Kalter Atem schlafender Vulkane: Die unbekannte Welt der CO2-Mofetten [2. Aufl. 2019] 978-3-662-60339-0, 978-3-662-60340-6

Table of contents :
Front Matter ....Pages I-XIX
Einführung (Hardy Pfanz)....Pages 1-2
Magmatische, vulkanische und andere geogene Gasexhalationen (Hardy Pfanz)....Pages 3-12
Mofetten (Hardy Pfanz)....Pages 13-37
Geologisch-vulkanologische Grundlagen (Hardy Pfanz)....Pages 39-41
Kohlenstoffdioxyd – Kohlendioxid – CO2 – die Kenngröße für Mofetten (Hardy Pfanz)....Pages 43-55
Lebensraum Mofette (Hardy Pfanz)....Pages 57-84
Bakterien und Pilze (Hardy Pfanz)....Pages 85-89
Tiere (Hardy Pfanz)....Pages 91-109
Mofetten und Klima (Hardy Pfanz)....Pages 111-118
Die Böden in Mofetten (Hardy Pfanz)....Pages 119-127
Die Bedeutung und Nutzung von Mofetten (Hardy Pfanz)....Pages 129-150
Die mythisch-ethnologische Bedeutung von CO2-Ausgasungen (Hardy Pfanz)....Pages 151-158
Gefahr durch CO2 – Menschliche Tragödien (Hardy Pfanz)....Pages 159-171
Mofexotisches und Mofetto-Pareidolie (Hardy Pfanz)....Pages 173-187
Nachwort: Schutz von Mofetten (Hardy Pfanz)....Pages 189-190
Back Matter ....Pages 191-222

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Hardy Pfanz

Kalter Atem schlafender Vulkane Die unbekannte Welt der CO2-Mofetten

Kalter Atem schlafender Vulkane

Hardy Pfanz

Kalter Atem schlafender Vulkane Die unbekannte Welt der CO2-Mofetten 2. Auflage

Prof. Dr. Hardy Pfanz Angewandte Botanik & Vulkanbiologie Universität Duisburg-Essen Essen, Nordrhein-Westfalen, Deutschland

ISBN 978-3-662-60339-0 ISBN 978-3-662-60340-6  (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-662-60340-6 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. 1. Auflage (2008) bei Rheinischer Ver. f. Denkmalpflege u. Landschaftsschutz © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2019 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von allgemein beschreibenden Bezeichnungen, Marken, Unternehmensnamen etc. in diesem Werk bedeutet nicht, dass diese frei durch jedermann benutzt werden dürfen. Die Berechtigung zur Benutzung unterliegt, auch ohne gesonderten Hinweis hierzu, den Regeln des Markenrechts. Die Rechte des jeweiligen Zeicheninhabers sind zu beachten. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag, noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Planung/Lektorat: Sebastian Müller Einbandabbildung: Hardy Pfanz Unter Verwendung eines Photos © von H. Pfanz Springer ist ein Imprint der eingetragenen Gesellschaft Springer-Verlag GmbH, DE und ist ein Teil von Springer Nature. Die Anschrift der Gesellschaft ist: Heidelberger Platz 3, 14197 Berlin, Germany

Mofetten sind gefährliche Standorte, deren Erforschung genaue Kenntnis der geologischen sowie physikalisch-chemischen und klimatischen Faktoren voraussetzt. Vor eigenständigem Suchen und Erforschen von Mofetten sei hier ausdrücklich gewarnt! Meiden Sie vor allem die Nähe des Bodens. Knien und legen Sie sich auf keinen Fall hin. CO2-Gas ist schwerer als Luft. Es besteht Lebensgefahr, da CO2 in erhöhten Konzentrationen auf den lebenden Organismus toxisch wirkt.

Meinem Freund und Kollegen Priv. Doz. Dr. Bohumir Lomský gewidmet, der uns viel zu früh verließ.

Vorwort zur zweiten Auflage

Das sich fast exponentiell vermehrende Wissen um die kalten CO2-Ausgasungen im Umfeld von Vulkanen und tektonischen Störungen machte eine erweiterte Beschreibung dieses interessanten geo-biologischen Phänomens nötig. Viele „Mofettologen“ haben die rein deskriptive, phänomenologische Phase der Mofettenforschung hinter sich gelassen und haben inzwischen quantitative Aussagen und Beschreibungen geliefert, die wesentlich mehr Einsicht in dieses fantastische Phänomen der geogenen CO2-Ausgasungen erlauben. Es sei augenzwinkernd erwähnt, dass unter anderem wegen dieses biologischen Beitrages zur Vulkanologie, manch eingefleischter Eu-Geologe das grüne Unkraut (Kenner nennen es Vegetation) auf dem toten Untergrund inzwischen zur Kenntnis nimmt, ja sogar analytisch nutzt. Es ist ein Vergnügen zu beobachten, wie selbst der hartgesottenste Vulkanologe die Pflanzengattung Carex mittlerweile wie selbstverständlich nutzt, um den interessierten Geo-Studenten auf die indikatorische Zeigerwirkung dieser Pflanzen bei der Suche von geogenem CO2 hinzuweisen. Schön wäre, wenn auch dieses Werk wieder Menschen von der Schönheit, der Seltenheit und dem diabolischen Reiz von Mofetten überzeugen könnte. Vielleicht würde dies auch dazu beitragen, dass die fragilen Mofettenstandorte Nordwest-Tschechiens oder die der Osteifel (Laacher See) endlich den Schutz bekämen, den sie als Geotope oder besser Geo-Biotope verdienten. Ich wünsche viele neue Erkenntnisse und mephitischen Spaß bei der Lektüre. Dülmen im Sommer 2019

Hardy Pfanz VII

Vorwort zur ersten Auflage

Pflanzen und ihre Reaktionen und Anpassungen sind viel spannender als man gemeinhin glauben mag. Obschon sich Lieschen Müller den klassischen Botaniker noch immer in abgewetzten Cordhosen, behütet mit einer völlig aus der Mode geratenen Kopfbedeckung und mit der charakteristischen Botanisiertrommel durch Sümpfe und Moore streifend vorstellt, haben sich die botanischen Wissenschaften in den letzten Jahrzehnten enorm weiterentwickelt. Neben der rein qualitativen Beschreibung der Pflanzen und ihrer Umwelt ist man nun zu hoch-quantitativen Verfahren und ausgefeilten Techniken übergegangen. Seit langem schon fragt man nach den ursächlichen Zusammenhängen zwischen der belebten und unbelebten Umwelt und dies sowohl im Labor als auch im Freiland. Ausgesprochen spannend ist in diesem Zusammenhang die Auseinandersetzung mit den Phänomenen der Anpassung von Pflanzen an Extremstandorte. Ein solcher Standort, dem in jüngerer Zeit immer mehr Aufmerksamkeit gewidmet wird und an dem die botanischen Wissenschaften maßgeblich mitarbeiten, sind Standorte vulkanischer, gasförmiger CO2-Exhalationen – die Mofetten. In enger Zusammenarbeit mit vielen Geologen, Vulkanologen, Sedimento- und Pedologen, Geochemikern und Geophysikern bearbeitet die Biologie derzeit diese spannenden Standorte – und die Erkenntnis nimmt entsprechend zu. Die Befunde, die Erklärungen und die offenen Fragen dieser Zusammenarbeit sind Inhalt des vorliegenden Büchleins. Möge die Lektüre sowohl lehrreich und spannend als auch motivierend sein.

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X      Vorwort zur ersten Auflage

Wenn der geneigte Leser nach der Lektüre in gleichem Maße botanophile sowie vulkanophile Neigungen zeigen sollte, hätte der Autor sein gesetztes Ziel erreicht. Dülmen im Frühjahr 2008

Hardy Pfanz

Danksagung

Der Deutschen Vulkanologischen Gesellschaft sei Dank für die Ermunterung, eine Neuauflage des Mofettenbuches zu wagen. Meinem Vater, Herrn Gerhard Pfanz, schulde ich Dank für das Lesbarmachen und die nervenzehrende Übersetzung der in Sütterlin handschriftlich aufgezeichneten Gerichtsakte über Gasbohrungen im Brohltal/Eifel. Prof. Dr. Dominik Vodnik und Prof. Dr. Franc Batič (Universität Ljubljana, Slowenien) schulde ich großen Dank für die Einführung in die Freiland-Mofettologie. Dir. Dr. Antonio Raschi (IBIMET, Florenz) sei Dank für die tolle Kooperation bei der Bearbeitung italienischer Mofetten. Herrn Dipl. Ökol. und Forstassessor Frank Saßmannshausen schulde ich Dank für die exzellente Bestimmung von Mofettenpflanzen inkl. der exakten Determination manch heikler Carex-Arten während unserer Messkampagnen. Ich danke Frau Dr. Annika Thomalla (sie hält mit weitem Abstand den Weltrekord der Bohrlochsetzung mit weit mehr als 900.000 gebohrten Löchern zur CO2-Bodenmessung) für die Erstellung der hübschen Gasemissionskarten, die Hilfe bei der Auswertung diffiziler Daten sowie die Bearbeitung von Abbildungen. Prof. Dr. Wolfgang Oßwald (TU München) und Herrn Bürgermeister Dr. Wieland Gsell danke ich für die Organisation einer Mofetten-Expedition ins fränkische Sinntal und die praktische Unterstützung bei schweißtreibenden Bohrungen. Herrn Heinz Lempertz (DVG Mendig) sei Dank für Organisation und Betreuung vieler Messkampagnien in der Osteifel. Pater Basilius Sandner vom Benediktinerorden Maria Laach sowie dem gesamten Kloster ganz herzlichen Dank für den Zugang zum Archiv und die vielen Hilfen während der Erstellung des Bändchens. Herrn Ing. Kurt Degen XI

XII      Danksagung

­ erzlichen Dank für die wertvollen Tipps und die Überlassung von Daten. h Dr. Horst Kämpf (GFZ Potsdam) sei Dank für die Führungen durch deutsche und tschechische Mofettengebiete. Frau Dr. Wittmann hat bei den ökophysiologischen Messungen in Slowenien und Tschechien trotz der permanenten Angriffe bösartiger Stechmücken exzellente Arbeit geleistet. Der Firma Carbo und vor allem ihrem ehemaligen Geschäftsführer, Herrn Dr. Krause, sowie dem neuen Geschäftsführer Herrn Oliver Kik sei Dank für eine Werksführung und das Zurverfügungstellen alter Photographien. Den Kollegen Professor Dr. K. Heide, Prof. Dr. L. Viereck, Prof. Dr. G. Büchel (alle Universität Jena), Dr. Christina Flechsig (Universität Leipzig) und PD Dr. Volker Tank (Deutsche Luft- und Raumfahrttechnik DLR, Oberpfaffenhofen), Dr. U. Koch (Sächsische Akademie der Wissenschaften), Dir. Dr. Bohumir Lomsky (VULHM, Prag) sei Dank für ihre aktive Mithilfe, ihre wertvollen Informationen aber auch für ihre anfängliche Skepsis gegenüber in fremden Territorien wildernden Botanikern. Herzlichen Dank auch an Frau Kerstin Werner (Roermond, NL) für die tollen Ideen und die Mithilfe bei der tektonischen Maisfeldforschung. Den Studenten Olivier Ruiz und Laura Siegert sei Dank für die professionelle Bestimmung der nicht immer ansehnlichen und wahrlich nicht gut riechenden Tierleichen. Weiterer Dank gebührt Herrn Dr. Simon Plank (DLR Oberpfaffenhofen) für die Bereitstellung der Luftbilddaten, Dr. Michael Tercek und John King, (Yellowstone), Dr. John (Jack) Lockwood (Hawaii) und Dr. Bill Evans (USDA, San Francisco). Dr. Fatima Viveiros, Dr. Catarina P.P. Silva (Ponta Delgada, Azoren), Prof. Dr. Georgos Papatheodorou, Prof. Dr. Maria Geragas, Herrn Xenophon Dimas (alle Universität Patras), sowie Prof. Dr. Kostas Kyriakopoulos (Universität Athen) sei Dank für die Führungen und die Hilfe im jeweiligen Gelände. Prof. Dr. Galip Yüce (Haceteppe Universität Ankara) und seinem Team, Prof. Dr. Antoine Kies (Universität Luxemburg), Dr. Giovanni Chiodini (Osservatorio Vesuviano, Neapel), Prof. Dr. Thilo Rennert (Universität Hohenheim), Prof. Dr. Wolfgang Bilger (Universität Kiel), Prof. Dr. Marian Kazda (Universität Ulm), Prof. Dr. Wolfgang Kirchner und Prof. Dr. Dominik Begerow (Universität Bochum), Prof. Dr. Hans-Ulrich Schmincke (Geomar, Kiel), Dr. Heiko Woith (GFZ Potsdam), Förster Karl-Hermann Gräf (Forstamt Koblenz), Frau Uhl vom Referat Naturschutz, Struktur und Genehmigungsdirektion Nord, Koblenz, sowie Frau K. Flick, Untere Landschaftsschutzbehörde des Kreises Siegen-Wittgenstein, sei Dank für die wertvolle Unterstützung bei Freilandaufenthalten. Für die Erlaubnis in der

Danksagung     XIII

Bad Pyrmonter Dunsthöhle Jahresmessungen machen zu dürfen, danke ich Herrn Dirk Langhammer und dem stellvertr. Kurdirektor André Schubert. Meinem Sohn Benny Pfanz und meiner Frau Elfi Pfanz sei Dank für die Erstellung mancher Abbildungen und das perfekte Korrekturlesen. Die essentielle Hilfe und die nett formulierte Kritik beim Korrekturlesen durch Dr. Walter D`Alessandro (INGV, Palermo) und Dr. Jens Heinicke (Bergakademie Freiberg) muss hier unbedingt erwähnt werden: beide Kollegen bemühten sich, mir die geologischen und geophysikalischen Hintergründe geogener Gase näherzubringen. Walter DʼAlessandro sei zudem Dank für die vielen Exkursionen und Messhilfen und die nicht abreißende Geduld, einem Biologen die Welt der Vulkane zu erklären. Schlussendlich möchte ich dem Springer Verlag danken, namentlich Herrn Dr. Sebastian Müller und Frau Janina Krieger, die es mit unermüdlicher Geduld und Geschick verstanden, selbst einen Vulkanbiologen schlussendlich zufriedenzustellen. Natürlich wird dieses Buch wieder Fehler und Ungenauigkeiten enthalten. Dies ist bei der Fülle der Information nicht ganz zu verhindern. Hier bitte ich um direkte Mitteilung, damit ich diese Fehler für folgende Auflagen ausmerzen kann. Auch werde ich, wie eigentlich immer, einige Kollegen bei der Danksagung vergessen haben. Ich bitte dafür zutiefst um Verzeihung und gelobe Besserung bei der dritten Auflage des Mofettenbuches.

Inhaltsverzeichnis

1 Einführung 1 2

Magmatische, vulkanische und andere geogene Gasexhalationen 3 2.1 Solfataren 4 2.2 Fumarolen 5 2.2.1 Heiße Geysire 6 2.3 Methan-freisetzende Entgasungen 8 2.3.1 Schlammvulkane 8 2.3.2 Ewiges Feuer 9 2.3.3 Submarine Methanquellen 10 2.4 Schwarze und weiße Raucher 11 2.5 CO2-Emissionen 12

3 Mofetten 13 3.1 Was sind Mofetten 14 3.2 Eu-Mofetten – echte Mofetten 22 3.2.1 Trockene oder nasse Mofetten? 22 3.3 Aquatische Mofetten 24 3.4 Gasgetriebene Kaltwasser-Geysire oder Sprudel 25 3.5 Säuerlinge 26 3.6 Eisenocker 26 3.7 Die biogene Entkalkung 28 3.7.1 Carbonat kann hart sein 28 3.7.2 Die Steinernen Rinnen 29 XV

XVI      Inhaltsverzeichnis

3.8 3.9

3.10

Wandernde Mofetten Pseudo-Mofetten – keine Mofetten 3.9.1 Degradierte Moore – Sauerland 3.9.2 „Seismo-tektonisch“ induzierte Änderung der CO2-Freisetzung in Roermond 3.9.3 Biogene Bodenatmung Kann man Mofetten suchen?

