Höhle

Höhlen und Grotten sind natürliche Hohlräume unter der Erdoberfläche ^{[ 1 ]} und wurden auch auf anderen Gesteinsplaneten (z. B. auf dem Mars ) beobachtet. Höhlen entstehen häufig durch die Verwitterung von Gestein und können sich tief in die Erde erstrecken. Exogene Höhlen sind kleinere Öffnungen, die sich relativ kurz unter die Erde erstrecken (wie z. B. Felsunterstände ). Höhlen , die sich weiter unter die Erde erstrecken, als ihre Öffnung breit ist, werden als endogene Höhlen bezeichnet . ^{[ 2 ] [ 3 ]}

Die Speläologie ist die Wissenschaft von der Erforschung und dem Studium aller Aspekte von Höhlen und ihrer Umwelt. Das Besuchen oder Erkunden von Höhlen zur Freizeitgestaltung wird auch als Höhlenforschung , Höhlentauchen oder Speläologie bezeichnet .

Die Entstehung und Entwicklung von Höhlen wird als Speläogenese bezeichnet ; sie kann sich über Millionen von Jahren erstrecken. ^{[ 4 ]} Höhlen können sehr unterschiedliche Größen aufweisen und entstehen durch verschiedene geologische Prozesse. Diese können eine Kombination aus chemischen Prozessen, Wassererosion, tektonischen Kräften, Mikroorganismen, Druck und atmosphärischen Einflüssen umfassen. Isotopen-Datierungsmethoden können auf Höhlensedimente angewendet werden, um den zeitlichen Ablauf der geologischen Ereignisse zu bestimmen, die die heutigen Höhlen geformt haben. ^{[ 4 ]}

Man schätzt, dass eine Höhle aufgrund des Drucks der darüberliegenden Gesteinsschichten nicht tiefer als 3.000 Meter (9.800 Fuß) unter der Erdoberfläche reichen kann. Dies legt jedoch keine maximale Tiefe für eine Höhle fest, die vom höchsten Eingang bis zum tiefsten Punkt gemessen wird, da die Gesteinsmenge oberhalb des tiefsten Punktes von der Topographie der darüberliegenden Landschaft abhängt. Bei Karsthöhlen wird die maximale Tiefe anhand der unteren Grenze der Karstbildungsprozesse bestimmt, die mit der Basis der löslichen Karbonatgesteine ​​übereinstimmt. ^{[ 5 ]} Die meisten Höhlen entstehen durch Verwitterung in Kalkstein . ^{[ 6 ]}

Höhlen lassen sich auch auf andere Weise klassifizieren, beispielsweise durch die Unterscheidung zwischen aktiven und Relikthöhlen: Aktive Höhlen werden von Wasser durchflossen, Relikthöhlen hingegen nicht, obwohl sich darin Wasser befinden kann. Zu den aktiven Höhlentypen zählen Zuflusshöhlen (in die ein Bach versickert), Abflusshöhlen (aus denen ein Bach austritt) und Durchgangshöhlen (die von einem Bach durchflossen werden). ^{[ 7 ]}

Lösungshöhlen oder Karsthöhlen sind die am häufigsten vorkommenden Höhlen. Sie entstehen in löslichem Gestein; die meisten finden sich in Kalkstein , aber auch in anderen Gesteinen wie Kreide , Dolomit , Marmor , Salz und Gips . Mit Ausnahme von Salzhöhlen entstehen Lösungshöhlen, wenn Gestein durch natürliche Säure im Grundwasser aufgelöst wird, das durch Schichtfugen , Verwerfungen , Klüfte und ähnliche Strukturen sickert. Im Laufe der Zeit erweitern sich die Risse zu Höhlen und Höhlensystemen.

Die größten und zahlreichsten Lösungshöhlen befinden sich in Kalkstein. Kalkstein löst sich unter dem Einfluss von Regen- und Grundwasser auf, das mit Kohlensäure (H₂CO₃) und natürlich vorkommenden organischen Säuren angereichert ist _. Dieser Lösungsprozess _erzeugt eine charakteristische Landschaftsform, den Karst , der durch Dolinen und unterirdische Entwässerung gekennzeichnet ist. Kalksteinhöhlen sind oft mit Kalziumkarbonatformationen geschmückt , die durch langsame Ausfällung entstanden sind . Dazu gehören Sinterterrassen , Stalaktiten , Stalagmiten , Heliktiten , Sinterröhrchen und Säulen. Diese sekundären Mineralablagerungen in Höhlen werden als Speläotheme bezeichnet .

