Helene Zauner hat eine Mission. Und sie weiß: Ihr bleibt nicht viel Zeit, um sie zu erfüllen. An einem frühlingshaft sonnigen Tag Anfang Mai schreitet die 25-Jährige durch ein großes, natürliches Tor in der weiten Karstlandschaft des Toten Gebirges im österreichischen Salzkammergut – und steigt hinab in die kalte Tiefe. Ihren orange-blauen Overall hat sie bis zum Hals geschlossen und ihre schulterlangen Haare unter einem Helm zusammengebunden. Routiniert setzt sie ihre Schritte so, dass sich die Zacken ihrer Steigeisen in die steile Rampe aus Firn und Eis bohren, um ihr Halt zu geben. Das Licht ihrer Stirnlampe wandert als wabernder Kegel über die feuchten, kalten Wände aus Karstgestein. Vor ihr ragen scharfkantige Formationen aus hellblauem Eis in die Höhe. Helene Zauner ist Geologin und fasziniert von diesem Archiv vergangener Zeiten, von dessen Existenz viele Menschen noch nie gehört haben: Eishöhlen.

Die Schneevulkanhalle, in die Zauner an diesem Tag hinabsteigt, hat eine Grundfläche von rund 130 mal 90 Metern. Damit zählt sie zu den größten eisführenden Hohlräumen der Welt. Gemeinsam mit zwei Kollegen will die Geologin hier herausfinden, wie viel Eis die Höhle beherbergt, wie sich dessen Dicke im Jahresverlauf verändert und wie viel bereits durch die steigenden Temperaturen verloren ging. Im Frühjahr sollte das Höhleneis sein Jahresmaximum erreicht haben. Doch schon am Fuß der Rampe hallt den Forschenden ein Plätschern und Tropfen von der Decke und den Wänden entgegen. »Das habe ich um diese Jahreszeit noch nie erlebt«, sagt Zauner. Vor ihrem Mund bilden sich Atemwolken, denn die Umgebungstemperatur liegt nur knapp über dem Gefrierpunkt. Auf dem Höhlenboden hat sich mehr Wasser gesammelt, als die junge Forscherin erwartet hatte. Offenbar ist der Zeitpunkt, zu dem das Eis am dicksten ist, bereits verstrichen.

Eishöhlen sind Felshöhlen, in denen man ganzjährig Eis findet. Manche Eisablagerungen sind mehrere Jahrhunderte alt, mitunter sogar Jahrtausende. Für Forschende sind sie daher wertvolle Klimaarchive: Durch die genaue Untersuchung des Höhleneises lassen sich Temperatur- und Niederschlagsentwicklungen über lange Zeiträume nachzeichnen, etwa anhand des Verhältnisses leichter und schwerer Sauerstoff- und Wasserstoffisotope. Zugleich beherbergt das Eis mikrobielle Lebensgemeinschaften, die erst seit wenigen Jahren intensiver erforscht werden. In dem rund 5000 Jahre alten Eis einer rumänischen Eishöhle beispielsweise entdeckte ein Forschungsteam nicht nur mehr als ein Dutzend bislang unbekannter Mikroben. Sie identifizierten darin zudem Bakterienstämme, die gegenüber zehn modernen Antibiotika resistent sind.

Darüber hinaus konserviert Höhleneis Pollenkörner, Holzfragmente sowie Asche- und Schwefelpartikel aus längst vergangenen Zeiten. Das organische Material erzählt Geschichten davon, wann welche Vulkane ausbrachen und wie die umliegenden Wälder vor Hunderten oder Tausenden von Jahren aussahen. Aus den im Eis gespeicherten Informationen können Fachleute die Umweltbedingungen der Vergangenheit rekonstruieren und so auch besser die Zukunft auf unserem Planeten abschätzen, der sich zunehmend und rasch erwärmt.

