Ein dokumentarisch-wissenschaftlicher Bericht einer UV-gestützten Forschungsexpedition von Dr. Christian Zilch, Thilo May, Jutta und Stefan Uhl (Höhlengruppe DAV-Sektion Erlangen)
Schwarzlicht statt Stirnlampe
Wer eine Höhle befährt, ausgerüstet mit Kamera, Stativ und einer UV-Lampe, die Schwarzlicht statt Helligkeit spendet, erlebt eine Welt, die im Verborgenen leuchtet. Was im sichtbaren LED-Licht beige, grau oder weiß erscheint, beginnt unter UV-Strahlung plötzlich geheimnisvoll zu glimmen – als hätte man eine andere Dimension betreten. Viele kennen den Effekt aus Diskotheken: Im Dunklen beginnen Dinge zu leuchten, weiße Textilien erscheinen plötzlich blau, Zähne grün und bestimmte Kunststoffe in allen Farben. Aber in der Natur?
Expedition in die Schönsteinhöhle
Genau das war der Ausgangspunkt für unsere Expedition in die Schönsteinhöhle in der Fränkischen Schweiz im Rahmen der diesjährigen Jahrestagung des Verbandes der deutschen Höhlen- und Karstforscher e.V. (VdHK). Ziel war dabei aber nicht nur, die Höhle sprichwörtlich in einem neuen Licht zu sehen, sondern auch zu erkunden, was unter UV-Licht sichtbar wird. Denn jenseits der fast magischen Erfahrung, die sonst eher eintönigen Gesteinsformationen in verschiedensten Farben scheinbar aus sich selbst heraus leuchten zu sehen, birgt der Effekt auch wissenschaftliche Relevanz: Denn im Lichtspektrum stecken Informationen über die Geschichte der Steine, die es aussenden.
Doch wie entsteht so ein Tropfstein überhaupt – und warum leuchtet er manchmal, obwohl er „nur“ aus Kalk besteht?
Die Bildung von Tropfsteinen (Sinterformationen) in Karsthöhlen ist ein Prozess, der sich über Jahrhunderte bis Jahrtausende erstreckt. Ursache dafür ist die chemische Verkarstung kalkhaltigen Gesteins – insbesondere Dolomit und Kalkstein – durch kohlensäurehaltiges Regen- und Oberflächenwasser. Dieses leicht saure Wasser dringt über Klüfte und Spalten in das Gestein ein und löst dabei Calciumcarbonat (CaCO₃). Gelangt diese Lösung in eine Höhle, verändert sich durch den Kontakt mit der Höhlenluft der physikalisch-chemische Zustand: CO₂ entweicht (degasiert), was zur Übersättigung und zur Ausfällung von Kalzit (CaCO₃) an Decken, Wänden oder am Boden führt.
Die Besonderheit der Schönsteinhöhle
Die Schönsteinhöhle stellt eine Besonderheit dar: Sie zählt zu den hypogen (wörtlich „tiefgeboren“) entstandenen Höhlen. Das bedeutet, sie wurde vor mehr als zwei Millionen Jahren nicht wie die meisten Höhlen durch oberflächennahes Sickerwasser, sondern durch über Aquiferen aus der Tiefe aufsteigende, mit Kohlendioxid angereicherte Grundwässer gebildet. Diese Höhlengenese erfolgt unabhängig vom Oberflächenrelief. Erst nach der Stabilisierung des Hohlraums und erosiven Prozessen setzten deutlich später epigene Sinterbildungsprozesse ein. Je nach Tropfgeschwindigkeit, Luftfeuchte, Temperatur und Substratbeschaffenheit entstehen charakteristische Formen wie Stalaktiten (von der Decke hängend), Stalagmiten (vom Boden wachsend), Tropfsteinsäulen, Sinterfahnen oder Sinterbecken.