30 31 31 33 34 36

4

Geologisch-vulkanologische Grundlagen 39

5

Kohlenstoffdioxyd – Kohlendioxid – CO2 – die Kenngröße für Mofetten 43 5.1 Nomenklatorisches 43 5.2 Die physiko-chemischen Eigenschaften von CO2 44 5.2.1 Geruch und Geschmack 44 5.2.2 Die Wasserlöslichkeit 45 5.2.3 Die Säurewirkung 45 5.2.4 Absorption von Wärmestrahlung 49 5.2.5 Die spezifische Dichte 50 5.2.6 Die Sichtbarkeit des Gases 50 5.2.7 Die Verdrängung von Sauerstoff 51 5.3 Die Toxizität von Kohlendioxid 53

6

Lebensraum Mofette 57 6.1 Pflanzen in Mofetten 58 6.1.1 Pflanzen sterben ab 59 6.1.2 Wuchs und Aussehen der Pflanzen ändern sich 61 6.2 Angepasste Pflanzen können wachsen – die azonale Vegetation 64 6.2.1 Klare Grenzen 66 6.3 Physiologische Anpassungen von Pflanzen 70 6.3.1 Nährelemente in Mofettenpflanzen 72 6.4 Mofettophilie und Mofettophobie 73 6.5 CO2 und Bäume 76 6.5.1 Das Problem der Schlenke 79 6.6 Die heißen „fumarolischen“ Mofetten der Azoren 79 6.7 Mofetten von oben gesehen 82

Inhaltsverzeichnis     XVII

7

Bakterien und Pilze 85 7.1 Bakterien und Archaeen 85 7.2 Pilze 87 7.2.1 Umbelopsis 87 7.2.2 Pilze in Mofettenböden 87 7.2.3 Die Boden-Hefen 88

8 Tiere 91 8.1 Tiere sterben 92 8.2 Thanatocoenosen 94 8.2.1 Warum landen so viele verschiedene Tiere in der CO2-Todesfalle? 97 8.3 Tierleben im Gasgradienten 100 8.3.1 Springschwänze und Fadenwürmer 100 8.4 Tiere markieren Ausgasungsgrenzen 101 8.4.1 Maulwürfe 102 8.4.2 Schwalben 104 8.4.3 Fledermäuse 104 8.4.4 Wildschweine 105 8.5 Das bewusste Töten von Tieren 106 8.5.1 Grotta del Cane 107 8.5.2 La Grotte du Chien a Royat 108 9

Mofetten und Klima 111 9.1 Mofetten und das Mikroklima 112 9.2 Das CO2-Gas-Tal Bossoleto 112 9.2.1 Der CO2-Tagesgang 112 9.2.2 Die Wolkenbildung in Bossoleto 115 9.3 Bad Pyrmont 116 9.4 Mofetten und das Weltklima 118

10 Die Böden in Mofetten 119 10.1 Das Gas im Boden 120 10.1.1 Die Transektdarstellung 120 10.1.2 Die Flächendarstellung 121 10.1.3 Die Würfeldarstellung von Bodenmonolithen 122 10.2 Das CO2 zu Sauerstoffverhältnis 123 10.3 Die pH-Werte in Mofettenböden 124 10.4 Die Pufferung des Bodens 125

XVIII      Inhaltsverzeichnis

10.5 10.6

Der Humusgehalt von Mofettenböden 126 Der Mineralstoffgehalt 126

11 Die Bedeutung und Nutzung von Mofetten 129 11.1 Wirtschaftliche Nutzung 129 11.1.1 Die Gewinnung von Mineralwässern 130 11.1.2 Herstellung von Chemikalien 131 11.1.3 Die Herstellung von Trockeneis 132 11.1.4 CO2 bei der Herstellung, Verarbeitung und Haltbarmachung von Nahrungsmitteln 132 11.1.5 CO2 bei der Schädlingsbekämpfung 133 11.1.6 CO2 bei der Brandbekämpfung 133 11.1.7 CO2 und die Pflanzendüngung 133 11.2 Die Erbohrung und Gewinnung von CO2-Gas 134 11.2.1 Kampf dem Treibhauseffekt 135 11.3 Die medizinische Nutzung von Mofetten 138 11.3.1 Kuren und Balneologie 138 11.3.2 Schlecht heilende Wunden 140 11.4 Mofetten und Tourismus – Geo-Biotope 141 11.5 Italien – Campi Flegrei 143 11.5.1 Tschechien – Soos 145 11.6 Deutschland – Die Vulkaneifel 146 12 Die mythisch-ethnologische Bedeutung von CO2-Ausgasungen 151 12.1 Mythische Orte und Opferstätten 151 12.1.1 Orakelstätten 152 12.1.2 Die antiken Eingänge zur Hölle 153 13 Gefahr durch CO2 – Menschliche Tragödien 159 13.1 Mammoth – Horseshoe Lake 161 13.2 Djeng-Plateau 161 13.3 Afrikanische Vulkanseen: Monoun und Nyos in Kamerun 161 13.4 Nyiragongo und Nyamulagira 164 13.5 Zwei schauerliche Geschichten vom Laacher See 164 13.5.1 Der Tod der jungen Mönche 164 13.5.2 Die Plausibilitätsfrage 167 13.5.3 Das Bayer-Loch am Laacher See 170

Inhaltsverzeichnis     XIX

14 Mofexotisches und Mofetto-Pareidolie 173 14.1 Gefangene Bläschen 174 14.1.1 Die Eisdecke und das CO2-Gas 174 14.1.2 Die Carbonatkruste 175 14.2 Der Spritzstein 175 14.3 Bläschenspiele 176 14.3.1 Das Flottieren von Seifenblasen 176 14.3.2 Veränderungen der Seifenblasenhaut 176 14.4 Der Untergang der griechischen Wiesen-Insel Mikro-Mephitos (μικρό μεϕίτος) 177 14.5 Mofety Guláš 180 14.6 Blässhühner, Wildschweine und Wapitihirsche 181 14.7 Die Mais La Ola – Welle 182 14.8 CO2 macht dick 182 14.9 CO2 macht sexy 183 14.10 Der Papst und die Mofetten 183 14.11 Blasphemisches Kohlendioxid 184 14.12 Pareidolie 185 14.12.1 Mephitic Devilspotting 185 15 Nachwort: Schutz von Mofetten 189 Zitierte sowie weiterführende Literatur 191 Stichwortverzeichnis 215

1 Einführung

Bei einer Wanderung durch ehemals vulkanische Gebiete, wie beispielsweise durch Nordwest-Tschechien, Nordost-Slowenien oder die Eifel, kann man allenthalben Mofetten entdecken (Abb. 1.1). Kleinere tote Tiere, das Fehlen der Pflanzendecke oder ungewöhnliche Wuchsformen von Pflanzen sind häufig untrügliche Zeichen dieser vulkanischen Ausgasungserscheinungen. Hat man solche Stellen gefunden, dann ist Vorsicht geboten. In Bodenvertiefungen können sich hohe Konzentrationen von CO2 bilden, die zu Erstickung führen können. Doch keine Panik, Mofetten sind nur dann wirklich gefährlich, wenn man nicht weiß, mit welchem Phänomen man es hier zu tun hat und wie man sich verhalten soll. Mofetten sind „trockene“ CO2-Entgasungen; das Gas strömt dabei aus dem Erdreich entlang von Kluftzonen, meist aus einer natürlichen, oft mit Wasser gefüllten Vertiefung. Sie werden aber nicht, wie bei den Säuerlingen, durch ein Quellwasser mit gelöstem CO2 gespeist. Mofetten an Hanglagen sind meist ungefährlich, da das gegenüber Luft angereicherte und schwerere Gas talabwärts ablaufen kann. In flachem Gelände wird das Gas durch Luftbewegungen verteilt und dabei verdünnt. Ausgasungen mit hoher Entgasungsrate (hohem Gasfluss) in Tallagen sind allerdings extrem gefährlich, da sich das Gas dort zu einem „Gas-See“ ausbilden kann. Je nach Höhe der CO2 Konzentration kann dies zum Erstickungstod führen. Im Folgenden soll auf das spannende Phänomen der geogenen Ausgasung von Kohlenstoffdioxid und anderen Fluiden näher eingegangen und die Verbindungen zu chemischen und physikalischen Veränderungen im Boden erläutert werden. Das speziell durch das CO2-Gas veränderte Mikro- und © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2019 H. Pfanz, Kalter Atem schlafender Vulkane, https://doi.org/10.1007/978-3-662-60340-6_1

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Abb. 1.1  Die Mofette auf der Wiese Hartoušov im tschechischen Plesná-Tal. Die fehlende Vegetation in den Hauptausgasungsbereichen und die mofettenspezifische Vegetation in den Entgasungsfeldern sind gut zu erkennen. (© H. Pfanz 2019)

Mesoklima soll erwähnt werden, wie auch die vielen Einflüsse auf – und die Anpassungen von Organismen. Der Nutzen von Mofetten wie auch der potentielle Schaden und die Gefahren durch ausgasendes CO2 werden behandelt. Schließlich wird auch der historische Einfluss von CO2-Gas auf die Geschichte und die Mythen der Griechen gestreift. Abgerundet wird unsere Besprechung durch die Klärung bekannter Alltagsphänomene und bislang wenig bekannter exotischer Erscheinungen.

2 Magmatische, vulkanische und andere geogene Gasexhalationen

Inhaltsverzeichnis

2.1 Solfataren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.2 Fumarolen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.3 Methan-freisetzende Entgasungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.4 Schwarze und weiße Raucher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.5 CO2-Emissionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

Ausgasungen an Vulkanen sind seit langem bekannt. Sowohl prä- als auch posteruptiv können Vulkangase aus den Tiefen der Magmenkammern an die Oberfläche gelangen. Und natürlich gerade während eines Vulkanausbruches entströmen riesige Gasmengen von CO2 und Wasserdampf den Vulkankratern. Tektonische Ereignisse, wie beispielsweise Starkbeben, öffnen Risse und Klüfte in der Erdkruste, die als neue Transportpfade für das Aufsteigen und Exhalieren der Fluide fungieren. Bei vielen Autoren gelten Mofetten und andere gasförmige Exhalationen als untrügliche Kennzeichen eines alternden, zu Ende gehenden Vulkanismus eines Gebietes. Vor allem neuere Untersuchungen zeigen jedoch, dass das Freisetzen von Gasen magmatischen Ursprungs auch ein Anzeichen neuer oder erneuter vulkanischer Aktivität sein kann. Wegen ihrer schlechteren Löslichkeit in Magmen sowie der Druckentlastung beim Aufsteigen der Magmen, entgasen CO2 und Wasserdampf früher als andere vulkanische Gase (z. B. SO2, H2S). Sie sind dann oft sichtbar als hoch aufsteigende Rauch- (Wasserdampf-) Säulen. Am Ätna und an © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2019 H. Pfanz, Kalter Atem schlafender Vulkane, https://doi.org/10.1007/978-3-662-60340-6_2

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4     H. Pfanz

vielen anderen Vulkanen (Nyiragongo) füllen sich in wenigen Kilometern Tiefe, also recht oberflächennah, Magmenkammern mit Kohlendioxid und Wasserdampf bis zu sechs Monate vor der eigentlichen Eruption. Von hier aus entgasen dann diese Fluide über offene Kanäle, Störungszonen und ehemalige Vulkanschlote bis an die Erdoberfläche. Dann ist oft auch eine verstärkte Mofettentätigkeit am Rande der Vulkane zu konstatieren. Diese erhöhte Freisetzung von CO2 ist neben einer erhöhten Seismizität und geodätisch messbaren Bodenbewegungen, ein Indiz für die zu erwartende Aktivität des Vulkans. Es bleibt Zeit, Vorkehrungen zu treffen. Häufig wird auch begleitend zur Eruption von der Freisetzung giftiger Gaswolken berichtet. Wie schon erwähnt, werden in Eruptionswolken von Vulkanen neben dem CO2 und Wasserdampf auch große Mengen an Schwefeldioxid (SO2), Chlorwasserstoff (HCl), Fluorwasserstoff (HF), Kohlenmonoxid (CO) und Schwefelwasserstoff (H2S) freigesetzt (Schmincke 2000; Simper 2005). Wir werden bei der Besprechung des Untergangs von Pompeji und Herkulaneum durch den Ausbruch des Vesuvs auf diesen Punkt noch etwas genauer eingehen.

2.1 Solfataren Nach Art und chemischer Reaktion der vulkanischen Gase unterscheidet man verschiedene Entgasungstypen an der Erdoberfläche. Neben den Mofetten sind noch weitere gasförmige Exhalationen in oder in der Nähe der Vulkane zu finden. Natürliche Entgasungen, welche schwefelhaltige Verbindungen emittieren, werden Solfataren (sulfur, sulphur = lat. Schwefel) genannt und zwar unabhängig davon, ob der Schwefel in seiner oxidierten Form als Schwefeldioxid (SO2) oder reduziert als Schwefelwasserstoff (H2S) abgegeben wird (Abb. 2.1). Die Nase verrät dem Vorbeilaufenden allerdings sehr schnell, um welche Schwefelform es sich handelt (riecht doch Schwefelwasserstoff sehr unangenehm nach faulen Eiern). Ausfällungen von elementarem Schwefel sind an den meist gelben Ablagerungen von feinsten Kristallen am Boden leicht zu erkennen. Solfataren gibt es beispielsweise auf den Kraterrändern des Ätna, auf der äolischen Insel Vulcano und auf der neuseeländischen Vulkaninsel Whakaari (White Island). Einer der bekanntesten Orte für Solfataren, an dem auch elementarer Schwefel in großen Mengen durch reine Manneskraft gebrochen und am Kraterrand nach oben getragen wird, ist der Vulkan

2  Magmatische, vulkanische und andere geogene Gasexhalationen     5

Abb. 2.1  Solfatare am Rand eines Nebenkraters des Ätna mit gelben Schwefelausblühungen (© H. Pfanz 2019)

Ijen auf Java Timur. Die Schwefelablagerungen leuchten weithin in gelben, orangeroten bis roten Farbtönen, können aber auch weißlich erscheinen. Die warmen Farben entstammen hier nicht dem Gas (H2S) selbst, sondern den kristallinen Abscheidungen, die je nach Kristallstruktur des Schwefels in unterschiedlichen Farben erscheinen.

2.2 Fumarolen Wird heißer Wasserdampf aus hydrothermalen Quellen an die Atmosphäre abgegeben, so spricht man von Fumarolen (fumus = lat. Rauch, Dampf, Dunst) (Abb. 2.2) oder Dampfaustritten. Hier werden Temperaturen von über 100–700 °C erreicht (Paonita et al. 2002). Fumarolen werden gebildet, wenn sich zirkulierendes Grundwasser im Tiefengestein durch geothermale Prozesse aufheizt und als Wasserdampf nach oben strömt. Dabei sollte der

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Abb. 2.2  Fumarolen in Pisciarelli in der Nähe der Campi Flegrei bei Pozzuoli (© H. Pfanz 2019)

Druck möglichst nicht zu groß sein. Nur dann bleibt die exhalierende Stelle auch eine Fumarole. Steht das Wasser jedoch unter großem Druck oder wird durch den Gasübergang des flüssigen Wassers bei hohen Temperaturen sehr großer Druck erzeugt, dann kann es zu echten phreato-vulkanischen Eruptionen kommen. In der Regel ist das Fumarolenwasser ombrogenen Ursprungs. Manchmal jedoch wird in Küstennähe sogar in heiße Tiefenzonen eindringendes Meerwasser gefunden (D’Alessandro pers. Mitt.). Bekannt für ihre vielen Fumarolen sind der Yellowstone Nationalpark, sowie Island, Kamtschatka, Neuseeland aber auch einige Vulkanfelder in den Anden.