Aufschlussreiche Analyse uralter Pollenkörner

Welche Erkenntnisse die Forschung dem Eis entlocken kann, zeigt eine Eishöhle mit dem etwas sperrigen Namen A-294. Ihr Eingang liegt in den südlichen Zentralpyrenäen Spaniens auf rund 2200 Höhenmetern und damit etwa 200 Meter oberhalb der aktuellen Baumgrenze. A-294 ist eine von nur wenigen Dutzend Eishöhlen weltweit, die wissenschaftlich untersucht werden. Für Forschende vieler Disziplinen birgt sie eine außergewöhnliche Ressource: uraltes Höhleneis. Ein Teil davon bildete sich vor rund 6100 Jahren. Zu der Zeit entstand in Mesopotamien die sumerische Hochkultur.

Im Jahr 2018 analysierte ein Team der spanischen Universität Saragossa die Sauerstoff- und Wasserstoffisotope des Höhleneises. So rekonstruierten die Forschenden, unter welchen klimatischen Bedingungen sich das Eis im Lauf der Jahrtausende gebildet hatte. Im selben Jahr nahm eine interdisziplinäre Gruppe aus den Fachbereichen Geologie, Paläoökologie, Biologie und Botanik im Eis eingeschlossene Pollenkörner sowie weitere winzige, fossile Pflanzenreste unter die Lupe. Die Analysen zeigten, wie sich die Baumgrenze und die Vegetation in der Umgebung der Höhle in kälteren und wärmeren Phasen der Erdgeschichte verändert hatten und welche Baumarten einst die umliegenden Wälder prägten.

Besonders aufschlussreich waren die Daten für die Haken-Kiefer (Pinus uncinata) und die Moor-Birke (Betula pubescens). Die paläoökologischen Analysen deuten darauf hin, dass sich beide Arten auch in Klimaphasen behaupten konnten, in denen es wärmer war als heute. Mit fortschreitender Klimaerwärmung könnten sie daher weiter in höhere Lagen wandern und die arktisch-alpinen Pflanzengesellschaften verdrängen.

Ein weiteres interdisziplinäres Forschungsteam entnahm der Eishöhle A-294 für eine 2023 veröffentlichte Studie vier Eisbohrkerne. Die Wissenschaftler tauten die Proben auf, extrahierten daraus DNA und bestimmten die enthaltenen Sequenzen. Insgesamt identifizierten sie 1495 Mikrobenarten, vor allem Bakterien, daneben aber auch Pilze und Flagellaten. In Wasserproben aus den äußeren Eisschichten, die mit Sonnenlicht in Kontakt kamen, fanden die Wissenschaftler sogar Arten von Bakterien, die Fotosynthese betreiben können. Zu ihrer Überraschung entdeckten sie darüber hinaus thermophile Bakterien, die hohe Temperaturen bevorzugen. Zwar waren solche Mikroorganismen bereits aus Oberflächengletschern bekannt, ihr Vorkommen im Höhleneis hatten die Forschenden jedoch nicht erwartet. Wie sie dort überleben können, ist noch nicht abschließend geklärt.

In einem nächsten Schritt setzten die Wissenschaftler die Mikroben einer Temperatur von vier Grad Celsius aus, um die zukünftige Erwärmung im Inneren der Höhle zu simulieren. Die Experimente zeigten, dass steigende Temperaturen sowohl die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft als auch deren Stoffwechsel beeinflussen. Eine wichtige Schlussfolgerung lautet daher: Schmilzt das Eis, begünstigt das Prozesse, die zur Freisetzung von Stickstoffverbindungen beitragen können, die als Treibhausgase wirken.

Solche Veränderungen betreffen nicht nur die Eishöhlen der Pyrenäen. Auch in den Alpen, den rumänischen Karpaten, dem kroatischen Velebit-Gebirge und von Hawaii sind massive Schmelzereignisse dokumentiert. Seit Anfang der 2010er-Jahre mahnen Fachleute deshalb zur Eile. Sie wollen die eisigen Archive retten oder zumindest ihren Inhalt bergen, bevor die darin gespeicherten Informationen unwiederbringlich verloren gehen. Andernfalls können sie weder heute noch von nachkommenden Generationen wissenschaftlich ausgewertet werden.