Die Teile einer Lösungshöhle, die unterhalb des Grundwasserspiegels oder des lokalen Grundwasserniveaus liegen, werden überflutet. ^{[ 8 ]}

Die Lechuguilla-Höhle in New Mexico und die nahegelegene Carlsbad-Höhle gelten heute als Beispiele für einen anderen Typ von Lösungshöhlen. Sie entstanden durch aufsteigendes Schwefelwasserstoffgas ( _{H₂S ),} das aus dem Erdreich aufsteigt, wo Erdöllagerstätten schwefelhaltige Dämpfe abgeben. Dieses Gas vermischt sich mit Grundwasser und bildet Schwefelsäure ( _{H₂SO₄ ). Die Säure löst dann den Kalkstein von unten auf, anstatt von oben durch saures Wasser, das} von der Oberfläche sickert.

Höhlen, die gleichzeitig mit dem umgebenden Gestein entstanden sind, werden als primäre Höhlen bezeichnet .

Lavatunnel entstehen durch vulkanische Aktivität und sind die häufigsten primären Höhlen. Wenn flüssige Lava den Hang hinabfließt, kühlt ihre Oberfläche ab und bildet eine feste äußere Kruste. Diese Kruste isoliert das Innere von der kühlen Außenluft, sodass die heiße, flüssige Lava darunter weiterfließen kann. Wenn der größte Teil der Lava abfließt, bleibt ein hohler Tunnel zurück. Solche Höhlen finden sich auf den Kanarischen Inseln , Jeju-do , in den Basaltebenen Ost-Idahos und an anderen Orten. Die Kazumura-Höhle nahe Hilo , Hawaii, ist ein bemerkenswert langer und tiefer Lavatunnel; sie ist 65,6 km lang.

Zu den Lavahöhlen zählen unter anderem Lavatunnel. Weitere durch vulkanische Aktivität entstandene Höhlen sind beispielsweise Spalten , Lavaformen, offene vertikale Kanäle und Aufblasblasen. ^{[ 9 ]}

Meereshöhlen finden sich an Küsten weltweit. Eine Besonderheit bilden die Küstenhöhlen, die durch Wellenbewegungen in Schwächezonen von Meeresklippen entstehen. Diese Schwächezonen sind oft Verwerfungen, können aber auch Gänge oder Schichtfugen sein. Einige Brandungshöhlen liegen heute aufgrund späterer Hebungen über dem Meeresspiegel. Andernorts, wie beispielsweise in der Phang-Nga-Bucht in Thailand , wurden Lösungshöhlen vom Meer überflutet und sind nun der Küstenerosion ausgesetzt. Meereshöhlen sind im Allgemeinen zwischen 5 und 50 Metern lang, können aber auch über 300 Meter erreichen.

Erosionshöhlen entstehen ausschließlich durch die Erosion fließender Gewässer, die Gestein und andere Sedimente transportieren. Sie können in allen Gesteinsarten entstehen, auch in harten Gesteinen wie Granit. In der Regel ist eine Schwächezone erforderlich, die das Wasser lenkt, beispielsweise eine Verwerfung oder eine Kluft. Eine Unterart der Erosionshöhle ist die Windhöhle, die durch vom Wind verwehte Sedimente geformt wird. ^{[ 9 ]} Viele Höhlen, die ursprünglich durch Lösungsprozesse entstanden sind, durchlaufen oft eine nachfolgende Phase der Erosion oder Vadoseerweiterung, wenn aktive Bäche oder Flüsse sie durchfließen. ^{[ 10 ]}

Gletscherhöhlen entstehen durch schmelzendes Eis und fließendes Wasser innerhalb und unter Gletschern. Die Hohlräume werden durch die sehr langsame Eisströmung beeinflusst , die dazu neigt, die Höhlen wieder einzustürzen. Gletscherhöhlen werden manchmal fälschlicherweise als „ Eishöhlen “ bezeichnet, obwohl dieser Begriff korrekterweise Felshöhlen vorbehalten ist, die ganzjährig Eisformationen enthalten.