2.2.1 Heiße Geysire Periodische Eruptionen sehr heißen, flüssigen Wassers werden Geysire genannt. Der Name entstammt dem Isländischen und steht für geysa = quellen, heftig bewegen oder hervorströmen. Alexander von Humboldt (1845,

2  Magmatische, vulkanische und andere geogene Gasexhalationen     7

resp. 2004) nannte diese Erscheinungen auch die „isländischen Kochbrunnen“. Das Prinzip der Heißwassergeysire ist das Vorhandensein eines Wasserreservoirs welches durch Grundwasser oder Regen gespeist und durch eine Magmakammer aufgeheizt wird. Im darüberliegenden Eruptionskanal muss mindestens eine Engstelle, ein Flaschenhals, vorhanden sein, der als Strömungshindernis wirkt. Durch diese Engstelle wird verhindert, dass der sich aufbauende Wasserdampfdruck ungehindert via Konvektion an der Erdoberfläche austreten kann. Durch die darüberstehende Wassersäule baut sich ein Druck auf. Wird der Druck durch die Temperaturerhöhung unterhalb des Flaschenhalses zu groß, so wird der Widerstand an der Engstelle durch heiße Dampfblasen überwunden und heißes Wasser wird in einer Eruptionssäule nach oben aus dem Kanal geschleudert. Die Eruptionen können dabei regelmäßig oder unregelmäßig sein (Abb. 2.3). Bei diesen Eruptionen kann heißes Wasser bis zu 130 m in die Höhe emporgetrieben werden kann (e.g. Steamboat Geysir, Old Faithful, Yellowstone Natl. Park). Diese Heißwassergeysire sind auf Island, Neuseeland, im Yellowstone Nationalpark und in Alaska, im afrikanischen Grabenbruch, in den südamerikanischen Anden (vor allem Chile) aber auch in den Vulkanregionen Kamtschatkas zu finden (Bryan 2008).

Abb. 2.3  Der bis zu 9 m hohe Heißwassergeysir „Prince of Wales Feathers“ eruptiert im Whakarewarewa-Tal bei Te Puia/Rotorua auf Neuseeland (© H. Pfanz 2019)

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Auch bei den eigentlichen Ausbrüchen von Vulkanen werden große Gasund Wassermengen eruptiert. In Eruptionswolken von Vulkanen besteht die mittlere Gaszusammensetzung aus etwa 35–90 Volumenprozent Wasserdampf, 5–50 % CO2, 2–30 % Schwefeldioxid, sowie wechselnden Konzentrationen an Chlorwasserstoff (HCl), Fluorwasserstoff (HF), Kohlenmonoxid (CO) und Schwefelwasserstoff (H2S) (Schmincke 2000; Simper 2005).

2.3 Methan-freisetzende Entgasungen Weltweit werden Methanausgasungen gefunden, charakterisiert und quantifiziert (Etiope 2015; Daskalopoulou et al. 2018a, b, 2019). Hierbei werden natürliche Ausgasungen und anthropogene Freisetzungen unterschieden. Bei den natürlichen CH4-Emissionen dominieren die Feuchtgebiete (Schlammvulkane, Sümpfe, Moore; vor allem in der Tundra) mit etwa 220 Tg CH4 pro Jahr bei weitem. Sie werden von geologischen und Gewässer-Emissionen (60 resp. 30 Tg CH4 a−1) gefolgt. Termiten, Feuer und tauender Permafrostboden tragen ebenfalls zur Ausgasungsbilanz bei (Ciais et al. 2013). Bei den anthropogenen Quellen liegen die Methanfreisetzung durch Bohraktivitäten, die Entgasungen von Wiederkäuern und die Mülldeponien (90, 80 und 75 Tg CH4 a−1) nahezu gleichauf. Der Reisanbau trägt mit etwa 30 Tg CH4 a−1 ebenfalls erheblich zur globalen Methanfreisetzung bei. In gleicher Größenordnung liegt dann noch die Freisetzung von Methan aus der toten Biomasse (Ciais et al. 2013; Etiope 2015).

2.3.1 Schlammvulkane Von den magmatisch verursachten Ausgasungen, wie Mofetten oder Solfataren und Fumarolen zu unterscheiden sind die Schlammvulkane (engl. mud volcanoes), die hautsächlich über den Gebieten von Kohlenwasserstofflagerstätten anzufinden sind (Martinelli und Panahi 2005; Etiope 2015). Hier diffundieren Methan (CH4) und einige andere Kohlenwasserstoffe an die Erdoberfläche. Eine wässrige, grauschwarze, meist schlammig-tonige Masse quillt periodisch auf und entlässt blubbernd eine Methanblase an die Atmosphäre. Der kontinuierliche Auswurf von Tonmineralen und Wasser führt zu dem Aufbau eines kraterähnlichen Kegels, dessen Form schließlich zu dem etwas irreführenden Namen Schlammvulkan geführt hat. Ein solcher schlammfördernder „Vulkan“ ist in den Vulcanii Noroiosi in Rumänien

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Abb. 2.4  Schlammvulkane sind keine echten Vulkane. In Rumänien gibt es den Schlammvulkan „Paclele de la Beciu“ bei Buzau als Teil der Vulcanii Noroiosi (a). In unregelmäßigen Abständen wird die schlammig-tonige Masse durch Methangas angehoben und zerplatzt kurz darauf in den unterschiedlichsten Formen (b) (© H. Pfanz 2019)

(Abb. 2.4a) dargestellt. Die zerplatzenden, tonigen Methanblasen ergeben photographisch teilweise spektakuläre Aufnahmen (Abb. 2.4b). Schlammvulkane sind weltweit zu finden. So zeichnen sich Aserbaidschan, Indonesien, Taiwan, aber auch die Po-Ebene in Italien durch das Vorkommen solcher Schlammvulkane aus. Die bekanntesten europäischen Schlammvulkane gibt es jedoch in Rumänien (Vulcanii Noroiosi; Bunzau-Gebirge; Ostkarpaten). Dort sind in einer vegetationslosen Mondlandschaft mehrere Hektar Land mit Schlammvulkanen übersät. Methanausgasungen aus dem Boden sind auch in Deutschland keine Seltenheit. Aus Kohleflözen im Untergrund entweicht dieses Gas kontinuierlich (Spalding und Ziegler 1998; Thielemann 2000). In subtropisch-tropischen Gebieten entgasen aus sumpfigen Böden und vor allem aus Reisfeldern bedeutende klimarelevante Mengen von Methan (Minami und Neue 1994).

2.3.2 Ewiges Feuer Da Methan bei einem bestimmten Methan/Luft-Verhältnis mit bläulicher Flamme verbrennt (oder bei räumlicher Begrenzung auch explodiert!) ist solch eine Erscheinung auch als Ewiges Feuer (Eternal Fire, Ever Lasting Fire) bekannt. Ewige Feuer treten recht häufig in Gebieten mit Methanemissionen auf. Dies sind Gebiete über Erdöllagern, wie in Aserbaidschan oder wie das türkische Chimaera (Etiope 2015) oder solche in der Nähe von Schlammvulkanen.

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Ein weithin bekanntes, seit geraumer Zeit aber erloschenes Feuer gab es auf den Lippewiesen bei Hamm in Nordrhein-Westfalen (Spalding und Ziegler 1998; Thielemann 2000). Ein in Asien bekanntes Methanfeuer ist das Suei-Ho-Tong-Yuan-Feuer in der Nähe der Chu-You Verwerfungszone in Taiwan (Abb. 2.5) oder auch die brennenden Felder von Chimaera (Hosgörmez et al. 2008; Etiope et al. 2011). Methanausgasungen gibt es auch als Sumpfgas in Mooren und Sümpfen (Irrlichter). Die Bildung des Methans erfolgt hier nach Angaben mehrerer Autoren biogen durch methanogene Bakterien und Archaeen, die geogenes Kohlendioxid (CO2) auf die Stufe des Methans (CH4) reduzieren können (Takai et al. 2006; Reay et al. 2010).

2.3.3 Submarine Methanquellen Am Meeresboden sind in manchen Gegenden viele sog. „Pockmarks“ zu sehen (Papatheodorou et al. 1993; Etiope et al. 2005). Dies sind vulkanartige Bodentrichter aus denen untermeerisch Methan ausgast. Methanausgasungen sind nie echt vulkanischen Ursprungs, sondern immer mit tiefen Petrollagerstätten assoziiert. Pockmarks gibt es in der Deutschen Bucht, im

Abb. 2.5  Ewiges Feuer über einer Methanquelle; Suei-Ho-Tong-Yuan, Taiwan (© H. Pfanz 2019)

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Mittelmeer, im Atlantik und vielen anderen Meeresstellen dieser Welt. Der Gasausstoß in den Ozeanen wird auf 8–65 Tg Methan pro Jahr geschätzt. Aus dem Meerwasser werden dann etwa 0.4–48 Tg Methan pro Jahr an die Atmosphäre abgegeben (Gentz 2013; Hovland und Judd 1988; Judd 2004; Kvenvolden und Rogers 2005). Erwähnung finden müssen auch die auf dem Meeresboden unter bestimmten Temperatur- und Druckverhältnissen fixierten Methanlagerstätten, die sogenannten Gashydrate. Diese könnten im Falle einer weiteren globalen Klimaerwärmung auch zu einer zusätzlichen kontinuierlichen Gasfreisetzung führen.

2.4 Schwarze und weiße Raucher In diesem Zusammenhang sollten die submarinen Hydrothermal-Schlote natürlich nicht vergessen werden, die allgemein als „Schwarze oder Weiße Raucher“ (Black or White Smoker) bekannt sind. Diese untermeerischen, sehr heißen hydrothermalen Fluide sind eine Mischung aus hoch mineralisierten Wässern und diversen schwefel- und kohlendioxidhaltigen Gasen, welche unlösliche schwarze Ausfällungen bilden. Sie sind Ausgangspunkt für die Bildung hydrothermaler Lagerstätten, wie beispielsweise von Manganerzen. Derartige Emissionen werden aus untermeerischen Vulkanen, wie beispielsweise dem japanischen Vulkan Eifuku oder dem jüngsten Hawaiʻi-Vulkan Lōʻihi, der gerade in statu nascendi noch etwa 1000 m unter der Meersoberfläche liegt, freigesetzt. Aber auch vom mittelozeanischen Rücken des Atlantik und anderen plattentektonischen Divergenzzonen werden solche Gas-Emissionen in 3000 m Meerestiefe beschrieben (z. B. Lost City; Two Boats oder Sister Peaks; Colín-García et al. 2016). In dieser völlig lichtlosen Umgebung hat sich am Meeresboden an den Ausgasungsschloten eine unglaublich interessante, teilweise noch unbekannte Fauna und Bakterienflora entwickelt. Die als Rasen oder Felsbelag wachsenden, chemoautotrophen Bakterien können mithilfe der dort vorherrschenden Temperaturen, organische Moleküle aus anorganischen Vorstufen wie (dem eigentlich hochgiftigen) Schwefelwasserstoff (H2S) und CO2 synthetisieren (Lazcano 2010). Da dieser Prozess ohne Sonnenlicht abläuft, nennt man ihn Chemosynthese – im Gegensatz zur besser bekannten, Sonnenlicht getriebenen Photosynthese der grünen Pflanzen. Diese Bakterien stellen somit die autotrophen Produzenten in der Nahrungskette der Tiefsee dar (Rogers et al. 2012). Sowohl die Tiefsee-

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schnecke (Gigantopelta aegis) als auch der Sulfid-Wurm (Paralvinella sulfincola) sowie Krebstiere, wie der Sulfid-Copepode (Stygiopontius quadrispinosis) und die kleineren Shrimps (Rimicaris kairei und Mirocaris indica) weiden die Bakterien direkt von den Oberflächen der Scharzen Raucher ab. Bestimmte Röhrenwürmer (Olavius algarvensis), die weder Maul noch Magen oder Darm besitzen, sind ebenfalls auf derartige Bakterien angewiesen; diese wachsen jedoch im Inneren des Röhrenwurmes. Die aus den Klüften aufsteigenden heißen Gase und das CO2 sind somit die essentielle Lebensgrundlage für ein reiches und sehr spezialisiertes Ökosystem der Tiefsee. Ob und inwieweit diese Systeme an der Entstehung des Lebens beteiligt waren, wird seit einiger Zeit in den entsprechenden Publikationen diskutiert.

2.5 CO2-Emissionen Geogene Exhalationen bei denen der Hauptgasanteil aus Kohlenstoffdioxid besteht, können verschiedene Quellen im Erdmantel und der unteren Erdkruste haben. Neben den schon erwähnten magmatischen und letztendlich vulkanischen Quellen, sind thermo-metamorphe Prozesse eine weitere wichtige Ursache für diese Gasfreisetzung. Ein Beispiel dafür sind Gebiete im Osten Italiens oder Griechenlands zu nennen. Analysen der CO2-Isotopen-Verhältnisse geben Auskunft über die Genese dieser Gase. Solche Ausgasungen können bis zu 99 % reines CO2-Gas enthalten (Kämpf et al. 2013; Bräuer et al. 2018; Saßmannshausen 2010; Thomalla 2015). Da das mephitische Phänomen jedoch Hauptaugenmerk dieses Buches ist, soll nun die geogene Ausgasung von CO2 in all ihren Facetten intensiver besprochen und diskutiert werden.

3 Mofetten

Inhaltsverzeichnis

3.1 Was sind Mofetten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.2 Eu-Mofetten – echte Mofetten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.3 Aquatische Mofetten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.4 Gasgetriebene Kaltwasser-Geysire oder Sprudel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.5 Säuerlinge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.6 Eisenocker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.7 Die biogene Entkalkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.8 Wandernde Mofetten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.9 Pseudo-Mofetten – keine Mofetten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.10 Kann man Mofetten suchen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

In der Literatur werden Mofetten häufig fälschlich als Fumarolen bezeichnet. Vor allem in der älteren Literatur wird der Begriff Fumarole auf alle Fluid-exhalierenden, geogenen Erscheinungsformen angewandt. Mittlerweile wird der Begriff Mofette nur noch auf klein- bis größerflächige gasförmige Exhalationen angewandt, die in der Hauptsache ziemlich reines Kohlendioxid emittieren und keine Mineralwasserquellen darstellen. Der Übergang zu den CO2 angereicherten Mineralwasserquellen, den Säuerlingen, ist im wahrsten Sinne des Wortes fließend. Die Entgasungstemperatur von Mofetten liegt dabei in der Regel in der Nähe der Umgebungstemperatur (ambiente, normale oder kalte Mofetten),

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2019 H. Pfanz, Kalter Atem schlafender Vulkane, https://doi.org/10.1007/978-3-662-60340-6_3

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kann in Ausnahmefällen in Thermalgebieten aber auch bei 90–100 °C liegen (Neuseeland, Azoren). Wir wollen uns zuerst den normal temperierten, ambienten Mofetten zuwenden. Die Hochtemperaturmofetten auf Neuseeland oder den Azoren werden später in Abschn. 6.6 vorgestellt.

3.1 Was sind Mofetten In vielen Lexika werden Mofetten als „Ausströmungsstellen von Kohlendioxid in vulkanischem Gebiet“ definiert (e.g. Hermann et al. 1985). Und in der Tat handelt es sich bei Mofetten um mehr oder weniger reine CO2-Exhalationen geogenen Ursprungs. Der Name Mofette leitet sich vom italienischen Wort mofeta ab. Dieses stammt vom lateinischen bzw. oskischen/samnitischen Wort mefitis oder mephitis (Abb. 3.1) und bedeutet soviel wie „schädliche Ausdünstung der Erde“ (Stowasser 1994). Im alten Pompeji, in Rom, aber vor allem im Gebiet der Samniter und Osker im südlichen Italien wurde die Göttin Mefitis, eine Dea odoris gravissimi et pestiferi also eine „Göttin der üblen und schädlichen Gerüche“ verehrt (Ziegler und Sontheimer 1979; Fink 1993)1. Mefitis war aber auch die Göttin der Quellen und der Gebärenden. Die Osker und Samniten lebten in einem Zeitraum um 600 – 82 vor Christus in einem Gebiet in Italien, welches heute Teile von Molise, Basilikata, Apulien und Kampanien umschließt. Eines der bekanntesten italienischen Mofettengebiete „Mefite D’Ansanto“ bei Rocca San Felice ist nach dieser Göttin benannt (Abb. 3.2). Hier ist eine der weltweit größten, aber auch gefährlichsten Ausgasungsstellen für CO2 lokalisiert (Chiodini et al. 2010). In einem trockenen, mit CO2Gas gefüllten Tal soll ein bekannter, der Göttin Mefitis geweihter Tempel existiert haben (Rainini 1985); diverse Grundsteinmauern sind noch vorhanden. Auch in die Zoologie ist die Bezeichnung Mephitis übernommen worden; namentlich für ein hübsches, schwarz-weiß gezeichnetes Tier,

1Andere

Bezeichnungen für Mofetten, manchmal auch falsch benutzte Termini (z. B. Fumarole, Solfatare) sind „natürliche CO2-Ausgasungen“ (engl. natural carbon dioxide springs NCDS), geogene CO2-Exhalationen, geothermale Ausgasungen, diffuse CO2-Emissionen, mephitische Gasaustritte, trockene Kohlensäureaustritte, Kohlensäurequellen und vulkanische Gasaustritte. Das Wort Mofette findet sich auch in Goethes Drama Faust in Form von Mephisto oder Mephistopheles und meint Teufelsnaturen. Es steckt aber auch im Wort „Muff oder muffig“ für erdig modrig und etwas dumpf riechende Stoffe oder schlecht belüftete, pilzige Räume.

