dienen die Cenoten nämlich schon seit Maya-Zeiten als Trinkwasser-Reservoire. Das Wasser in einigen dieser "Brunnenstuben" ist derart sauber, dass die Sichtweite bis zu 250 Meter beträgt. Allerdings schiessen in Tulum seit einigen Jahren Hotels und andere touristische Anlagen aus dem Boden. Riesige Mengen von Abwasser könnten deshalb in naher Zukunft durch den porösen Karstuntergrund in die Trinkwasserreservoire eindringen. Geeignete Schutzmassnahmen für diese einzigartige geologische Landschaft kann nur ergreifen, wer genau weiss, wie die Höhlensysteme funktionieren.
Simon Koechlin ist Chefredaktor der "Tierwelt" und Wissenschaftsjournalist.