Christoph Spötl ist einer der Mahner. »Die Zeit läuft uns schneller davon, als wir noch vor wenigen Jahren dachten«, sagt der 62-jährige Geologe. Er leitet die Quaternary Research Group an der Universität Innsbruck, der auch Helene Zauner angehört. Die Forschungsgruppe widmet sich dem Quartär, dem jüngsten Abschnitt der Erdgeschichte, der vor rund 2,6 Millionen Jahren begann und bis heute andauert. Die Tiroler Wissenschaftler ergründen unter anderem, wie sich frühere Klimaänderungen auf Eishöhlen ausgewirkt haben. Das hilft, die Folgen der menschengemachten Klimaerwärmung auf diese Naturphänomene besser zu verstehen.

Milde Winter und Starkregen im Sommer bedrohen Höhleneis 

Weltweit dürften mehrere Tausend Eishöhlen existieren. Wie viele es genau sind, weiß niemand. Österreich weist die höchste bekannte Dichte auf: Es sind rund 1200 größere und kleinere Eishöhlen dokumentiert. Für eine 2022 veröffentlichte Studie untersuchten Spötl und sein Kollege Tanguy Racine den Eisrückgang in acht davon. Sie bestimmten das Alter von winzigen, im Eis eingeschlossenen Holzfragmenten. Waren diese nur wenige Zentimeter übereinander eingefroren, wiesen aber einen starken Altersunterschied auf, deutete das darauf hin, dass über längere Zeit mehr Eis abgeschmolzen war, als sich neu gebildet hatte. Die Analyse zeigte: In den vergangenen vier Jahrzehnten ging das Eis rascher verloren als in den zwei Jahrtausenden zuvor.

Der wichtigste Treiber dieser Entwicklung ist die menschengemachte Erwärmung des Klimasystems. Sie verstärkt zwei Prozesse, die den Eisverlust beschleunigen. Zum einen werden die Winter milder. Zum anderen kommt es, da wärmere Luft mehr Wasserdampf speichern kann, vor allem bei Wetterumschwüngen zu intensiven Niederschlagsereignissen im Sommer.

Während die Schmelze also voranschreitet, sind viele Eishöhlen wahrscheinlich noch unentdeckt. In schwer zugänglichen Gebieten der nördlichen Rocky Mountains in Kanada vermuten Experten wie Christoph Spötl noch etliche große Höhlen. Das Eis vieler, vor allem kleiner Höhlen wird wohl schmelzen, bevor ein Mensch es zu Gesicht bekommen hat und untersuchen konnte.

»Ich muss diese Messungen jetzt durchführen. In ein paar Jahren könnte es dafür zu spät sein«Helene Zauner, Geologin

Helene Zauner weiß deshalb: »Ich muss diese Messungen jetzt durchführen. In ein paar Jahren könnte es dafür zu spät sein.« Sie richtet ein orange-schwarzes Gerät eine Armlänge von sich entfernt auf die kalte Wand. Der mobile Laserscanner sendet 300 000 Lichtpulse pro Sekunde aus. Aus der Laufzeit und dem Winkel, in dem das Licht reflektiert wird, berechnet das Gerät die Entfernung sowie weitere Positionsdaten mit hoher Präzision. Am Computer wird sie die Messungen später zu einer dreidimensionalen Punktwolke zusammenführen, einer digitalen Nachbildung der Höhle, die weitere Analysen ermöglicht. Außerdem will sie Daten von Temperatursensoren auslesen, die an drei verschiedenen Stellen in der Höhle verteilt sind. So kann sie herausfinden, wie die Luft durch die Höhle zirkuliert. Im Labor wird sie die Isotopenzusammensetzung von Wasser analysieren, das von der Decke getropft ist. Daraus kann sie schließen, ob es zuvor Schnee war und wie lange es brauchte, um dorthin zu gelangen.