3 Mofetten     15

welches bei Gefahr extrem stark riechende Thiol-Verbindungen (u. a. 3-Methyl-1-Butanthiol, Quinolin-2-Methanthiol) aus seiner Analdrüse verspritzt (Wilson und Reeder 2005). Der wissenschaftliche Name des Gestreiften Stinktiers oder Streifenskunks ist daher Mephitis mephitis. Es muss allerdings zur Nomenklatur der Zoologen kritisch angemerkt werden, dass echte Mofetten (Eu-Mofetten) olfaktorisch überhaupt nicht zu erkennen sind. Riecht man in Mofettengebieten trotzdem etwas Merk-

Abb. 3.1  Die Göttin der Erdgerüche und Ausdünstungen – Mefitis. Nach einer Statuette aus San Pietri di Cantoni. Umgezeichnet von Lisann Fisch (a). Der Name „Mefitis“ eingemeißelt in Stein (b)

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Abb. 3.1  (Fortsetzung)

würdiges, dann handelt es sich meist um spurenförmige Beimengungen von Sumpffaulgasen wie Schwefelwasserstoff, Ammoniak und Methanderivate (Abb. 3.2). Eine derzeit akzeptable, wissenschaftliche Definition für Mofetten ist: Mofetten sind lokal begrenzte Gebiete geogener CO2-Ausgasungen (Exhalationen). Sie weisen immer einen Bezug zu rezenten oder postvulkanischen Erscheinungen oder zu metamorphen Prozessen in Carbonatgesteinen auf (Pfanz 2008; s. a. Chiodini et al. 2010).

Man findet Mofetten in der Nähe von tiefreichenden Störungszonen, tektonischen Plattengrenzen und in Gebieten rezenter, beginnender oder abklingender Vulkantätigkeit (z. B. Nordwest-Böhmen oder Nord-Slowenien; Geissler et al. 2005; Kämpf et al. 2005; Vodnik et al. 2006) oder in der Eifel (Pfanz 2008; Goepel et al. 2014). Das an die Atmosphäre abgegebene Kohlendioxid entstammt Magmenkammern des Erdmantels oder der Erdkruste bzw. wird bei der Metamorphose durch extreme Erhitzung von Kalkgesteinen gebildet (Spera und Bergmann 1980; Spera 1981, 1984). Bis in einer Tiefe von ca. 800 m tritt es als überkritisches Fluid auf, welches sich physikalisch

3 Mofetten     17

Abb. 3.2  Mefite D’Ansanto in Italien ist ein Gebiet mit extremer CO2-Emission. Links unten, vor dem bewaldeten Hügel, lag ein heiliger Hain mit einem Sanktuarium in dem der Göttin Mefitis geopfert wurde. (© H. Pfanz 2019)

durch eine gewisse Ähnlichkeit mit Wasser am einfachsten beschreiben lässt. Das Gas dringt dann vom Ort der Genese durch Klüfte und Spalten nach oben. Oben angekommen tritt das Gas dann durch feinste Bodenrisse trocken an die Erdoberfläche. Die Gasemissionen selbst sind dabei kaum wärmer als die Umgebungstemperatur (ambiente Mofetten), zumal durch die Gasentspannung beim Aufstieg die Gastemperatur abgekühlt wird. Ausnahmen in Form warmer oder heißer Mofetten gibt es in Thermalgebieten (Azoren, Neuseeland). Mofetten sind ohne entsprechende Gasmessgeräte als solche im Gelände nur sehr schwer zu erkennen. Der Mofettenspezialist kann aber anhand der azonalen Vegetation, an bestimmten Tieren/Tierleichen oder an Veränderungen im Boden eventuelle Gasaustritte erkennen. Tritt das Gas aber durch Oberflächenwässer (Pfützen, Tümpel, Quellen, Bäche, Seen) zutage, so ist es an den vielen Gasbläschen für jedermann leicht zu erkennen (vgl. Mofetten am Ostufer des Laacher Sees; Abb. 3.3). Der CO2-Fluss an die Erdoberfläche aber auch die CO2-Konzentrationen im Boden können jahresperiodisch oder witterungsbedingt fluktuieren (vgl. auch Dressel 1871; Thomalla 2015); sie sind jedoch häufig auf lange

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Abb. 3.3 CO2-Bläschen und aufwallendes Wasser am östlichen Ufer des Laacher Sees. (© H. Pfanz 2019)

Sicht relativ stabil. Die in bis zu 100 cm Bodentiefe gemessenen CO2-Konzentrationen variieren zwischen 2 % und 100 %, wobei mit zunehmendem CO2 der Sauerstoffgehalt im Boden entsprechend abnimmt (Vodnik et al. 2006). Auf den Beitrag der biogenen CO2 Bildung im Boden wird später eingegangen. Für Tiere und Menschen ist schon ein geringer Anstieg der CO2-Konzen­ tration im Prozentbereich lebensgefährlich. Einige Pflanzen gedeihen jedoch an Mofettenstandorten recht gut und haben sogar Konkurrenzvorteile. Bestimmte Seggen- (Carex) und Binsenarten (Juncus) sowie Schilfrohr (Phragmites) tolerieren mittelfristig sogar bis zu 100 % CO2 in oberflächennahen Bodenschichten und manchmal sogar in der Atmosphäre (Kies et al. 2015; Abb. 3.4). In manchen Gebieten (Eifel, Toskana, NW-Tschechien) kann man Mofetten schon aus einiger Entfernung an der Vegetation erkennen. Wegen der spezifischen Absorption von Infrarot-Strahlung durch CO2 und seiner größeren Dichte gegenüber Luft, kann man an einigen in Talsenken gelegenen Mofetten sehr interessante Treibhaus-Effekt-Studien betreiben (Tank et al. 2003, 2005, 2008; Pfanz et al. 2008; Kies et al. 2015; siehe Kap. 9 folgende). In entgasenden Böden korreliert die Konzentration des lebenswichtigen Sauerstoffes gut mit der Konzentration des geogenen CO2. Je höher die CO2-Konzentration der Bodenluft, desto geringer ist ihr Sauerstoffgehalt

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Abb. 3.4  Das CO2-Gas-Tal Bossoleto im Überblick. Das Tal ist eine etwa 10 m tiefe, eingestürzte Doline. Die nicht bewachsenen Stellen zeigen die Orte extremer CO2-Emission aus dem Boden an. Die weißlichen Steine und Gerölle sind travertinischen Ursprungs. Die unterschiedlich gut wachsenden Bestände von Schilfrohr (Phragmites australis) am Talboden und am Hanganstieg sind zu sehen. (© H. Pfanz 2019)

(Vodnik et al. 2006). Organismischem Leben an und in Mofetten sind also sehr enge Grenzen gesetzt. Pflanzen und Bakterien die in Mofettengebieten vorkommen, müssen daher über spezielle Anpassungen verfügen, um an diesem lebensfeindlichen Extremstandort überleben zu können. Den meisten Tieren bleibt ein Zugang zu diesen Gebieten verwehrt. Wagen sich trotzdem Tiere zu den Ausgasungsstellen vor, sterben sie innerhalb weniger Minuten (Sauerstoffmangel, Ansäuerung des Blutes). Man findet ihre in charakteristischer Weise längere Zeit unzersetzt bleibenden Leichen häufig in Mofettennähe (Abb. 3.5). Doch hat die Forschung in den letzten Jahren große Fortschritte bei der Charakterisierung von Tieren in Mofetten gemacht. So wurden Tierarten beschrieben, die als Bioindikatoren die Grenzen zwischen stark CO2-entgasenden und nicht-entgasenden Stellen aufzeigen können (Russell et al. 2011; Hohberg et al. 2015; Balkenhol et al. 2016). Andere Arten eignen sich dazu, als Indikatororganismen für bestimmte Bodenkonzentrationen zu dienen. Sehr speziell sind die endemischen Mofettentiere, die offenbar exklusiv in Mofettengebieten vorkommen (Schulz und Potapov 2010).

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Abb. 3.5  Tote Katze und auf ihr verendete Taube in einer extrem stark CO2-gasenden Talmofette. Die toten Körper bleiben wegen der sauerstoffarmen Atmosphäre länger unzersetzt. (© H. Pfanz 2019)

Das Ausströmen von CO2 auf der Mofettenfläche geschieht weder gleichförmig noch gleichmäßig. An einigen Stellen ist die Ausgasung verstärkt, an anderen geringer oder nicht messbar. Diese Inhomogenität der CO2 Ausgasungen innerhalb eines Mofettenfeldes zeigt die Abb. 3.6 für eine Mofette im Nordwesten Tschechiens (Saßmannshausen 2010; Thomalla 2015; Nickschick et al. 2015). Deutlich sind die eigentlichen Ausgasungszentren (engl. vents) zu erkennen. Direkt neben extrem stark gasenden Stellen kann die Freisetzung von CO2 aber schon wieder wesentlich geringer sein. Das CO2 kann durch gut sichtbare Löcher im Boden ausgasen (Abb. 3.7) oder weniger spektakulär durch kleine Risse oder Spalten im Boden an die Oberfläche gelangen. Was bei trockenem Wetter noch ungefährlich aussieht und sich nur durch ein etwaiges leichtes Pfeifen verrät, kann sich nach einem Regenguss als überall ausgasendes Mofettenfeld herausstellen. Durch die sich durch den Regen in Bodennähe bildende Wasserschicht muss das Gas nun in Form von Bläschen hindurchblubbern und wird so leicht erkannt. Kein geringerer als Alexander von Humboldt schildert in seinem Kosmos (Band 4, 1845) unter „…II. Reaction des Inneren der Erde gegen die Oberfläche; sich offenbarend: c) durch den Ausbruch elastischer Flüssigkeiten, zu Zeiten von

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Abb. 3.6  Inhomogene Ausgasung von CO2 in einem Mofettengebiet im tschechischen Vogtland. Die höchsten Ausgasungen sind an der vegetationslosen Stelle im Zentrum zu erkennen. Moose zeigen die Stellen mit erhöhter CO2-Freisetzung, während der weiß blühende Wiesenkerbel (Anthriscus sylvestris) im Hintergrund ausschließlich auf nicht gasenden Kontrollbereichen wächst. (© H. Pfanz 2019)

Erscheinungen der Selbstentzündung begleitet (Gas- und Schlammvulkane, Naphta-Feuer, Salsen) …“ derartige Erscheinungen. Hier beschreibt er die Mineralquellen und Säuerlinge nebst der geogenen Freisetzung von Kohlensäuregas und spekuliert darüber, ob diese Erscheinungen direkt oder indirekt mit Vulkanismus verbunden sein könnten. Er erwähnt auch Experimente, in denen er die feuerlöschende Wirkung vulkanischer Gase mit Hilfe kleiner Wachskerzen untersuchte. Weitere wissenschaftliche Erwähnung finden Mofetten in den Arbeiten von Dechen (1864), Nöggerath (1870) sowie Dressel (1871) und Steinbach (1880 resp. 2002). Doch findet man eine ausführliche Diskussion um das eigentliche Mofettengas, das „mephitische Gas“, schon bei Gehler (1789): … „Von Natur aus findet sich die fixe Luft in Gruben, Hölen, Brunnen und anderen Plätzen, denen der Luftzug mangelt, wo sie durch natürliche Gährung oder Verbrennung, z. B. in der Nachbarschaft der Vulkane, Kiese u. dgl. entstehen kann. Schon seit Jahrhunderten kennt man die Hundsgrotte (Grotta del cane) bey Neapel …“. Und auch der Leibarzt Dr. Seip (Bad Pyrmont) beschreibt 1750 seine Theorien zur merkwürdigen Ausdünstung von Gasen. Seip hatte offensichtlich

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Abb. 3.7  Aus Rissen und kleineren Spalten sowie einem zentralen Spuckloch entgasen große Mengen an Kohlendioxid auf einem toskanischen Acker in der Nähe von San Gimignano. (© H. Pfanz 2019)

33 Jahre vorher schon ähnliche Beobachtungen gemacht und publiziert. Er bezeichnet hier das Kohlendioxid aber aus Unkenntnis noch mit „Schwefeldunst“. Doch seine Zweifel an der Richtigkeit des Begriffes führen ihn später zu der Bezeichnung „Küchensalzsäure“, die in seinen Augen nicht wirklich giftig ist (Seip 1750, S. 99 ff.).

3.2 Eu-Mofetten – echte Mofetten Als Eu-Mofetten oder echte Mofetten bezeichnet man Mofetten, bei denen die CO2-Konzentration im gasförmigen Effusat mindestens 98 % (v/v) beträgt. Echte Mofetten sind selten, sind aber in der Eifel, in Slowenien und in NW-Tschechien die Regel. Im Mediterranraum ist sehr häufig H2S oder Wasserdampf beigemengt. Doch auch hier liegen die Konzentrationen der gasförmigen Beimengungen meist nur bei 1–2 %.

3.2.1 Trockene oder nasse Mofetten? Unter Mofettologen herrscht immer noch Uneinigkeit über die nomenklatorische Zuordnung von Mofetten.

3 Mofetten     23

Mofetten sollten als trockene Mofetten bezeichnet werden, wenn sich das Gas trocken, also nicht in Wasser gelöst, durch die Gesteine nach oben bis zur Erdoberfläche bewegt hat. Ob es an der Erdoberfläche dann durch trockenen oder Regen getränkten Boden oder durch Wasserkörper (Pfützen, Tümpel, Bäche, Seen, Meere) ausgast, ist hierbei nicht relevant. Eine blubbernde Mofettenpfütze würde demnach als trockene Mofette anzusehen sein, wenn das CO2-Gas dem aufliegenden Wasserkörper erst direkt unter der Pfütze zugemischt wurde. Doch nur bei genauer Untersuchung findet man die klare Differenzierung, ob mit dem CO2 noch Wasser aus der Erdkruste zu Tage gefördert wurde oder nicht – zumal sich CO2 gut in Wasser löst. Zur Verdeutlichung des Gesagten dient Abb. 3.8. Sie zeigt einen in einer kleinen Schlenke an CO2 erstickten Neuntöter (Lanius collurio). Das Tier verstarb durch Ersticken in einer „trockenen“ Mofette (Abb. 3.8a); als sich später nach einem heftigen Regenguss die Schlenke mit Regenwasser füllte, befand sich die Vogelleiche offensichtlich in einer „nassen“ Mofette (Abb. 3.8b). Doch auch Abb. 3.8b ist laut unserer obigen Definition eine trockene Mofette; die aufgelagerte Regenpfütze wird vom darunter ausgasenden CO2 nur durchströmt (allerdings mit teilweiser Lösung des CO2 im Wasserkörper). Steigt das CO2 jedoch zusammen mit Tiefenwässern auf oder trifft es in den obersten Gesteinshorizonten und Bodenzonen auf Grundwasseraquifere, so wird sich in diesem Bereich das Gas mit dem Wasser, entsprechend der Druck und Temperaturbedingungen, mischen. In diesem Fall spricht man von Säuerlingen oder Sauerbrunnen, wegen des niedrigeren pH-Wertes durch die gelöste Kohlensäure.

Abb. 3.8  Ein Neuntöter (Lanius collurio) ist in einem kleinen CO2-Gas-See bei trockenem Wetter erstickt (a). Wenig später regnete es (b). Schlenke auf der Wiese bei Hartoušov. (© H. Pfanz 2019)

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3.3 Aquatische Mofetten Mofettengase entströmen dem Erdboden überall dort, wo Risse und Klüfte die Gaswegigkeit erleichtern. Ausgasende CO2-Quellen sind daher sowohl an Land als auch im Wasser zu erwarten. Und natürlich sind viele solcher Unterwassermofetten bekannt. Man findet sie gehäuft am Ostufer des Laacher Sees, in dem Flüsschen Plesná (Fleißenbach) in West-Tschechien oder im Fluss Stavnica in Nord-Slowenien. Es ist daher nicht verwunderlich, dass man auch am Meeresboden solche Austritte findet. Fährt man mit dem Schiff durch die Inselwelt der Äolischen Inseln nördlich von Sizilien, so kann man zwischen den Inseln Vulcano und Stromboli etwa auf der Höhe der kleinen Insel Panarea bei ruhiger See Aufwallungen der Meeresoberfläche beobachten. Ein Tauchgang auf etwa 15 m Tiefe gibt dann Klarheit. Man befindet sich in einem alten, inzwischen untermeerischen Vulkankrater, dessen nicht abgetragene Teile des Kraterrandes als kleine Felstürme aus dem Meer ragen. Am Kraterboden treten immer noch (oder schon wieder?) magmatische Gase aus. Wie auch an Land entströmt CO2-Gas dem Boden und perlt zwischen den Posidonia-Pflanzen nach oben an die Meeresoberfläche (Abb. 3.9).