Besonders in aktiven Höhlenbereichen mit konstantem Wasserzutritt bilden sich durchscheinende Kalzitkristallstrukturen. Da dieser Prozess natürlichen Ursprungs ist, entstehen dabei typischerweise Verunreinigungen. Diese Fremdpartikel führen auf atomarer Ebene zu Verzerrungen im Kristallgitter und können durch komplexe quantenmechanische Wechselwirkungen Fluoreszenz- und Phosphoreszenzeffekte verstärken oder abschwächen.
Aktuelle wissenschaftliche Untersuchungen – u. a. in der Zoolithenhöhle (Riechelmann et al., 2015, 2016) sowie internationale Studien (McGarry & Baker, 2000; Perrette et al., 2005; Shopov, 2009) – beschäftigen sich sowohl mit durch Spurenelemente (z. B. Uran, Mangan, seltene Erden) als auch durch strukturelle Unregelmäßigkeiten verursachter Lumineszenz. Besonders im Fokus stehen jedoch Fluoreszenzerscheinungen, die durch organische Stoffe (DOM: dissolved organic matter) ausgelöst werden: Sie helfen, die Wachstumsbedingungen zu rekonstruieren und das Alter der Formationen abzuschätzen. Einerseits sind diese Untersuchungen für Wissenschaftler von Bedeutung, die anhand von Tropfsteinen das Klima der Vergangenheit rekonstruieren. Denn wie Bäume wachsen Stalaktiten und -miten in Jahresschichten, in denen sich klimatische Daten mit jährlicher Auflösung speichern.
Verunreinigung kann nützlich sein
Nicht immer reicht ein gewöhnliches Lichtmikroskop aus, um die feinen Jahresringe eines Tropfsteins sichtbar zu machen. In solchen Fällen können winzige Spuren von Verunreinigungen nützlich sein, etwa Partikel, die durch die jährliche Schneeschmelze in die Höhle gelangen und sich im Kalk ablagern. Gleichzeitig liefert auch die Lumineszenz wichtige Hinweise: Viele organische Verbindungen verlieren im Laufe der Zeit an Leuchtkraft, da sie chemisch nicht dauerhaft stabil sind. Dieser Effekt ermöglicht es, das Alter eines Tropfsteins abzuschätzen und zu erkennen, wann er zuletzt gewachsen ist – oft ganz ohne aufwendige Isotopenanalysen wie die C-14-Methode.
Mithilfe moderner spektroskopischen Analysetechniken lassen sich diese Informationen im Labor präzise auslesen. Die systematische Analyse mittels 3D-Fluoreszenzspektroskopie (EEM), LC-OCD und PARAFAC-Modellierung haben sich hierfür als wertvolle Werkzeuge bewährt (Li et al., 2014; Rutlidge et al., 2015). Die Studien zeigen, dass DOM-Zusammensetzung und -Fluoreszenz maßgeblich durch Oberflächenprozesse wie Vegetationsdynamik, mikrobielle Aktivität sowie Bodendurchfeuchtung beeinflusst werden. Saisonale Schwankungen im Tropfverhalten, kombiniert mit Höhlenparametern wie CO₂-Entgasung, Karbonausfällung und Luftzirkulation, modulieren die organische Signatur (Xu et al., 2023; Kost et al., 2023). Eine klimatische Steuerung der Fluoreszenzlaminationen ist damit prinzipiell gegeben, allerdings überlagert durch standortspezifische Hydrogeochemie und Verzögerungseffekte im Karstsystem.
Wachstum schon durch UV-Licht sichtbar?
Während aufwendige Laboranalysen zeigen, wie Tropfsteine Umwelt- und Klimainformationen speichern, wollten wir zunächst untersuchen, ob sich erste Spuren dieses Wachstums auch unmittelbar mit UV-Licht erkennen lassen.
Mit diesem Ziel sind wir in die fränkische Schönsteinhöhle aufgebrochen. Zukünftig ist geplant, die Untersuchung durch spektroskopische Laboranalysen in Kooperation mit dem Fraunhofer IKTS (Institut für Keramische Technologien und Systeme) in Forchheim zu vertiefen und die UV-Beobachtungen wissenschaftlich zu untermauern.