Spalthöhlen entstehen, wenn sich Schichten besser löslicher Mineralien, wie beispielsweise Gips, zwischen Schichten weniger löslicher Gesteine ​​auflösen. Diese Gesteine ​​brechen und stürzen in Blöcken zusammen. ^{[ 11 ]}

Geröllhöhlen entstehen durch Öffnungen zwischen großen Felsblöcken, die sich unregelmäßig angehäuft haben, oft am Fuß von Felswänden. ^{[ 12 ]} Diese instabilen Ablagerungen werden als Geröll oder Schutt bezeichnet und können häufigen Steinschlägen und Erdrutschen ausgesetzt sein .

Anchialine Höhlen sind meist küstennahe Höhlen, die ein Gemisch aus Süßwasser und Salzwasser (in der Regel Meerwasser) enthalten. Sie kommen in vielen Teilen der Welt vor und beherbergen oft hochspezialisierte und endemische Fauna. ^{[ 13 ]}

• Verzweigte Höhlen ähneln oberflächlichen, dendritischen Bachläufen; sie bestehen aus Gängen, die sich flussabwärts zu Zuflüssen vereinen. Verzweigte Höhlen sind die häufigste Höhlenform und entstehen in der Nähe von Dolinen, wo Grundwasserneubildung stattfindet. Jeder Gang oder Ast wird von einer separaten Grundwasserquelle gespeist und mündet flussabwärts in weitere, übergeordnete Äste. ^{[ 14 ]}
• Winkelförmige Höhlennetzwerke entstehen durch sich kreuzende Spalten in Karbonatgestein, deren Brüche durch chemische Erosion erweitert wurden. Diese Brüche bilden hohe, schmale, gerade Gänge, die in weitläufigen geschlossenen Schleifen bestehen bleiben. ^{[ 14 ]}
• Anastomotische Höhlen ähneln weitgehend oberflächlichen, verzweigten Bächen, deren Gänge sich trennen und weiter flussabwärts wieder zusammenlaufen. Sie bilden sich üblicherweise entlang einer Schicht oder Struktur und überschreiten nur selten die Grenze zu darüber oder darunter liegenden Schichten. ^{[ 14 ]}
• Schwammartige Höhlen entstehen, wenn Lösungskavernen durch die Vermischung chemisch unterschiedlicher Wässer miteinander verbunden werden. Die Kavitäten bilden ein dreidimensionales und zufälliges Muster, das einem Schwamm ähnelt. ^{[ 14 ]}
• Ramiforme Höhlen bilden sich als unregelmäßige, große Räume, Galerien und Gänge. Diese zufällig angeordneten, dreidimensionalen Räume entstehen durch einen ansteigenden Grundwasserspiegel, der das Karbonatgestein mit schwefelwasserstoffreichem Wasser erodiert. ^{[ 14 ]}
• Grubenhöhlen (auch vertikale Höhlen, Dolinen oder einfach „Gruben“ genannt) bestehen aus einem vertikalen Schacht anstelle eines horizontalen Höhlengangs. Sie können mit einem der oben genannten Strukturmuster in Verbindung stehen, müssen es aber nicht.

Höhlen gibt es weltweit, wobei die Verbreitung dokumentierter Höhlensysteme stark auf Länder konzentriert ist, in denen Höhlenforschung seit vielen Jahren beliebt ist (wie Frankreich, Italien, Australien, Großbritannien, die USA usw.). Daher sind erforschte Höhlen in Europa, Asien, Nordamerika und Ozeanien weit verbreitet, in Südamerika, Afrika und der Antarktis hingegen selten.