Abb. 3.9  Submarine CO2-Ausgasung vor Panaraea; Äolische Inseln, Sizilien. (© F. Italiano)

3 Mofetten     25

3.4 Gasgetriebene Kaltwasser-Geysire oder Sprudel Neben den bekannten Heißwassergeysiren gibt es jedoch auch Kaltwassergeysire, teilweise Sprudel genannt. Der für die Eruption und das Hinausschießen des Wassers nötige Druck wird hier nicht durch hohe Temperaturen, sondern durch eine hohe CO2-Gaskonzentration erreicht. Geogen aufsteigendes Gas löst sich hier z. B. im Grundwasser einer Bohrung bis zu einer kritischen Konzentration (Heinrich 1910; Glennon und Pfaff 2004). Durch den Druckabfall beim Aufstieg des Fluids kommt es zu einer Entlösung des Kohlendioxids. Dabei werden aus zahllosen, einzelnen Bläschen, sich vereinigende Gasblasen, die die darüberstehende Wassersäule aus dem Bohrloch heraustreiben (slug flow) – ähnlich dem Effekt beim Öffnen einer Sektflasche. Der Geysir bei Andernach/Namedy am Rhein ist ein exquisites Beispiel für den Gasdruck, der sich aufbauen kann, um schließlich eine bis zu 60 m hohe Wassersäule zu erzeugen (Abb. 11.5 und 3.10).

Abb. 3.10  Im französischen Zentralmassiv sind viele kleine Sprudel zu finden. Hier der Source de Ile; Sainte Marguerite/Auvergne. (© H. Pfanz 2019)

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In kleinerem Maßstab vollzieht sich ein kalter, CO2-getriebener Wasserauswurf auch am Wallenden Born (Brubbel) bei Wallenborn in der WestEifel. Dieser kleine Sprudel hebt seinen Wasserspiegel ebenfalls periodisch, jedoch nur knapp zwei Meter. Auch hier entlöst sich CO2 aus unterirdischen Wässern. Dabei wird das Wasser passiv nach oben mitgerissen. May (2002a, b) hat den Gasfluss während eines solchen Eruptionszyklus gemessen und die dabei emittierte Gesamtgasmenge berechnet. Während eines etwa einstündigen Zyklus, bei welchem die Haupteruption innerhalb von nur etwa 20 min stattfand, wurden ca.11 m3 Gas emittiert. Mittlerweile ist die Haupteruption auf wenige Minuten verkürzt. Ein besonders graziles Beispiel eines Kaltwassergeysirs ist die Gargouillère (Wasserspeier) in der Nähe von Lignat bei Saint Georges an der Allier im Gebiet des Puy de Dôme/Massif Central (Abb. 15.1 und 3.10; vgl. auch Gal et al. 2018).

3.5 Säuerlinge Als Säuerlinge bezeichnet man die Oberflächenaustritte von Wässern, die mit natürlichem CO2 in größeren Tiefen entlang der Aufstiegszonen versetzt worden sind. In diesem Fall durchperlt das CO2 den Wasserkörper und löst sich dabei entsprechend der jeweiligen Temperatur- und Druckbedingungen. Dabei wird der pH-Wert des Wassers durch die gebildete Kohlensäure von neutral 7 auf pH 6 bis 5 gesenkt, also ansäuert. Durch die Säurewirkung der Kohlensäure (siehe später) löst das Tiefenwasser aber auch kationische Mineralien auf seinem Weg nach oben aus den anstehenden Gesteinen heraus; ein natürliches Mineralwasser ist entstanden. Ost- und Westeifel sind Paradebeispiele für Regionen mit Mineralquellen vulkanischen Ursprungs (Carle 1975; Stoffels und Thein 2000). Die weit über Deutschland hinaus bekannten Wässer werden in dieser Region gewonnen und auf Flaschen gezogen.

3.6 Eisenocker Als Begleiterscheinung von Mofetten und Säuerlingen kann man häufig Ockerausfällungen auf der Bodenoberfläche beobachten. Rostfarbene Überzüge in Bachbetten, auf Steinen, Pflanzenteilen und allen Gegenständen die man längere Zeit in solche Wässer legt, sind klare Zeichen für diesen Eisenocker. Ocker besteht hauptsächlich aus Eisen(III)-oxidhydraten nebst

3 Mofetten     27

Eisenhydroxiden (z. B. Fe(OH)2) und Eisenoxiden (z. B. Fe2O3); manchmal sind auch schwarzes Manganoxid oder organische Komponenten bei der Ockerbildung involviert. Die in den tieferen Schichten des Gesteins durch die saure Wirkung kohlensäurehaltiger Wässer herausgelösten, reduziert vorliegenden Eisenionen werden mit dem CO2-Wasserstrom nach oben transportiert. Kommen sie nun mit dem atmosphärischen Sauerstoff in Verbindung, werden die Eisenionen zu Oxihydraten oxidiert. Sie bekommen ihre rostrote Färbung und werden wasserunlöslich (Abb. 3.11). Auf stillen stehenden Gewässern bilden sich dann dünne Häute auf der Oberfläche, die je nach Sonneneinstrahlung in bunten Regenbogenfarben schillern und manchmal wie ein Ölfilm wirken. Auf organischem Material, sei es tot oder noch lebend, finden ebenfalls Ocker-Ablagerungen statt. Hierbei werden in die Lösung gefallene Blätter oder ins Wasser hängende Pflanzenteile petrifiziert. Schöne Beispiele solcher Ausfällungen finden sich in dem Naturschutzgebiet des Wehrer Kessels, bei Wassenach (Römer- und Pferdebrunnen) ganz in der Nähe des Laacher Sees oder im tschechischen Soos-Reservat. Im tschechischen Karlsbad (Karlovy Vary) nutzt man die „Rost-Versinterung“ touristisch aus und verkauft petrifizierte Rost-Rosen (aus Papier) und kleine Rost-Amphoren an Touristen.

Abb. 3.11 Ockerausfällungen in einem west-Tschechien. (© H. Pfanz 2019)

Quellsumpf

bei

Oldrussov

in

Nord-

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3.7 Die biogene Entkalkung Löst sich Kohlendioxid auf seinem Weg nach oben im Grundwasser, so entsteht Kohlensäure (siehe Gleichung 5.1, Seite 45). Sind gleichzeitig Alkalioder Erdalkali-Ionen vorhanden, werden mehr oder weniger schwer lösliche Salze gebildet. Im Falle des Kalziums sind dies das schwer lösliche Kalziumcarbonat (CaCO3) und das leichter lösliche Kalziumhydrogencarbonat oder Kalziumbicarbonat (Ca(HCO3)2). Beide fallen mit der Zeit aus und bilden Krusten. Kalziumbicarbonat bleibt jedoch dann in Lösung, wenn ein Überschuss an Kohlensäure (oder Bicarbonat bzw. CO2) in der Lösung vorhanden ist. Dies ist naturgemäß in Mofettenwässern der Fall. Zur eigentlichen Ausfällung kommt es dann nicht im Gestein, sondern erst an der Erdoberfläche. Hier gast das überschüssige CO2 entsprechend dem geringeren atmosphärischen Druck aus der Lösung aus und alle Oberflächen über welche die nun abgereicherten Wässer fließen, werden mit einer weißlichen Kruste aus Kalziumcarbonat überzogen. Gleichung der Versinterung: Ca2+ + 2 HCO− 3 ⇔ CaCO3 + H2 O + CO2 ;

(3.1)

Photosynthetisch aktive Pflanzen (häufig Moose; Palustriella (Cratoneuron) commutatum ) können CO2-haltigen Wässern das Kohlendioxid auch aktiv entziehen (sie reduzieren es photosynthetisch auf die Stufe der Zucker) und somit zur schnellen Ausfällung von Carbonaten beitragen. Man nennt diesen Vorgang dann biogene Entkalkung von Wässern oder biogene Kalk-Versinterung. Hierbei wird Kalktuff oder Travertin gebildet (Pentecost 2005). Die Vorgänge der Entkalkung sind eigentlich etwas komplizierter als oben dargestellt, spielen doch der pH-Wert, die Temperatur und die Höhe der CO2-Konzentration bei den physiko-chemischen Vorgängen, die sich in den Lösungen abspielen, eine entscheidende Rolle. Ein schönes Beispiel für eine solche biogene Entkalkung ist der Wasserfall bei Nohn in der Westeifel (Abb. 3.12b).

3.7.1 Carbonat kann hart sein Wenn das bei Raumtemperatur gasförmige CO2 sich in flüssigen Medium zu Salzen formiert, kann es ziemlich harte Strukturen schaffen – die Carbonate. Sehr häufig sind es Kalzium- und Magensiumcarbonate, die in Tropfsteinhöhlen, travertinischen Wasserfällen und Kalk-Sinterterrassen zu bestaunen sind. Im Haushalt kennt man solche „unerwünschten“ Carbonate

3 Mofetten     29

Abb. 3.12  Travertin-, Kalksinter- oder Kalktuffbildung durch Hydrogencarbonat-haltiges Wasser. An der Abtropfkante und beim Aufprallen der Tropfen entsteht neues Sintergestein; Tete de Griffon (a). Detail des Abtropfens an dem für solche Kaskaden typischen Moos Cratoneuron commutatum (Palustriella commutata) am Dreimühlenwasserfall bei Nohn in der Westeifel (b). (© H. Pfanz 2019)

auch als Wasserhärte und von verkalkten Kaffeemaschinen, Waschmaschinen und Boilern (Peter et al. 1995). Die eigentliche Verkalkung läuft dabei nach folgendem Schema ab: Ca2+ + 2 HCO− 3 ⇔ CaCO3 + H2 O + CO2 ;

(3.2)

Ca2+ + 2 HCO− 3 ⇔ CaCO3 + H2 CO3 ;

(3.3)

oder

Hierbei bindet im Wasser gelöstes, anionisches Hydrogencarbonat (HCO3−) das kationische Kalzium und bildet dabei wasserunlösliches Kalziumcarbonat (CaCO3) und in Wasser gelöstes CO2-Gas (2) oder eben Kohlensäure (3).

3.7.2 Die Steinernen Rinnen Die Ausfällung von Carbonaten kann auch zu einem sehr untypischen Bau des Bachbettes kleiner Bäche führen. So wird in travertinischen Gebieten mit sehr hohen Carbonatgehalten im Wasser, das Gerinne eines Bächleins manchmal statt durch Erosion nach unten in den Untergrund gegraben, deutlich nach oben über die Bodenoberfläche verlagert.

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Abb. 3.13  Die steinerne Rinne bei Wolfsbronn im Naturpark Altmühltal. (© H. Pfanz 2019)

Wunderbare, aber von Menschenhand mitgestaltete Rinnsale aus Carbonaten sind in der antiken Stadt Hierapolis im türkischen Pamukkale zu bewundern. Auch im italienischen Viterbo kann man solche erhöhten Wasserkanäle in der berühmten Terme del Bullicame sehen. Und selbst in Deutschland findet man mancherorts bis zu 1,6 m hohe Travertin- oder Tuffsteinwände auf denen in einer Rinne ein Bächlein fließt. Ein schönes Beispiel für eine derartige Kalktuffrinne ist die „Steinerne Rinne“ bei Wolfsbronn am Hahnenkamm (Mittelfranken; Abb. 3.13).

3.8 Wandernde Mofetten Ein noch nicht völlig verstandener Mechanismus des Ortswechsels von Mofetten liegt bei den wandernden Mofetten von Caprese Michelangelo (toskanischer Apennin) vor. Dort wird seit Jahren das Phänomen von offensichtlich

3 Mofetten     31

„mobilen Mofetten“ untersucht. In wenigen Jahren „wanderten“ hier die Ausgasungsstellen manchmal mehrere Meter hangauf- oder hangabwärts. Dies wurde durch Filmaufnahmen eindrücklich dokumentiert. Die Bewegung der Mofetten scheint durch lokale Erdbeben aktiviert zu werden (Heinicke et al. 2006) und ist naturgemäß auch von der Bodenbeschaffenheit sowie den Niederschlagsmengen und -intensitäten anhängig. Vermutlich sind Veränderungen in der Klüftigkeit des umgebenden Gesteins für diese Prozesse verantwortlich.

3.9 Pseudo-Mofetten – keine Mofetten Nicht alles CO2 im Boden ist magmatischen Ursprungs bzw. vulkanogen. Manche CO2-Entgasungen sind an tektonische Störungszonen gekoppelt, die in ihrer Menge durch seismische Ereignisse aktiviert werden können (Etiope 1999; Rogie et al. 2003). Jedoch ist die Hauptursache für erhöhtes CO2 im normalen Boden die natürliche Atmung der Bodenorganismen (Abschn. 3.9.3 und Kap. 10). Doch auch degradierte Moore können offensichtlich extrem erhöhte Boden-CO2- und -CH4-Konzentrationen aufweisen.

3.9.1 Degradierte Moore – Sauerland Im Naturschutzgebiet Eicherwald im Rothaargebirge ist ein partiell abgetorftes Hochmoor teilweise mit nicht-heimischen Gehölzen bepflanzt worden. In einigen Bereichen können im Untergrund extreme Gaskonzentrationen gemessen werden. In 60 cm Bodentiefe tauchen oft bis zu 30 % CO2 auf. An anderen Stellen wird die Methankonzentration im Boden bis zu 70 % hoch (Abb. 3.14a, b). Dies ist natürlich biogen bedingt und auf die Zersetzung von organischem Material durch Anaërobier im Moorboden zurückzuführen. Durch die unsachgemäße Behandlung dieser Moorstandorte (Abtorfung und vor allem Trockenlegung und Aufforstung) wurde der Sauerstoffzutritt in bestimmte Bodentiefen erlaubt. Sauerstoff ist sonst in intakten Moorböden ausgeschlossen; diese sind strikt anaërob. Bakterien und Bodenpilze zersetzen nun das vorhandene organische Material und setzen Methan und als Oxidationsprodukt eben auch CO2 frei. Dies führt zu diesen enormen, unnatürlichen Gaserhöhungen im Oberboden. Diese Tatsache ist umso bedenklicher, als Methanfreisetzungen den globalen Treibhauseffekt zwanzig Mal intensiver fördern als Kohlendioxiderhöhungen. Eine weitere Zerstörung von Moorgebieten ist schon aus diesen Gründen zu vermeiden.