Ziel und Methodik
Ziel der Expedition war es zunächst zu erkunden, wie gut Unterschiede in der Lumineszenz zwischen alten und jungen Sinterformationen mit einfachen Geländemethoden fotografisch dokumentierbar sind. Dazu wurden an ausgewählten Punkten dieselben Sinterstrukturen mit einer DSLR-Kamera (Canon EOS 7D, APS-C) unter verschiedenen Lichtbedingungen aufgenommen:
- A) Normales sichtbares Licht (Weißlicht-LED-Lampe)
- B) UV-Anregungslicht bei 365 nm, mit UV-Durchlassfilter (Excitation)
- C) Phosphoreszenz in völliger Dunkelheit nach vorheriger UV-Anregung
Zum Einsatz kam ein lichtstarkes Sigma 17–50 mm EX HSM Objektiv (f/2.8), die ISO-Werte lagen zwischen 800 und 1000, die Belichtungszeiten zwischen 10 und 30 Sekunden. Ein UV-Sperrfilter (Blocking Filter) vor dem Objektiv minimierte Streulicht und reflektierte UV-Anteile, wodurch nur Fluoreszenzlicht auf den Sensor gelangte. Die Aufnahmen erfolgten sequentiell aus der jeweils gleichen Perspektive mit fixiertem Stativ.
Beobachtungen und Ergebnisse
In mehreren Bereichen der Höhle wurden auffällige Unterschiede in der Lichtemission verschiedener Sinterformationen dokumentiert:
- Aktive Sinternasen und -töpfchen von jungen Tropfsteinen zeigten unter UV-Licht eine intensiv bläuliche Fluoreszenz (Hauptemissionsbereich: 460 – 490 nm). In der jeweiligen Phosphoreszenzaufnahme leuchteten diese Strukturen grünlich nach, deutlich sichtbar teils über mehrere Sekunden (Wellenlängenbereich: 510 – 540 nm).
- Alte Tropfsteine und sinterbedeckte Wandflächen zeigten kaum Reaktion im UV-Licht, teilweise eine Rotverschiebung des emittierten Lichtes, jedoch keinerlei „Nachleuchten“, was mit einer fortgeschrittenen Kristallstruktur und dem Verlust organischer Komponenten korrespondiert.
- Einzelne Sintervorhänge und größere Sintersäulen wiesen segmentartige Lumineszenzunterschiede auf, wobei nur die aktiven Tropfzonen bzw. die wasserführenden Rillenstrukturen der Säulen stärker fluoreszierten und teilweise intensiv phosphoreszierten.
Die Langzeitbelichtungen der Phosphoreszenz zeigten eine klare visuelle Differenzierung zwischen aktiven und inaktiven Sinterbereichen: In kompletter Dunkelheit zeichnete sich das grüne Nachleuchten junger Kalzit- und Aragonitformationen deutlich ab, während die umgebende Matrix dunkel blieb.
Abbildung 1: Vergleich zweier Aufnahmen jeweils derselben drei Sinterformation in der Schönsteinhöhle.
Links: Aufnahmen bei Ausleuchtung mit weißem LED-Licht. Die Sinterstruktur erscheint farblich weitestgehend homogen in beige-weißlichen Tönen, ohne deutlich sichtbare Hinweise auf aktuelle Sinterbildungsaktivität.
Rechts: Aufnahmen unter UV-Licht (365 nm) mit UV-Durchlassfilter. Deutlich sichtbar ist die bläuliche Fluoreszenz junger, aktiver Kalzitnasen sowie einzelner wasserführender Strukturen. Die Fluoreszenz macht aktive Sinterbildungszonen sichtbar, die im sichtbaren Spektrum kaum zu unterscheiden sind.
Abbildung 2: Vergleich zweier Aufnahmen jeweils derselben drei Sinterstrukturen unter UV-Anregung und im Nachleuchten.
Links: Aufnahmen unter Bestrahlung mit UV-Licht (365 nm). Sichtbar ist eine klar abgegrenzte bläuliche Fluoreszenz (Hauptemissionsbereich: 460 – 490 nm) aktiver Kalzit- und Aragonitstrukturen, insbesondere entlang von Wasserbecken und -laufbahnen auf der Oberfläche von Tropfsteinen.