Unterdessen bahnen sich ihre beiden Kollegen einen Weg durch die von Latschenkiefern bewachsene Karstlandschaft des Toten Gebirges zum etwas höher gelegenen Königsschacht. Dort bringen sie Sicherungen an, damit sich Zauner später an einem eingehängten Seil in die Schneevulkanhalle herablassen kann. Währenddessen wird sie mit dem Laserscanner den Schneevulkan vermessen, einen rund 30 Meter hohen Kegel aus Eis, Firn und Schnee, der sich unter dem Königsschacht erhebt.

Der Kegel entstand, indem sich über längere Zeiträume Schnee verdichtete, der durch den Schacht fiel. Zur Eisbildung in der Halle trägt vorrangig der sogenannte Kamineffekt bei. In kalten Wintern, wenn die Luft in der Schneevulkanhalle wärmer und somit leichter ist als die Außenluft, steigt diese durch den Königsschacht nach oben. Kalte Luft wird durch den weiter unten liegenden größeren Eingang eingesogen, wodurch sich die Höhle stark abkühlt. Schnee sowie Regen, die über der Höhle fallen, sickern langsam durch das gekluftete Gestein und frieren fest. Auf diese Weise entstanden die bis zu 15 Meter hohen Eisstalagmiten, die wie Pilze aus dem Boden der Halle wachsen. Helene Zauner legt den Kopf in den Nacken, um sie zu betrachten. Der Lichtkegel ihrer Stirnlampe schickt ein mattes Glitzern über das Eis.

Aus Berichten lokaler Höhlenforscher und eigenen Beobachtungen weiß sie, dass die Eisstalagmiten in den vergangenen Jahren stark geschrumpft sind. Die Schmelze hat den Formationen zugesetzt. Die meisten Stalagmiten sind nicht mehr glatt, sondern von tiefen Mulden überzogen. Auch das Bodeneis war einst mächtiger. Schmelzwasser hat tiefe Kanäle in die rund sieben Meter dicke Schicht gefressen.

Eisarchiv für nachfolgende Generationen bewahren

Nicht nur Forschende stellen fest, dass das Höhleneis rasant schwindet. Auch die Betreiber touristischer Schauhöhlen wie der Eisriesenwelt in Werfen im österreichischen Bundesland Salzburg beobachten seit vielen Jahren die Folgen zunehmend starker Niederschläge im Sommer. Zeitverzögert sickert das warme Regenwasser durch das Gestein und frisst sich ins Höhleneis. In einer 2021 veröffentlichten Studie brachte ein internationales Team um den Geologen Aurel Perşoiu erstmals den Eisrückgang in sechs Höhlen in Kroatien, Rumänien, Griechenland und Slowenien mit sommerlichen Starkregenfällen im Jahr 2019 in Verbindung. Die Wissenschaftler stellten enorme Verluste fest. So verschwanden in der Scărişoara-Eishöhle im rumänischen Apuseni-Gebirge innerhalb eines Sommers rund 1000 Kubikmeter Eis. »Die Studie ist alarmierend«, sagt Christoph Spötl. Bislang fehlten allerdings systematische Langzeitbeobachtungen, um den Einfluss solcher Extremereignisse auf die Eisbilanz zu erfassen.

Dass die Erwärmung der Atmosphäre im Winter zum Eisverlust beiträgt, ist besser belegt. Im Jahr 2022 beispielsweise veröffentlichte Maria Wind, ein ehemaliges Mitglied der Innsbruck Quaternary Research Group, eine Fallstudie zur Hundsalm-Eishöhle in Tirol. Die Meteorologin analysierte Temperaturdaten aus dem Inneren der Höhle und ihrer Umgebung, die über mehr als ein Jahrzehnt aufgezeichnet worden waren. Die Hundsalm-Eishöhle besitzt nur einen Eingang, durch den kalte Winterluft einströmt. Wenn die Luft nach unten absinkt und nicht entweichen kann, bleibt sie auch den Sommer über im Höhleninneren eingeschlossen. Warme Winter, so belegte Maria Wind, begünstigten den Eisrückgang, weil sich die Höhlenluft weniger stark abkühlt. »Wenn die Winter langfristig milder werden, haben Eishöhlen ein Problem«, fasst Christoph Spötl, Mitautor der Studie, die Ergebnisse zusammen.