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Abb. 3.14  a und b: Ungewöhnlich hohe Kohlendioxid- und Methankonzentrationen in einer Bodentiefe von 60 cm im Naturschutzgebiet Eicherwald im Rothaargebirge. In einem partiell entwässerten und aufgeforsteten Moor wurden auf einer Fläche von 11 × 13 m Bodengasuntersuchungen durchgeführt. (© H. Pfanz 2019)

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3.9.2 „Seismo-tektonisch“ induzierte Änderung der CO2-Freisetzung in Roermond Nahe dem niederländischen Ort Roermond befinden sich große tektonische Störungssysteme mit ausgedehnten NW-SO verlaufenden Verwerfungszonen, wie dem Peelrandsprung nahe der deutsch-niederländischen Grenze. Ursächlich für diese Störungen ist die aktive Krustendynamik im Nieder­ rheingraben. Ein starkes Erdbeben der Magnitude M = 5.9 im Jahre 1992 ereignete sich entlang dieser Störungszone und zog neben Roermond auch Städte wie Mönchengladbach und das fernere Köln in Mitleidenschaft (van Eck und Davenport 1995). Die oberflächennahen Verschiebungen sind noch heute aus der Luft durch eine lineare Versetzung am Boden zu erkennen. In einem speziellen Abschnitt kann man diese Störung im Gelände an einem Waldrand, unter der Autobahn hindurch und durch Maisfelder und Wiesen, ja sogar durch ein Wohnhaus, dessen Dach von der Störung treppenartig verformt wurde, verfolgen. Auf einem Maisfeld wachsen die Pflanzen rechts und links der Störung unterschiedlich gut (Abb. 3.15) und waren im Sommer auf der einen Seite der Störung bis zu 1,2 m hoch, während sie einen halben Meter entfernt nur noch knapp 50 cm Höhe hatten. Ähnliches gilt für die Vegetation auf der Wiese daneben. Bodenuntersuchungen haben ergeben, dass der Wassergehalt, der pH-Wert und die Bodenleitfähigkeit auf beiden Seiten der Störung unterschiedlich groß sind und dadurch das bessere resp. schlechtere Wachstum der Pflanzen bedingen (Pfanz, Werner et al., unveröffentlicht). Grund hierfür ist eine Lehmwand-Ausbildung parallel zur Spalte, die den Wasseraustausch beider Seiten verhindert. Dies ist das Ergebnis von unzähligen Erdbeben und Lösungsprozessen in geologischen Zeiträumen, die die aneinander reibenden Gesteinsplatten in tonhaltige bzw. lehmige Ablagerungen überführt haben (van Eck und Davenport 1995). Auch geogene Entgasungen entlang der Störungszone sind dadurch möglich und es können diverse Gase gemessen werden. Sauerstoff, CH4, CO2 und CO entströmen der Verwerfungszone in messbaren Mengen. In der Abb. 3.16 ist die geogene Konzentrationsverteilung vom CO2 auf dieser Wiese zu sehen. Das Gewöhnliche Rispengras (Poa trivialis), wächst spannender Weise exakt auf dieser Spalte und ist in einem Abstand von wenigen Dezimetern links und rechts der Spalte nicht mehr zu finden (Abb. 3.16a, b).

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Abb. 3.15  Maisfeld bei Roermond, Niederlande. Eine tektonische Störung zieht von etwa rechts vorne nach links hinten. Die Störung ist sowohl im Maisfeld als auch auf der angrenzenden Wiese zu sehen. Die Maispflanzen erreichen rechts und links der Störung eine unterschiedliche Höhe. (© Kerstin Werner)

3.9.3 Biogene Bodenatmung Neben den geogenen CO2-Freisetzungen gibt es im Boden natürlich auch die biogene CO2-Freisetzung. Letztere ist naturgemäß die allgemein übliche Grundlage für CO2-Erhöhungen im Boden. Alle Bodenorganismen (das Edaphon) atmen, verbrauchen dabei Sauerstoff und setzen entsprechende Mengen Kohlendioxid frei. Dies gilt für alle Pflanzenwurzeln, für Bodeninsekten, Bodenspinnentiere, Bodenwürmer und für die Bodensäuger aber auch für die Bodenalgen, Bodenbakterien und Bodenpilze. Durch die Atmung des Edaphons wird der Sauerstoffgehalt des Bodens abgereichert und er ist daher im Boden immer geringer als in der darüberlagernden Atmosphäre. Je tiefer man in den Boden kommt, desto weniger Sauerstoff ist vorhanden. Die Sachlage für CO2 ist umgekehrt. CO2 ist im Boden immer höher konzentriert als in der Atmosphäre. Während in der Atmosphäre die CO2-Konzentration etwa 0,04 % beträgt, ist sie im Boden immer im Prozentbereich. 1–10 % CO2 können in extrem humosen und organismenreichen Böden gemessen werden (Raich und Potter 1995; Lipson et al. 2005).

3 Mofetten     35

Abb. 3.16  Roermond; CO2-Konzentration (a) und Wachstum von Poa trivialis (b) direkt auf der linearen Störung der Peelboundary Fault

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3.10 Kann man Mofetten suchen? Mofetten kann man suchen und natürlich auch finden. Voraussetzungen sind entweder gute geologische Kenntnisse der Region oder exquisite Kenntnisse in Botanik oder Zoologie. Beginnen wir mit Letzterem. Eine Häufung von Tierleichen in vulkanischem Gebiet könnte ein erstes Indiz für solche CO2-Ausgasungen sein. Wie schon erwähnt, sterben Tiere bei CO2-Konzentrationen über 5–8 % innerhalb weniger Minuten. Daher kann man olfaktorisch, die Nase nutzend, durch Mofettengebiete streifen, um über den Geruch verwesender Tierleichen die Ausgasungsstellen zu orten (Saßmannshausen, mündl. Mitteilung). Das Fehlen von Maulwurfshügeln (Pfanz 2008) oder eine dramatische Verringerung der Bodenfauna können möglicherweise ebenfalls indizierend sein (Hohberg et al. 2015; Balkenhol et al. 2016). Geologische Kenntnisse helfen deutlich besser, Störungen in vulkanischem Gebiet zu orten, an denen sich möglicherweise Ausgasungen befinden. Mit geeignetem Kartenmaterial und einem Auge für geomorphologische Besonderheiten gelingt es dem geschulten Geologen meist, tektonische Störungen im Gelände auszumachen. Auf, an und in solchen Störungen befinden sich dann manchmal die gesuchten Mofetten. Ist man in Botanik und Vegetationskunde geschult oder besitzt ein gerüttelt Maß an pflanzlicher Artenkenntnis, kann man anhand der azonalen Vegetation, d. h. der „botanischen Störungen“ auf „geologische Störungen“ rückschließen. Dieses Verfahren ist sehr gut geeignet, geogene CO2-Ausgasungen vermittels Vegetationsstörungen zu lokalisieren, hat sich in Mitteleuropa bereits bewährt und ist bereits auch auf außereuropäische Standorte übertragen worden (Saßmannshausen 2010; Thomalla 2015; Pfanz et al. 2019c). Inzwischen versucht man mithilfe von Luftaufnahmen, botanische Marker in der Pflanzenverteilung zu finden, um damit Störungen zu orten und dadurch Regionen vulkanischer CO2-Exhalationen auszuweisen. Mittlerweile wurden diverse Pflanzenarten ausgemacht, die entweder gehäuft in Mofettennähe vorkommen oder im Gegensatz dazu Ausgasungsstellen strikt meiden. Mit Hilfe solcher mofettophiler und mofettophober Zeigerpflanzen kann man vom Wuchsort der Pflanze auf die Bodengaskonzentration von CO2 und O2 schließen. So etwas nennt man Bioindikation oder in unserem speziellen Fall Phyto-Geoindikation, da mit Pflanzen physikalisch-chemische Zustände des Bodens beschrieben werden können.

3 Mofetten     37

Abb. 3.17  Eislöcher im Eis eines Moorgewässers in Soos, Tschechien. Die permanente mechanische Bewegung der Wasseroberfläche durch die ausperlenden CO2-Gase verhinderte das gleichmäßige Gefrieren. (© H. Pfanz 2019)

Auch der erhöhte Fluiddruck an den Entgasungsstellen macht sich als Indikator bemerkbar. In manchen schneesicheren Gebieten kann man im Winter besonders stark gasende Mofetten anhand kreisförmiger Störungen in Eisschichten auf Tümpeln und Weihern erkennen (Abb. 3.17). Nach heftigem Regen kann man Ausgasungsstellen sogar akustisch finden. Fauchen, Glucksen und Zischen verrät dann die Orte hoher Gasflüsse. Für Liebhaber solcher Mofettengeräusche wurde in Polen sogar eine Mofetten-CD herausgebracht (Nacher und Styczyński 2005). Doch auch thermographische Studien können zum Auffinden geogener Ausgasungen dienen (Tank et al. 2008). Neuerdings bedient man sich auch der Drohnen- und Satellitentechnik, um weltweit Mofettengebiete zu kartieren und evtl. deren Ausgasungen quantitativ erfassen zu können (vgl. Abschn. 6.7).

4 Geologisch-vulkanologische Grundlagen

Das globale Kohlenstoffreservoir beläuft sich auf etwa 106 * 1015 t Kohlenstoff und verteilt sich zu über 80 % auf carbonatische Gesteine (Tab. 4.1). Den Rest machen anorganisch gebundene Kohlenstoffe an Land und im Meer und die in organischer Masse (Lebewesen, pflanzliche und tierische Leichen) gebundenen Kohlenstoffe sowie gasförmiges CO2 in der Atmosphäre aus. Schon seit der Entstehung der Erde wird CO2 aus dem Erdinneren freigesetzt. Es gibt Berechnungen, zu welchen Anteilen das Kohlendioxid aus Vulkanausbrüchen oder aus den Ausgasungen der Ozeankruste entstammt (Bredehoeft und Ingebritsen 1990). Die weltweiten geogenen Kohlendioxidfreisetzungen wurden von Barnes et al. (1978) zusammengestellt. Die Autoren zeigten, dass CO2 hauptsächlich entlang der kontinentalen Plattengrenzen sowie auch aus tiefreichenden Störungszonen innerhalb der Kontinente (sogenannten Intraplattengrenzen) freigesetzt wird. Dies sind speziell (1) der zirkumpazifische Bogen (Feuergürtel; Ring of Fire) und (2) die Gebirgszüge, die sich über Zentral- und Südeuropa bis nach Kleinasien erstrecken. Weiterhin stellten sie fest, dass die Orte der Ausgasungen immer auch Orte rezenter tektonischer Störungen, also potentielle Erdbebengebiete sind. Über das eigentliche Reservoir des Kohlendioxids gibt die Kohlenstoffisotopie Auskunft. Speziell der Gehalt des Kohlenstoffisotops 13C sagt etwas über die Herkunft des Kohlenstoffes aus dem Erdmantel (magmatisch) oder der Erdkruste (oft metamorph bzw. biogen) aus. Hierüber wird unter Geologen und Vulkanologen noch immer heiß debattiert, da aufgrund von Fluidmischungen während des Aufstiegs der Gase an die Erdoberfläche © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2019 H. Pfanz, Kalter Atem schlafender Vulkane, https://doi.org/10.1007/978-3-662-60340-6_4

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40     H. Pfanz Tab. 4.1  Die Anteile verschiedener Kohlenstoffreservoirs an der gesamten globalen Kohlenstoffmenge in 1015 t. (Nach Sundquist 1985; aus Bredehoeft und Ingebritsen 1990) Reservoir

Kohlenstoff in 1015 t

Atmosphäre Ozeane Kontinente Carbonatgesteine: Ozeane Kontinente Metamorphe Gesteine Total

0,036 6,4 7,3 28 54 10 106

auch der Isotopiewert an Aussagekraft verlieren kann. Mit Hilfe der Analyse von Helium-Isotopen (3He/4He) kann die Aussagekraft der Kohlenstoffisotope jedoch untermauert werden (Kämpf et al. 2007; Bräuer et al. 2013). Das Edelgas Helium kann ungestört aus seinem Reservoirgestein an die Erdoberfläche migrieren. Dabei nutzt es oft die gleichen Transportpfade wie das CO2. Man macht sich dabei den Umstand zu nutze, dass sich in der Kruste fast kein 3He mehr befindet; 3He entstammt nahezu ausschließlich dem Erdmantel. Ist dieser Anteil nun extrem hoch, ähnlich wie der an einem aktiven Vulkan, so spricht man von einem hohen Fluidanteil aus dem Erdmantel. Für uns mag hier angenommen werden, dass der größte Teil des Kohlendioxids, welches wir in Mofetten finden, ursprünglich magmatischen Ursprungs ist. In der Osteifel sind Mofetten und Säuerlinge nur zusammen mit prä (?) – oder postvulkanischen Erscheinungen anzutreffen (Laacher See; Wehrer und Riedener Kessel). In der West- und Osteifel werden so pro Jahr mehr als 750.000 Tonnen CO2 freigesetzt (vgl. May 1994, 2001, 2002a, b). Nach Stoffels und Thein (2000) können aber abkühlende Magmakammern diese enorme Menge an freigesetztem Gas allein nicht erklären. Neuere Publikationen von Ritter (2007) und Hensch et al. (2019) zeigen, dass es in der Eifel auch rezent aufsteigende Fluide gibt. Mithilfe der Analyse von Helium-Isotopen wurde die Herkunft des CO2 untersucht und auf die Bildung von basaltischen Magmen aus dem oberen Erdmantel (in 100–150 km Tiefe) zurückgeführt (Bräuer et al. 2018; Kämpf 2013). Diese Magmen enthalten Fluide und können wegen ihrer etwas geringeren Dichte aufsteigen. Beim Aufstieg kommt es an der Grenze zwischen Mantel und Kruste zur Abkühlung, und die gasförmigen Fluide beginnen der Schmelze aufgrund der Aufkonzentrierung und des geringeren Druckes zu entweichen. Von hier diffundieren die Fluide nun über Klüfte,

4  Geologisch-vulkanologische Grundlagen     41

Spalten und Risse in Richtung Erdoberfläche und gasen dann über den Boden in die Atmosphäre aus. Nach Degen (2001) werden „… große Teile des CO2, die seit langer Zeit an Mineralwasser gebunden oder als freies Gas ausströmen, von großen, im Magma des Erdmantels enthaltenen Gasvorräten gespeist. Diese schmelzflüssigen Gesteine steigen auf Grund ihrer geringeren Dichte bis zur Grenze Erdmantel-Kruste auf, kühlen dabei ab und verlieren im Temperaturbereich zwischen 200 und 400 °C durch die dadurch auftretende Abnahme der Löslichkeit die gasförmigen Bestandteile…“ (siehe auch Dressel 1871; Dechen 1864).

5 Kohlenstoffdioxyd – Kohlendioxid – CO2 – die Kenngröße für Mofetten

Inhaltsverzeichnis

5.1 Nomenklatorisches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 5.2 Die physiko-chemischen Eigenschaften von CO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 5.3 Die Toxizität von Kohlendioxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

5.1 Nomenklatorisches Sagt man nun vulkanbiologisch locker Kohlendioxid (Kohlendioxyd) oder etwas sperriger, aber dafür chemisch richtig Kohlenstoffdioxyd (oder gar anglophil Kohlenstoffdioxid)? Platzsparender und kürzer (aber eben chemisch unscharf ) ist es, das „stoff “ aus dem Namen wegzulassen. Wir haben uns noch längerem Abwägen entschlossen, in diesem Fall chemisch etwas unpräzise aber dadurch leichter lesbar zu sein: Ergo Kohlendioxid. Was ist denn nun genau diese Verbindung aus einem Kohlenstoff und zwei Sauerstoffatomen? Eine wunderbare Beschreibung der Kohlensäure ist bei Gehler (1789) nachzulesen: … „Die fixe Luft ist nach Bergmann im Verhältnisse 3:2, nach Lavoisier im Verhältniße 561:455, specifisch schwerer, als die atmosphärische, und sinkt daher in der letzteren zu Boden. Dies giebt Gelegenheit zu sehr artigen Versuchen, dergleichen der Düc de Chaulnes (Mem. des Sav. etrangers 1778) vor der Pariser Akademie angestellt hat. Man kan nemlich die unsichtbare fixe Luft aus einem © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2019 H. Pfanz, Kalter Atem schlafender Vulkane, https://doi.org/10.1007/978-3-662-60340-6_5

43

44     H. Pfanz

Gefäß in ein anderes, wie Wasser oder wie jedes sichtbare Fluidum, ausgießen, und dadurch ein Licht auslöschen, eine Maus tödten u.s.w. Man gießt dem Augenscheine nach Nichts aus einem Becher worinn Nichts ist, in einen anderen, worinn auch Nichts ist, mit vieler Vorsicht, Nichts zu verschütten, und kan doch dadurch Thiere tödten, Lichter auslöschen, Salze krystallisiren u. dgl.“

Chemisch betrachtet ist Kohlendioxid die höchstmögliche Oxidationsstufe, die Kohlenstoff (C) erreichen kann, während Methan (CH4) die höchst reduzierte Form des Kohlenstoffes ist. Daraus ist abzuleiten, dass Methan leicht oxidierbar und damit brennbar, CO2 absolut nicht mehr oxidierbar und damit unbrennbar ist. Man kann mit CO2 daher Feuer löschen. Weitere Eigenschaften des Kohlendioxides sind die Geruch- und Geschmacklosigkeit, die spezifische Dichte sowie die Absorption infraroter Strahlung.