Rechts: Phosphoreszenz unmittelbar nach dem Abschalten der UV-Lichtquelle. Die Aufnahmen zeigen das grünliche Nachleuchten einzelner Sinterbereiche für mehrere Sekunden. Dieses diffuse Nachleuchten (Wellenlängenbereich: 510 – 540 nm) weist auf die Präsenz von Spurenelementen oder organischer Bestandteile in der jungen Kalzit- und Aragonit-Kristallstrukturen hin. Inaktive, ältere Bereiche bleiben hingegen dunkel.
Interpretation und Diskussion
Die Beobachtungen bestätigen eindrucksvoll die von Riechelmann et al. dokumentierten Eigenschaften junger Sinterformationen. Die Phosphoreszenz lässt sich wahrscheinlich auf Spurenelemente (Ionen von Mangan: Mn²⁺, Strontium: Sr²⁺, Blei: Pb²⁺ und Uranyl: UO₂²⁺) sowie organische Substanzen (DOM) zurückführen, die in jungen Kalzitkristallen enthalten sind. Mit zunehmendem Alter und Rekristallisation verschiebt sich das Fluoreszenzspektrum zunehmend in den Rotbereich bis die Strukturen schließlich ihre optische Reaktivität verlieren.
Die Beobachtungen stehen im Einklang mit internationalen Studien: McGarry & Baker (2000) zeigten, dass organische Säuren aus dem Boden maßgeblich zur Fluoreszenz beitragen und sich diese in Form von Fluoreszenz-Indizes als Paläoindikatoren nutzen lassen. Perrette et al. (2005) entwickelten ein bildgebendes Verfahren zur kontinuierlichen Dokumentation fluoreszierender Strukturen in Speleothemen.
Nicht nur organische Substanzen leuchten
Hervorzuheben ist, dass fluoreszierende Laminationen nicht ausschließlich durch organische Substanzen hervorgerufen werden: In bestimmten Fällen können auch anorganische Elemente als Lumineszenzaktivatoren fungieren. Shopov (2009) identifizierte über 30 Aktivatoren der Lumineszenz in Tropfsteinen, darunter natürliche radioaktive Elemente und organische Komponenten. Eine differenzierte Analyse der Spektralsignaturen und geeignete Kontrollproben sind daher unverzichtbar.
Fluoreszenz hängt mit Umweltparametern zusammen
Aktuelle paläoklimatische und geochemische Studien (Endres et al., 2024; Xu et al., 2023; Kost et al., 2023) zeigen, dass sich die Fluoreszenzeigenschaften des Tropfwassers dynamisch verändern und eng mit Umweltparametern wie Vegetationsbedeckung, Bodenfeuchte, mikrobieller Aktivität und Karsthydrologie verknüpft sind. Tropfsteine fungieren in diesem Kontext als herausragende Klimaarchive, da sie durch laminierte Strukturen eine hochauflösende zeitliche Gliederung und damit eine quasi-jahresgenaue Rekonstruktion vergangener Klimaschwankungen ermöglichen.
Fluoreszierende Laminationen, hervorgerufen durch anorganische Spurenelemente und gelöste organische Substanzen (DOM), erweisen sich als vielversprechender, wenn auch analytisch anspruchsvoller Indikator für Umwelt- und Klimavariabilität. Die neueren Arbeiten verdeutlichen, dass diese Signaturen nicht allein durch das Höhleninnenklima, sondern auch durch Prozesse an der Oberfläche moduliert werden und somit eine integrierte Betrachtung von Ökosystem- und Karstprozessen erfordern.