Helene Zauner streift die Handschuhe von den klammen Fingern und schneidet sich eine daumendicke Scheibe Brot ab. Ihre kurze Mittagspause verbringt sie in der Sonne vor dem Höhleneingang, aus dem eisige Luft strömt. »Das 3D-Punktmodell«, erklärt sie, bevor sie in ihr Käsebrot beißt, »bildet zwar die Umgebung ab. Es erlaubt aber nicht, Gestein und Eis voneinander zu unterscheiden.« Deswegen will sie am Folgetag zurückkehren und einen weiteren langen Forschungstag in der Tiefe verbringen. Sie wird Hunderte sich teils überlappende Fotos der Halle und der Eisformationen machen. Aus den Bildern erstellt sie anschließend ein sogenanntes fotogrammetrisches Modell, eine präzise, dreidimensionale Rekonstruktion der Höhlenumgebung. Genau das tat im Jahr 2021 bereits Florian Josephowitz, damals Geodäsie-Student an der Universität Stuttgart, im Rahmen seiner Abschlussarbeit. Für Zauner ist das ein Glücksfall: Sie kann sein Modell mit ihrem eigenen vergleichen und so berechnen, wie viel Eisvolumen in den vergangenen fünf Jahren verloren gegangen ist.

Eis in hoch gelegenen Höhlen sowie in hohen Breiten überdauert womöglich am längsten. »Das Schicksal kleiner Eishöhlen dagegen ist besiegelt«, sagt Christoph Spötl. Um verlässlich abschätzen zu können, welches Höhleneis noch wie lange erhalten bleibt, bräuchte es allerdings Modelle, die mit soliden, über längere Zeiträume hinweg erhobenen Daten zu Temperaturentwicklungen und Eisvolumina kalibriert werden. Doch die gibt es nicht. Es mangelt an der Finanzierung dichter Messnetzwerke. Eishöhlenforschung ist bis heute ein Nischenthema.

Spötl möchte die wissenschaftlich wertvollen Klimaarchive für nachfolgende Generationen bewahren. Dafür müsste man Bohrkerne an einem kalten Ort verstauen. Im Rahmen des IceMemoryProject hat ein internationales Konsortium aus Forschungseinrichtungen und Universitäten bereits Bohrkerne aus Oberflächengletschern gesichert. Sie stammen unter anderem von Spitzbergen, aus den Alpen und Anden, vom Kilimandscharo sowie aus dem Pamir- und Altai-Gebirge und lagern heute in der Concordia-Forschungsstation in der Antarktis.

Die eisigen Archive schmelzen schneller, als die Forschung ihnen ihre Geheimnisse entlocken kann

Für Höhleneis wäre ein ähnliches Vorgehen denkbar. Dazu bräuchte es jedoch eine schlagkräftige Forschungsgruppe und ausreichende finanzielle Mittel, um Bohrkerne systematisch zu bergen, per Hubschrauber auszufliegen und in speziellen Transportbehältern einzulagern. Das Eiskernarchiv am Niels-Bohr-Institut der Universität Kopenhagen, berichtet Spötl, hat ihm bereits zugesagt, das Material aufzunehmen.

Über dem Toten Gebirge sinkt bereits die Sonne gen Horizont, feiner Regen hat eingesetzt. Um kurz vor acht Uhr steigt Helene Zauner ein letztes Mal die Eisrampe hinauf zu ihren beiden Kollegen, die vor dem Eingang warten. Sie löst die Steigeisen von den schweren Schuhen und tauscht den Overall gegen ihre Wanderkleidung. Die drei haben noch einen zweistündigen Marsch zum Parkplatz und eine kurze Autofahrt vor sich. Am nächsten Morgen wird der Wecker um sechs Uhr erneut klingeln. Noch mindestens zweimal möchte Zauner in diesem Jahr zur Schneevulkanhalle zurückkehren. Denn die Nachwuchswissenschaftlerin weiß: Die eisigen Archive schmelzen schneller, als die Forschung ihnen ihre Geheimnisse entlocken kann.