5.2 Die physiko-chemischen Eigenschaften von CO2 Kohlendioxid ist bei Raumtemperatur und normalem Druck ein farb- und geruchloses Gas. Im „Physicalischen Wörterbuch“ von Gehler (1789) ist es noch unter „mephitisches Gas“ zu finden. Weitere Namen für das damals noch nicht völlig verstandene Gas sind: Wildes oder weinigtes Gas, fixe oder künstliche Luft, Luftsäure, Sauerluft, Gas mephiticum, Gas vinosum, Mephitis vinosa, Mephitis acidula, Aër fixus und Acidum mephiticum.

5.2.1 Geruch und Geschmack CO2 gilt als geruch- und geschmackloses Gas (Sax and Lewis 1989); ganz im Gegensatz zu den stark riechenden oder stark reizenden Vulkangasen wie HBr, SO2 oder H2S. In verdünnter Form ist CO2 wirklich nicht zu riechen. Wird es aber angereichert oder hoch konzentriert dargeboten, so kann man es olfaktorisch oder gustatorisch leicht erkennen. Wenn man also an der Oberfläche eines trockenen CO2-Gas-Sees vorsichtig eine kleine Kostprobe einschlürft, so wird man sehr deutlich den Geruch resp. Geschmack nach Sekt oder Champagner oder auch Mineralwasser verspüren. Aber Vorsicht! Ein Zuviel des Gases wirkt tödlich! Einfacher und wesentlich sicherer ist es, mit der Nase an der Öffnung einer eben geöffneten Bier- oder Sektflasche zu schnüffeln (siehe Abschn. 5.2.3.3). Der Geruchseffekt ist derselbe wie im CO2-Gas-See, die Menge an Gas aber so gering, dass man (in der Regel) überlebt.

5  Kohlenstoffdioxyd – Kohlendioxid – CO2 – die …     45

5.2.2 Die Wasserlöslichkeit CO2 ist sehr gut wasserlöslich. Die CO2-Löslichkeit in Wasser beträgt 3346 mg/L bei 273,15 K (O°C) und PCO  = 1,013 hPa. Bei 20 °C (293 K) 2 aber gleichem Druck beträgt sie noch etwa 1700 mg/L (Wiebe und Caddy 1940). Es bildet gelöst in Wasser eine schwache Säure – die Kohlensäure.

5.2.3 Die Säurewirkung Kommt gasförmiges CO2 mit wässrigen Lösungen in Kontakt, so wird Kohlensäure gemäß Gleichung (5.1) gebildet. In einem ersten Schritt wird das Gas physikalisch gelöst und dann chemisch an Wasser gebunden. Die instabile Kohlensäure ist entstanden. Danach dissoziiert die Säure jedoch rasch und abhängig vom pH-Wert der Lösung zu Hydrogencarbonat resp. Carbonat und Protonen. Die Lösung von CO2 in Wasser sowie die zweistufige Dissoziation der Kohlensäure erfolgt gemäß Gleichung (5.1): 2− + + CO2 + H2 O ⇋ CO2 · H2 O ⇋ HCO− (5.1) 3 + H ⇋ CO3 + 2H

Aus der Gleichung geht aber auch hervor, dass das Gas CO2 aus seinen Salzen wieder freigesetzt werden kann. Dabei wird die Gleichung bei Ansäurung nach links verschoben. Im Falle einer Alkalisierung des Mediums würde sich die Gleichung mehr oder weniger stark nach rechts verschieben. Die Stärke der Dissoziation und die Gleichgewichtseinstellung lassen sich gut mit der Henderson-Hasselbalch-Gleichung berechnen, bei der der jeweilige pH-Wert und die pK-Werte für Hydrogencarbonat (Bicarbonat HCO3−) und Carbonat (CO32−) eingehen. Aus der obigen Gleichung geht hervor, dass Kohlensäure in sauren Lösungen gasförmiges CO2 freisetzt, während es in neutralen und alkalischen Lösungen als Hydrogencarbonat oder Carbonat dissoziiert vorliegt und damit im Wasser gelöst bleibt. Diese Eigenschaften sind von herausragender Bedeutung für das Verständnis der Wirkung von Kohlendioxid (Wollmann 1942). So ist beispielsweise das chemische Binden (und „Entsorgen“) von CO2 in alkalischen Wässern bei der CO2-Pufferung der Weltmeere von immenser Bedeutung (und wird bei den Plänen, Kohlendioxid in Meeren zu entsorgen, zu beachten sein; vgl. Caldeira und Wickett 2003, 2005).

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5.2.3.1 Die Pufferung von CO2 im Meer Da das Meerwasser in der Regel leicht alkalisch ist, löst sich das atmosphärische CO2 im Meerwasser nicht nur rein physikalisch, sondern auch chemisch. Dabei dissoziiert die Kohlensäure und setzt Protonen frei. Durch diese CO2 -bedingte Azidifizierung wird der pH-Wert in den Weltmeeren sukzessive in Richtung Neutralpunkt und weiter in Richtung leicht saurer pH-Werte verändert. Diese Veränderungen werden immense Auswirkungen auf viele Meeresbewohner haben. Schon heute sind an bestimmten Stellen in den Meeren solche Veränderungen an Meerestieren festzustellen. Weil saure pH-Werte es den Meeresorganismen schwerer machen an Kationen zu gelangen, wird die Aufnahme von Kalzium (Ca2+) und Magnesium (Mg2+) für viele Schalentiere erschwert. Mit diesen Kationen werden die Carbonate (CO32−) zum Bau der Schalen fixiert. Unter Laborexperimenten wurde die partielle Auflösung der Schalen von Pteropoden (Flügelschnecken oder Meeresschmetterlinge) in diesem Falle an Clio pyramidata gezeigt (Orr et al. 2005). Auch Korallen und bestimmte Planktonarten sind betroffen. Hall-Spencer et al. (2008) zeigten die Auswirkungen von untermeerischen vulkanischen CO2-Ausgasungen auf Schalentiere und kamen zu ähnlichen Ergebnissen. Die Schnecken Osilinus turbinata (Würfelturbanschnecke), Patella caerulea (Gewöhnliche Napfschnecke) und Hexaplex trunculus (Stumpfe Stachelschnecke) zeigten in dem durch CO2-Entgasungen angesäuerten Meerwasser (pH-Wert um 7,3) stark erodierte Schalen. Das im Mittelmeer vorkommende Neptungras, Posidonia oceanica, das bei leicht alkalischem pH-Wert des Meerwassers (pH 8,2) stark mit Corallinaceen („Korallenmoos“) überwachsen wird, zeigt im CO2-sauren Wasser (pH 7,6) kaum mehr epiphytären Bewuchs (Hall-Spencer et al. 2008). Die Fähigkeit von gelöstem Kohlendioxid, intermediär Kohlensäure (H2CO3) zu bilden und daher wässrige Lösungen anzusäuren, nutzt man bei der Herstellung von kohlensäurehaltigen Mineralwässern. Das CO2 der Luft (derzeit 0,041 %) säuert aber naturgemäß nicht nur Mineralwässer, sondern auch Nebel- und Regentropfen an und verwandelt normalen Regen in leicht angesäuerten Regen mit pH-Werten um 5,6–5,8 (Fellenberg 1997). Dies ist der Grund, warum selbst völlig unverschmutztes Regenwasser immer leicht sauer reagiert. Im Falle des anthropogen stärker verschmutzten „Sauren Regens“, dessen pH weit geringere Werte aufweist

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(pH von 5,0 bis teilweise 1,8), sind zusätzlich Schwefeldioxid (SO2) und/ oder Stickoxide (NOx) gelöst und haben nach Oxidation die starken Säuren Schwefelsäure und Salpetersäure gebildet.

5.2.3.2 Die menschliche Mofette – der Magen als Reaktionskammer Die Tatsache, dass CO2 bei niedrigem pH-Wert rasch aus der Lösung ausgast, ist im Eigenversuch sehr eindrucksvoll zu demonstrieren: Man trinke rasch größere Mengen möglichst kühlen Mineralwassers (welches viel gelöste Kohlensäure enthalten sollte) und warte einige Sekunden. Ein Druck in der Magengegend, dem man übrigens nicht lange Stand halten kann, zeigt unmissverständlich die Bildung von gasförmigem Kohlendioxid an. Der Unterschied in der Temperatur (Mineralwasser ca. 15 °C, Magen ca. 37 °C) und vor allem der Unterschied im pH-Wert (Mineralwasser pH 3–5, Magen ca. pH 1–2) haben das physikalisch und chemisch gelöste Kohlendioxid schlagartig auf die Seite des undissoziierten Gases gebracht (vgl. Gleichung 5.1), welches nun ein deutlich größeres Volumen beansprucht und seinen Weg, dem geringsten Widerstand folgend, nach außen sucht (Abb. 5.1).

Abb. 5.1  Die menschliche Mofette. Geräuschvolles Aufstoßen von Kohlendioxid nach Mineralwassergenuss. Detaillierte Anleitung im Text. (© H. Pfanz 2019)

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5.2.3.3 Das Öffnen von Bier- und Sektflaschen Öffnet man eine Flasche kalten Bieres, so hört man ein Zischen und Pfeifen. Dies ist dem Überdruck geschuldet, der nun nach außen entweichen kann. Während dieses Vorganges und aufgrund der Druckentlastung durch das Öffnen entweicht auch Kohlendioxidgas, das vorher in übersättigter Form (auch als Carbonat- und Hydrogencarbonatsalz) im Bier enthalten war. Vor allem im oberen Teil des Flaschenhalses direkt unter dem Kronkorken befindet sich ein hoch konzentriertes CO2-Wasserdampfgemisch, das schon bei der Abfüllung entstanden ist. Die Ausgasung erfolgt extrem rasch, weil der vorher vorhandene Druck durch das Öffnen des Kronkorkens schlagartig sinkt. Das System entspannt sich und das ausströmende Gas kühlt sich dabei stark ab. Bei diesem Vorgang wird die Kohlendioxidkonzentration im oberen Flaschenhals direkt über dem Flascheninhalt nochmals deutlich erhöht. Messungen beim Öffnen solcher Flaschen mit einem portablen CO2/O2-Analysator ergaben bis zu 92 % CO2 (und 5 % O2) bei gekühlten Bieren und fast 96 % CO2 und 2 % Sauerstoff bei kühlem Sekt (eigene Daten). Könnte man schneller und präziser über der Getränkeoberfläche messen, würde man wahrscheinlich 100 % CO2 nachweisen können. Gleichzeitig wird durch die starke Temperatursenkung der vorhandene Wasserdampf kondensiert. Hochkonzentriertes CO2 und Wasserdampf (resp. Wassereis- sowie Trockeneiskristalle) ergeben dann die typischen „Nebelschlieren“ beim Öffnen eines kohlensäurehaltigen Getränks (Liger-Belair et al. 2017; Liger-Belair und Séon 2017). Beim Entkorken einer Sektflasche ist dieser Vorgang noch deutlicher zu beobachten. Auch hier ist es der plötzliche Druckunterschied beim Entkorken, der die unter Überdruck stehende Getränkeflasche zum Schäumen und Überlaufen bringt. Im Inneren der Flasche befindet sich eine übersättigte CO2-Lösung. Es liegen die Ionen der Kohlensäure (Hydrogencarbonat HCO3− und Carbonat CO32−) neben undissoziierter Kohlensäure (H2CO3) resp. physikalisch gelöstem Kohlendioxid (H2O × CO2) vor. Vor dem Verschließen wurde bei der Abfüllung CO2 im Überschuss zugesetzt – ein Überdruck entstand (der Gasüberdruck bei den verschiedenen Getränken ist jeweils etwas unterschiedlich entstanden; dies ist jedoch nicht Gegenstand dieser Abhandlung). Durch den plötzlichen Druckabfall beim Öffnen der Flasche entgasen CO2-Moleküle. An den rauen Wänden der Gefäße und vor allem wohl an winzigen Partikeln der Gefäßwand (Zhang und Xu 2008) entstehen winzige Gasbläschen, die sich später ablösen und von der Auftriebskraft nach oben flottiert werden. Beim

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Steigen stoßen sie zusammen, verschmelzen, werden größer, steigen schneller, stoßen wieder zusammen und vergrößern dadurch stetig ihr Volumen. In der Nähe der Gefäßöffnung angekommen, sind aus den ehemaligen Bläschen inzwischen stattliche Blasen geworden, die zudem ihre Auftriebsgeschwindigkeit wesentlich beschleunigt haben. Durch ihre Geschwindigkeit und Größe reißen die CO2-Blasen nun die Flüssigkeit in ihrer Umgebung mit nach oben. Der Flaschenhals zwingt die Blasen durch seine Verengung zur transienten Vereinigung. Der Gasüberdruck äußert sich nun in vehementem Überschäumen.

5.2.4 Absorption von Wärmestrahlung Kohlendioxid absorbiert infrarote Strahlung der Wellenlängen um 2,7 µm, 4,3 µm und 15 µm. Wegen dieser Eigenschaft kann man CO2 in der Gasphase sehr gut messen (Infrarot-Absorptions-Spektrometrie). Diese Eigenschaft bedingt aber auch seinen positiven Beitrag zur Lufttemperatur. Ohne CO2 und Wasserdampf in der Atmosphäre läge die mittlere Temperatur der Erdatmosphäre bei etwa −12 bis −16 °C. Die derzeitige mittlere Lufttemperatur liegt glücklicherweise bei etwa +16 °C bedingt durch das Absorptionsverhalten der Gase, speziell durch den Gehalt an Wasserdampf, natürlichem CO2 und Methan; man nennt dies den natürlichen Treibhauseffekt. Die Eigenschaft von CO2, infrarote Strahlung zu absorbieren bedingt heutzutage jedoch und auch seinen fatalen Beitrag zum anthropogenen Treibhauseffekt. Die ungebremste Verbrennung fossiler Brennstoffe durch uns Menschen führt zu einer deutlichen Erhöhung der CO2-Konzentration in unserer Atmosphäre. Seit der industriellen Revolution ist die CO2-Konzentration von etwa 260 ppm (pars per millione) auf die heutigen 410 ppm CO2 erhöht worden. Die von der Erde abgegebene infrarote Wärmestrahlung wird nun vom erhöhten CO2 der Atmosphäre vermehrt absorbiert und teilweise reflektiert; die Atmosphäre erwärmt sich zusehends. Die Folgen dieser Reaktion spüren wir bereits jetzt in unserem Alltag. Ein wunderbares Beispiel, wie man diesen Treibhauseffekt schon heute klar zeigen kann, ist das Naturlabor „Valle di Bossoleto“ in der Toskana. Hier konnten wir den Zusammenhang zwischen der Erhöhung des atmosphärischen Kohlendioxids und der damit einhergehenden Temperaturerhöhung der Atmosphäre zweifelsfrei analysieren und beweisen (Kies et al. 2015; siehe auch Kap. 9 ff.).

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5.2.5 Die spezifische Dichte CO2 hat ein Molekulargewicht von 44,01 g mol−1 und ist mit einer Dichte von 1.98 kg m−3 ca. 1,5-mal schwerer als Luft. In höheren Konzentrationen kann es daher bei Windstille sogenannte trockene Gas-Seen in natürlichen Mulden oder in Kellern bilden.

5.2.5.1 Kohlendioxid bildet Gas-Seen und Gas-Bäche In schlecht belüfteten Räumen (z. B. Gärkellern und Brunnen), Vulkanhöhlen oder in Bodensenken können sich lebensgefährliche, trockene CO2Gas-Seen ausbilden (siehe tödliche Gas-Fallen in Abschn. 8.1 und Kap. 13; Raschi et al. 1997; Bettarini et al. 1999; Pfanz 2008). Bei ruhiger Wetterlage können solche Gas-Seen ziemlich stabil sein und eine klare Grenze zwischen dem schweren CO2-See und der darüber lagernden Atmosphäre ausbilden (Kies et al. 2015). Die Gaskonzentrationen können am Boden eines solchen Gas-Sees durchaus 100 % betragen. Derartige Gas-Seen bilden sich aber auch in CO2-Höhlen, wie in der Aragonit-Höhle in Zbrasov/Tschechien, doch findet man sie auch in Kellern von Wohnhäusern und Garagen in der Osteifel (Degen 2001). Tödliche Gas-Seen spielen auch in der antiken Mythologie der Griechen und Römer eine bedeutende Rolle (vgl. Kap. 12). Für das Sanktuarium des Pluto in Hierapolis, als dem Eingang zur Hölle, ist dies erst kürzlich publiziert worden (Pfanz et al. 2014, 2019a, b). Am Sousaki-Vulkan in Griechenland (D`Alessandro et al. 2006) kann man sogar einen trockenen CO2-Gas-Bach beobachten, der aus kleinen Höhlen am Hang ausströmt (Abb. 5.2a Gas-See und 5.2b Gas-Bach). Der GasBach der aus den Höhlen austritt, ist durch die (künstliche) Färbung gut zu erkennen. Im Bachbett findet man erstickte Tiere (Mäuse, Vögel, Insekten).