Zusammenfassung
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass sowohl DOM-basierte Fluoreszenzlaminationen als auch anorganische Spurenelemente in Sinterstrukturen ein hohes Potenzial für hochauflösende Klimarekonstruktionen bieten. Ergänzend liefern Beobachtungen unter UV-Licht wertvolle Informationen über die Verteilung und Intensität fluoreszierender und phosphoreszierender Komponenten, die Rückschlüsse auf Herkunft und Alter organischer Substanzen sowie auf depositional bedingte Veränderungen zulassen. Voraussetzung hierfür ist jedoch eine detaillierte Kenntnis der DOM-Herkunft und der Rolle anorganischer Spurenelemente, ein Verständnis der klimatischen und höhleninternen Steuerungsmechanismen sowie eine kritische methodische Validierung potenzieller Störfaktoren.
Aha-Moment unter Schwarzlicht
Die UV-Expedition in der Schönsteinhöhle hat gezeigt, dass die Kombination aus UV-Fluoreszenz und Phosphoreszenz-Fotografie eine praktikable Methode zur Identifikation aktiver Sinterzonen ist. Die angewandte UV-Methode erlaubt eine nicht-invasive Bewertung von Tropfstein-Aktivität und ist dabei bestens für das für Geländearbeit herausfordernde Umfeld Höhle geeignet.
Die Methode eröffnet gleichzeitig auch neue Perspektiven für Schauhöhlenführungen sowie konservatorische Fragestellungen. Höhlenführer könnten mit dieser Methode eindrucksvoll lebendige Prozesse in scheinbar „toten“ Formationen sichtbar machen – ein Aha-Moment unter Schwarzlicht. Auch für Monitoringzwecke in sensiblen Höhlenbereichen kann die UV-Lumineszenz eine wertvolle Ergänzung darstellen. Obgleich die UV-Methode ein wertvolles Werkzeug zur Untersuchung von Fluoreszenz und Phosphoreszenz in Höhlen darstellt, sollte ihr Einsatz achtsam, dosiert und ökologisch verantwortungsvoll erfolgen, um die fragile Höhlenökologie nicht zu gefährden.
Ausblick
Künftige Einsätze könnten durch Spektralanalyse (Raman-, UV/Vis-, Infrarot-Spektroskopie), Kalzit-Mineralogie und Spurenelementanalytik (LA-ICP-MS: Laserablation-Induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie, XRF: Röntgenfluoreszenz) ergänzt werden, um die in den Sinter eingebetteten Spurenelemente und organischen Komponenten zu identifizieren, die für die beobachtete Lumineszenz verantwortlich sind. Für die geplanten Analysen wurde das Fraunhofer Abteilung „Korrelative Mikroskopie und Materialdaten“ am Fraunhofer IKTS, Standort Forchheim im Medical-Valley-Center eingebunden.
Ein nächster Schritt könnte die gezielte Kartierung aktiver Sinterzonen auf Basis der dokumentierten Lumineszenzphänomene sein, sowohl zur Überwachung mikroklimatischer Veränderungen als auch zur Unterstützung bei der Besucherlenkung besonders in hoch frequentierten Schauhöhlen. Im Hinblick auf den Klimawandel und mögliche Verschiebungen in der Wasserversorgung erscheint zudem die Etablierung eines kontinuierlichen Monitorings aktiver Sinterelemente als vielversprechender Ansatz zur Untersuchung dynamischer Wechselwirkungen zwischen Mikroklima, Tropfwasserchemie und Sinterwachstum.
Potenzial noch nicht ausgeschöpft
Unsere bisherigen Beobachtungen deuten darauf hin, dass das Potenzial der Lumineszenzanalysen als Geländemethode in Tropfsteinhöhlen noch längst nicht ausgeschöpft ist. Nach unserem Wissen wurde die hier vorgestellte Methode bisher nur vereinzelt und nicht in dieser Form angewendet, sodass die optischen Phänomene noch kaum verstanden sind. So könnten unerwartete Fluoreszenzmuster im Gestein – in dem zuvor unsichtbare Strukturen verborgen lagen – auf bislang unbekannte geochemische oder mineralogische Prozesse hinweisen. Dieses offene Forschungsfeld macht die Methode zugleich spannend und herausfordernd, da wir erst beginnen, ihre Möglichkeiten und Grenzen zu ergründen.