Dies ist eine grobe Verallgemeinerung, da große Teile Nordamerikas und Asiens keine dokumentierten Höhlen aufweisen, während Gebiete wie die trockenen Laubwälder Madagaskars und Teile Brasiliens zahlreiche dokumentierte Höhlen beherbergen. Da Höhlenforscher die weltweiten Gebiete mit löslichem Grundgestein erforschen, dürfte sich die Verteilung der dokumentierten Höhlen verändern. So verfügt beispielsweise China, obwohl es etwa die Hälfte des weltweiten freiliegenden Kalksteins – mehr als 1.000.000 Quadratkilometer – beherbergt, über vergleichsweise wenige dokumentierte Höhlen.

• Das Höhlensystem mit der größten Gesamtlänge der vermessenen Gänge ist die Mammoth Cave in Kentucky , USA, mit 675,9 km (420,0 Meilen). ^{[ 15 ] [ 16 ]}
• Die längste erforschte Unterwasserhöhle und insgesamt zweitlängste ist das Sistema Ox Bel Ha in Yucatán , Mexiko, mit 524,1 km (325,7 Meilen). ^{[ 17 ] [ 18 ]}
• Die tiefste bekannte Höhle – gemessen von ihrem höchsten Eingang bis zu ihrem tiefsten Punkt – ist die Veryovkina-Höhle in der Republik Abchasien mit einer Tiefe von 2.204 m. ^{[ 19 ]} Sie war die erste Höhle, die bis zu einer Tiefe von über 2.000 m erforscht wurde. (Die erste Höhle, die tiefer als 1.000 m vordrang, war die Gouffre Berger in Frankreich.) Die Sarma- und die Illyuzia-Mezhonnogo-Snezhnaya- Höhle in Georgien (1.830 m bzw. 1.753 m) sind derzeit die zweit- und dritttiefsten Höhlen. ^{[ 19 ]} Die tiefste Höhle außerhalb Georgiens ist der Lamprechtsofen Vogelschacht Weg Schacht in Österreich mit einer Tiefe von 1.623 m. ^{[ 19 ]}
• Der tiefste vertikale Schacht in einer Höhle ist 603 m (1.978 Fuß) tief und befindet sich in der Vrtoglavica-Höhle in Slowenien . Der zweittiefste ist der Ghar-e-Ghala mit 562 m (1.844 Fuß) Tiefe im Parau-Massiv nahe Kermanshah im Iran . ^{[ 20 ]}
• Die größte jemals von einem ferngesteuerten Unterwasserfahrzeug in einer Unterwasserhöhle erreichte Tiefe beträgt 450 Meter (1480 Fuß) und befindet sich in der Hranice-Schlucht in Tschechien . ^{[ 21 ]}
• Der Miao-Raum ist mit einem gemessenen Volumen von 10.780.000 m³ ⁽ 381.000.000 Kubikfuß) der größte bekannte Raum der Welt nach Volumen. ^{[ 22 ]} Der größte bekannte Raum nach Oberfläche ist die Sarawak-Kammer im Gunung-Mulu-Nationalpark ( Miri , Sarawak , Borneo , Malaysia ), eine abfallende, mit Felsblöcken übersäte Kammer mit einer Fläche von 154.500 m² ⁽ 1.663.000 Quadratfuß). ^{[ 22 ]} Der größte Raum in einer Schauhöhle ist die Salle de la Verna in den französischen Pyrenäen .
• Der größte jemals entdeckte Höhlengang befindet sich in der Son-Doong-Höhle im Nationalpark Phong Nha-Kẻ Bàng in der Provinz Quảng Bình , Vietnam . Er ist 4,6 km lang, 80 m hoch und breit über den größten Teil seiner Länge, jedoch über 140 m hoch und breit. ^{[ 23 ]}
• Die höchstgelegene vermessene Höhle der Welt ist Qaqa Mach'ay in den peruanischen Anden auf einer Höhe von 4930 m über dem Meeresspiegel. ^{[ 24 ]} Nachfolgende GPS-Messungen deuten darauf hin, dass diese Angabe zu niedrig ist.

1. Mammoth Cave , Kentucky , USA ^{[ 15 ]}
2. Sistema Ox Bel Ha , Mexiko ^{[ 15 ]}
3. Sistema Sac Actun / Sistema Dos Ojos , Mexiko ^{[ 15 ]}
4. Jewel Cave , South Dakota , USA ^{[ 15 ]}
5. Shuanghedong-Höhlennetzwerk , China ^{[ 15 ]}

Höhlenbewohner werden häufig in folgende Kategorien eingeteilt: Troglobiten (auf Höhlen beschränkte Arten), Troglophile (Arten, die ihr gesamtes Leben in Höhlen verbringen können, aber auch in anderen Lebensräumen vorkommen), Trogloxene (Arten, die Höhlen nutzen, aber ihren Lebenszyklus nicht vollständig in Höhlen vollenden können) und Zufällige (Tiere, die keiner der vorherigen Kategorien angehören). Einige Autoren verwenden separate Bezeichnungen für aquatische Formen (z. B. Stygobiten , Stygophile und Stygoxene ).

Unter diesen Tieren sind die Höhlenbewohner wohl die ungewöhnlichsten Organismen. Höhlenbewohner weisen oft eine Reihe von Merkmalen auf, die als troglomorph bezeichnet werden und mit ihrer Anpassung an das unterirdische Leben zusammenhängen. Zu diesen Merkmalen gehören beispielsweise der Verlust von Pigmenten (was häufig zu einer blassen oder weißen Färbung führt), der Verlust von Augen (oder zumindest deren Sehfunktion), die Verlängerung von Gliedmaßen und die Verstärkung anderer Sinne (wie die Fähigkeit, Vibrationen im Wasser wahrzunehmen). Wasserlebende Höhlenbewohner (oder Stygobiten), wie die gefährdete Alabama-Höhlengarnele , leben in Gewässern innerhalb von Höhlen und beziehen ihre Nährstoffe aus in die Höhlen gespültem Detritus sowie aus den Exkrementen von Fledermäusen und anderen Höhlenbewohnern. Weitere aquatische Höhlenbewohner sind Höhlenfische und Höhlensalamander wie der Grottenolm und der Texas-Blindsalamander .

Höhleninsekten wie Oligaphorura (früher Archaphorura ) schoetti sind Höhlenbewohner und erreichen eine Länge von 1,7 Millimetern. Sie sind weit verbreitet und wurden bereits umfassend untersucht. Die meisten Exemplare sind weiblich, jedoch wurde 1969 ein männliches Exemplar in St. Cuthberts Swallet gefunden.

Fledermäuse wie die Graue Fledermaus und die Mexikanische Freischwanzfledermaus sind Höhlenbewohner und leben häufig in Höhlen; ihre Nahrungssuche findet außerhalb der Höhlen statt. Auch einige Höhlengrillenarten zählen zu den Höhlenbewohnern, da sie tagsüber in Höhlen ruhen und nachts oberirdisch nach Nahrung suchen.

Aufgrund der Fragilität von Höhlenökosystemen und der Tatsache, dass Höhlenregionen tendenziell voneinander isoliert sind, beherbergen Höhlen eine Reihe gefährdeter Arten, wie zum Beispiel die Zahnhöhlenspinne , die Liphistius-Falltürspinne und die Graue Fledermaus.

Höhlen werden von vielen oberirdisch lebenden Tieren, einschließlich des Menschen, aufgesucht. Aufgrund des Mangels an Licht und Nahrung sind diese Besuche in der Regel relativ kurz.

Höhleneingänge weisen oft eine typische Flora auf. Beispielsweise sind Höhleneingänge in den östlichen gemäßigten Gebieten der Vereinigten Staaten am häufigsten (und oft dicht) mit dem Zwiebelfarn Cystopteris bulbifera bewachsen .

Menschen haben Höhlen im Laufe der Geschichte genutzt. Die ältesten menschlichen Fossilien, die in Höhlen gefunden wurden, stammen aus einer Reihe von Höhlen in der Nähe von Krugersdorp und Mokopane in Südafrika. Die Höhlenfundstätten Sterkfontein , Swartkrans , Kromdraai B, Drimolen , Malapa , Cooper's D, Gladysvale, Gondolin und Makapansgat bargen eine Reihe früher Menschenarten, die auf ein Alter zwischen drei und einer Million Jahren datiert werden, darunter Australopithecus africanus , Australopithecus sediba und Paranthropus robustus . Es wird jedoch allgemein angenommen, dass diese frühen Menschen nicht in den Höhlen lebten, sondern dass sie von Raubtieren, die sie getötet hatten, dorthin verschleppt wurden.

Der erste jemals in Afrika gefundene frühe Hominide, das Taung-Kind von 1924, wurde lange Zeit ebenfalls einer Höhle zugeschrieben, in die es nach einem Angriff durch einen Adler gefallen war. Diese Theorie wird jedoch mittlerweile kontrovers diskutiert (Hopley et al., 2013; Am. J. Phys. Anthrop.). Zwar bilden sich im Dolomit des Ghaap-Plateaus Höhlen, darunter auch die früh-, mittel- und jungsteinzeitliche Fundstätte Wonderwerk Cave ; die Höhlen entlang der Steilküste, wie die für das Taung-Kind vermutete, entstehen jedoch in einer sekundären Kalksteinablagerung, dem sogenannten Tuffstein . Es gibt zahlreiche Belege dafür, dass andere frühe Menschenarten vor mindestens einer Million Jahren in verschiedenen Teilen der Welt Höhlen bewohnten, darunter Homo erectus in China in Zhoukoudian , Homo rhodesiensis in Südafrika in der Höhle der Herde ( Makapansgat ), Homo neanderthalensis und Homo heidelbergensis in Europa an der archäologischen Stätte von Atapuerca , Homo floresiensis in Indonesien und die Denisova-Menschen im südlichen Sibirien.

Im südlichen Afrika nutzten frühe moderne Menschen ab etwa 180.000 Jahren regelmäßig Meereshöhlen als Unterschlupf, nachdem sie das Meer erstmals für sich entdeckt hatten. ^{[ 29 ]} Die älteste bekannte Fundstätte ist PP13B am Pinnacle Point . Dies ermöglichte möglicherweise die rasche Ausbreitung des Menschen aus Afrika und die Besiedlung von Gebieten wie Australien vor 60.000 bis 50.000 Jahren. In ganz Südafrika, Australien und Europa nutzten frühe moderne Menschen Höhlen und Felsunterstände als Orte für Felszeichnungen, wie beispielsweise in Giant’s Castle . Zu den bekannten heiligen Höhlen zählen die Höhle der tausend Buddhas in China ^{[ 30 ]} und die heiligen Höhlen Kretas .

Paläolithische Höhlenmalereien wurden auf der ganzen Welt gefunden; sie sind 64.800 Jahre alt für nicht-figurative Kunst ^{[ 31 ]} und 43.900 Jahre alt für figurative Kunst. ^{[ 32 ]}

The importance of sound in caves predates a modern understanding of acoustics. Archaeologists have uncovered relationships between paintings of dots and lines, in specific areas of resonance, within the caves of Spain and France, as well as instruments depicting paleolithic motifs,^[33] indicators of musical events and rituals. Clusters of paintings were often found in areas with notable acoustics, sometimes even replicating the sounds of the animals depicted on the walls. The human voice was also theorized to be used as an echolocation device to navigate darker areas of the caves where torches were less useful.^[34] Dots of red ochre are often found in spaces with the highest resonance, where the production of paintings was too difficult.^[35]

Caves continue to provide usage for modern-day explorers of acoustics. Today Cumberland Caverns provides one of the best examples for modern musical usages of caves. The caves are utilized not only for reverberation, but for the dampening qualities of their abnormal faces as well. The irregularities in the walls of the Cumberland Caverns diffuse sounds bouncing off the walls and give the space an almost recording studio-like quality.^[36] During the 20th century musicians began to explore the possibility of using caves as locations as clubs and concert halls, including the likes of Dinah Shore, Roy Acuff, and Benny Goodman. Unlike today, these early performances were typically held in the mouths of the caves, as the lack of technology made depths of the interior inaccessible with musical equipment.^[37] In Luray Caverns, Virginia, an enormous lithophone, the "Great Stalacpipe Organ" has been developed that generates sound by mallets striking stalactites, each with a different pitch.^[38]