5.2.6 Die Sichtbarkeit des Gases Kohlendioxid ist ein farbloses Gas. Man kann es eigentlich nicht sehen. Tritt es jedoch in hoher Konzentration in Tälern und Mulden auf, so ist es bei geeignetem Sonnenstand machmal recht gut zu sehen. Allerdings sieht man nicht den eigentlichen Gas-See, sondern seine Oberfläche, die sich wegen der unterschiedliche Reflexion des Sonnenlichtes von der darüber lagernden Atmosphäre unterscheidet.

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Abb. 5.2  Weißlich gefärbter CO2-Gas-See in einer kleinen Höhle am Randgehänge eines ehemaligen Kraters des Sousaki-Vulkans (a). Ein rötlich gefärbter, trockener CO2-Gas-Bach fließt aus einer Gashöhle des Sousaki-Vulkans den Hang hinunter (b). Dank an Dr. F. Italiano und Dr. W. D’Alessandro, INGV-Palermo. (© H. Pfanz 2019)

Unter Verwendung von geeigneten Pyro-Rauchtöpfen kann man den Gas-See aber kurzfristig anfärben (siehe auch Abb. 5.3). Der über 4 m hohe, tödliche Gas-See „Il Bossoleto“ bei Siena wurde morgens mit ebensolchen Rauchtöpfen angefärbt. Man sieht sehr deutlich, dass wegen der stratifizierten Schichtung des Gases mehrere Ebenen erkennbar werden.

5.2.7 Die Verdrängung von Sauerstoff Da CO2 den Sauerstoff der Luft durch seine bloße Präsenz verdrängt und dadurch zu einer Absenkung der Sauerstoffkonzentration führt, kann es bei aëroben Organismen zu Sauerstoffmangel, Atemproblemen und Erstickung führen (Niel et al. 2007; Pilz et al. 2017 und die dort enthaltenen Literaturverweise). In Gegenwart von sehr hohen Konzentrationen von mephitischem

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Abb. 5.3  Färbung eines 4,3 m hohen CO2-Gas-Sees in dem Gas-Tal Bossoleto bei Siena. Die horizontale Ausbreitung der Farbpartikel einer gelben Rauchfackel im CO2-Gas ist gut zu sehen. (© H. Pfanz 2019)

CO2 kann die Sauerstoffkonzentration der Luft von normalerweise 20,8 % auf Null herabgesetzt werden. Dies ist schon mehrfach in Mofettenböden aber auch in der Luft von Tal-Mofetten gemessen worden (Pfanz 2008; Vodnik et al. 2006; Kies et al. 2015). Die Verdrängung von Sauerstoff und die Tatsache, dass CO2 die höchst mögliche Oxidationsstufe von Kohlenstoff darstellt (und daher nicht mehr brennbar ist), macht seinen Einsatz beim Feuerlöschen sinnvoll. Die Feuerwehr nutzt es daher auch, um Flammen dort zu löschen, wo der Einsatz von Wasser nicht ratsam ist. Schon Dante Alighieri (1265–1321) hat über die Sauerstoffverdrängung durch CO2 geschrieben. Er beschreibt das Verlöschen von Flammen auf dem heißen Bullicame-Bach bei Viterbo (Inferno, Canto XII, XIV and XV). „Cosa non fu dagli occhi tuoi scorta Notabil come lo presente rio, Che sopra sè tutte fiammelle ammorta.“ (L’Inferno, Canto XIV, 88-90)

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5.3 Die Toxizität von Kohlendioxid Jeder Winzer weiß um die Gefährlichkeit von CO2 und beachtet daher sehr genau die nötigen Vorsichtsmaßnahmen beim Gang in den Gärkeller. Bei der Vergärung von Traubenmost zu Wein wird bei der Umsetzung von Zucker zu Alkohol durch die Hefepilze (Saccharomyces cerevisiae) sehr viel Kohlendioxid produziert. Pro gebildetem Alkoholmolekül wird dabei ein Molekül CO2 frei. In der Phase der heftigsten Gärung (beim Wein: bei der Bildung des Federweißen oder Stürmers) ist dieser Prozess am besten zu beobachten. Das Gas entweicht dabei aus den Gärbottichen in erheblichen Mengen. Da Kohlendioxidgas spezifisch schwerer als Luft ist, bildet es einen unsichtbaren Gas-See am Boden des Gärkellers. Schon ein kurzer Aufenthalt von wenigen Minuten in solch einem Gas-See kann tödlich sein. Bei Gehler (1789) können wir lesen: „Diese Gasart löscht das Feuer schnell aus, und zieht den Dampf der Kerzen stark an sich. Sie ist untauglich zum Athmen, und Thiere können darinn nicht fortleben. Die warmblütigen sterben am schnellsten, später die Amphibien, die Insecten werden nur halb getödtet, die Irritabilität wird schnell vernichtet, und das noch warme Herze eines so getödteten Thiers zeigt keine Bewegung mehr.“ Heute wird Kohlendioxid als gefährlicher Arbeitsstoff mit einem sehr schwachen Wirkungspotential der Kategorie IV zugeordnet. Dies mag bei einem Vergleich der Toxizitätsgrenzen mit anderen bekannten Gasen richtig erscheinen. Schwefeldioxid, die Stickoxide oder Ozon wirken bereits in Konzentrationen von wenigen ppm (pars per millione = ein Teil auf eine Million Teile) schädigend, während Kohlendioxid erst in Konzentrationen von mehreren Prozent seine gesundheitsschädigende Wirkung entfaltet. Kohlendioxid ist jedoch ein „luftverdrängendes Gas“. An bestimmten, topographisch tiefer gelegenen Stellen (Täler, Mulden, Keller, Höhlen) und unter bestimmten klimatischen Gegebenheiten (Windstille) kann sich CO2 in Konzentrationen von mehreren Zehnerprozent anreichern und ist dann höchst gefährlich (vgl. Kap. 8 und 13). Der MAK-Wert (maximale Arbeitsplatzkonzentration) für CO2 ist 5000 ppm (oder 0,5 Vol%). Für eine Stunde darf dabei die Konzentration auf 1 % ( = 10.000 ppm) ansteigen. Toxikologen ist bekannt, dass erhöhte Konzentrationen von CO2 für den Menschen gefährlich sein können. Ab einer Konzentration von 1 % CO2 in der Atemluft wird die menschliche Atmung beschleunigt. Längere Einwirkzeiten dieser Konzentration bewirken Kopfschmerzen (Krinninger 2001, Bundesamt für Arbeitsschutz und Unfallordnung 1982, Hansell und Oppenheimer 2004, D`Alessandro 2006). Anzumerken ist hier, dass wir beim normalen Ausatmen

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etwa 4,5 % CO2 mit unserer Atemluft freisetzen. Würden wir das im Körper gebildete CO2 nicht permanent ausatmen, würden wir uns durch das sich im Blut anreichernde CO2 sehr rasch selbst vergiften (hierzu später mehr). Bei Konzentrationen von 3 bis 5 % CO2 wird unsere Atmung um bis zu 400 % erhöht; daher dient diese Konzentration auch dazu, den Kreislauf anzuregen und wird auch bei Wiederbelebungsmaßnahmen nach Herzstillstand verwandt (Krinninger 2001). Bei längerem Einatmen von CO2-Konzentrationen größer 10 % werden Menschen in der Regel ohnmächtig. Kurzzeitiges Einatmen von 30 % CO2 verursacht Herzrasen, Verwirrtheit, Sehstörungen und manchmal den Tod (Stupfel und Le Guern 1989, Hansell und Oppenheimer 2004, D`Alessandro 2006). Die ursächliche Wirkung des CO2 ist dabei einerseits die Verdrängung von lebensnotwendigem Sauerstoff (Hypoxie, Anoxie), andererseits aber auch die ansäuernde Wirkung des CO2 im Blut (Hypercapnie) und in den Körperzellen. Die azidifizierende (ansäuernde) Wirkung von CO2 ist auch bei Tauchern ein bekanntes Problem. Hyperventilieren vor dem Tauchgang erhöht nicht nur den Sauerstoffgehalt des Blutes, sondern reichert auch vorhandenes CO2 ab. Die Gefahr der Ansäuerung des Blutes wird dadurch zeitlich etwas hinausgeschoben (Tab. 5.1). Auch Hebammen und Gynäkologen wissen um die potentielle Säurewirkung des Kohlendioxids. Während des Geburtsvorganges können Frauen durch Hecheln (vermehrte Aufnahme von Sauerstoff, vermehrtes Ausatmen von CO2) bzw. „in die vor den Mund gehaltenen Hände atmen“ (reduzierte Sauerstoffaufnahme, Rückatmen von CO2) den Säuregrad ihres Tab. 5.1  Die Toxizitätsstufen von Kohlendioxid und ihre Folgen für Menschen. Leicht verändert nach D’Alessandro 2006, Kaye et al. 2004, Hansell und Oppenheimer 2004, Fischedick et al. (2015) und Smith (1996) CO2- Konzentration [%]

Wirkung

0,0408

Derzeitige Konzentration in der global gemittelten troposphärischen Luft Empfohlener Maximalwert in Innenräumen MAK-Wert (Maximale Arbeitsplatzkonzentration) Konzentration in der Atemluft (Ausatmen – Exspiration) Erste Symptome wie Schwindel und Kopfschmerzen treten auf Weitere Symptome: Blutdruckanstieg, Atemnot, Brechreiz, Blaufärbung der Haut, Schwäche bis hin zur Ohnmacht; Todeseintritt nach ca. 30 – 60 min Sofortige Ohnmacht; Eintritt des Todes nach ca. 5 – 10 min

0,15 0,5 4,3 5 8 – 10

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Blutes beeinflussen. Verstärktes Ausatmen von CO2 alkalisiert (säuert ab), verstärktes Einatmen von CO2 azidifiziert (säuert an) das Blut. Hypercapnie ist oft eine Folge von bestimmten Erkrankungen der Lunge, bei der es zu einer Verminderung der CO2-Abatmung kommt. Das stechende Gefühl in Mund und Nase, das beim Lösen von CO2 auf den Schleimhäuten entsteht, nutzten die Altvorderen schon als Warnsystem bei Kohlensäureausbrüchen im Bergbau (Werne und Thiel 1914). Doch auch in Gebäuden ohne geogene CO2-Freisetzung kann die CO2-Konzentration in der Luft gefährlich erhöht sein. Bei schlechter Belüftung kann der Wert von 1500 ppm CO2 in Innenräumen deutlich überschritten werden. In Schlafzimmern oder voll besetzten Hörsälen kann die CO2-Konzentration innerhalb von Stunden sogar Werte um 3000 ppm und mehr erreichen. Obwohl diese Konzentrationen nicht direkt schädlich sind, sollte hier natürlich entsprechend regelmäßig gelüftet werden (Kim et al. 2002; Grams et al. 2003).

6 Lebensraum Mofette

Inhaltsverzeichnis

6.1 Pflanzen in Mofetten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 6.2 Angepasste Pflanzen können wachsen – die azonale Vegetation . . . . . . . . 64 6.3 Physiologische Anpassungen von Pflanzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 6.4 Mofettophilie und Mofettophobie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 6.5 CO2 und Bäume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 6.6 Die heißen „fumarolischen“ Mofetten der Azoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 6.7 Mofetten von oben gesehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

Trotz der teilweise extrem lebensfeindlichen Umwelt sind Mofetten Wuchsorte und Lebensraum nicht nur anaërober Organismen. Sah man anfangs in Mofetten hauptsächlich kleinwüchsige, chlorotische Pflanzen und sterbende oder tote Tiere, so hat sich die heutige Sicht auf Mofetten deutlich verändert. Man hat die Mofette als Lebensraum oder sogar als Ökosystem erkannt. Inzwischen werden nun auch die Anpassungen und Strategien der verschiedensten Organismen an die extremen Faktoren wie sehr hohes CO2, geringer Sauerstoffgehalt oder übersäuerter Boden untersucht. Für viele Organismen, die normalerweise in sauerstoffarmen Habitaten, wie in Sumpf- oder Moorböden vorkommen, können Mofetten sowohl Rückzugsgebiete als auch Standorte mit geringerem Konkurrenzdruck darstellen.

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2019 H. Pfanz, Kalter Atem schlafender Vulkane, https://doi.org/10.1007/978-3-662-60340-6_6

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6.1 Pflanzen in Mofetten Schon in älteren Publikationen wird einerseits von der positiven aber andererseits auch sehr negativen Wirkung von CO2 auf Pflanzen berichtet: „Die fixe Luft ist eine wahre Säure … – … Die Pflanzen gedeihen nach Priestley’s Versuchen nicht in ihr, ob sie gleich, wie D. Ingenhouß (Versuche mit Pflanzen rc.) gezeigt hat, im luftsauren Wasser sehr gut vegetieren, und die Säure aus demselben in sich nehmen“… (Gehler 1789).

Pflanzen nutzen das CO2 der Atmosphäre, um es mithilfe der Sonnenenergie zu Kohlenhydraten zu reduzieren. Mit der derzeitig in der Atmo%), können die sphäre vorherrschenden CO2-Konzentration (0,041  Pflanzen recht gut Photosynthese treiben, doch ist die Photosyntheseleistung durch Erhöhung der CO2-Konzentration noch deutlich zu steigern. Bei den meisten Pflanzen ist aber eine Sättigung der Photosyntheseleistung bei CO2-Konzentrationen von 0,3 und 0,5 % CO2 in der Außenluft erreicht (Larcher 2001). Sehr hohe CO2-Konzentrationen können bei Pflanzen zu einer transienten Hemmung der Photosynthese führen (Abb. 6.1). Wenn Pflanzen auf Mofettenböden wachsen, kann es passieren, dass das geogene CO2 über die Interzellularen der Wurzel bis in die Blätter transportiert wird und so die der Photosynthese zur Verfügung stehende CO2-Konzentration deutlich über 0,5 % erhöht wird. Wachsen Mofettenpflanzen gar in einem oberirdischen CO2-Gas-See, dann kann die Situation noch dramatischer werden. Im italienischen Bossoleto-Tal stehen Schilfpflanzen (Phragmites australis) bei bis zu 100 % CO2 in der morgendlichen Sonne. Bei diesen erhöhten CO2-Konzentrationen ist die Photosynthese der Pflanzen aber längst inhibiert (Pfanz, Wittmann, Bilger, unveröffentlicht). Hier wirkt also eine Erhöhung der Substratkonzentration nicht mehr düngend und stimulierend, sondern hemmend bis verhindernd. Die Hauptursache für die Hemmung der Photosynthese durch hohes CO2 ist wahrscheinlich die Ansäuerung in den Chloroplasten (Pfanz und Heber 1986; Pfanz et al. 1987; Pfanz 1994). Doch warum können Pflanzen überhaupt an Mofettenstandorten wachsen und warum scheinen einige Arten Mofettenstandorte sogar zu bevorzugen? Einige dieser Pflanzenarten können wegen ihres bevorzugten Vorkommens auf Mofettenböden sogar indikativ als biologische Zeigerpflanzen für das Vorkommen von CO2 in Böden genutzt werden. Andere Arten wiederum

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Abb. 6.1  Lichtkurve der Photosynthese von Bärlauch. Die Pflanze wurde ausgewählt, weil sie nicht an Mofettenstandorte angepasst war. Man erkennt, dass die Kontrolle bei etwa 500 µmol Photonen m−2 s−1 ihr Photosynthesemaximum hat. Danach bewirkt mehr Licht eine Hemmung der Photosynthese. Schon etwa 15 % CO2 in der Atmosphäre hemmen die Photosynthese. Ab etwa 28 % ist eine photosynthetische Reaktion kaum mehr messbar. Die Regeneration ohne CO2 zeigt schon nach einer halben Stunde wieder Kontrollwerte

meiden CO2-gasende Böden und werden so aus Mofettengebieten verdrängt. Sie zeigen sogar die Grenzen zu Entgasungsgebieten an und können daher ebenfalls als (negative) Bioindikatoren genutzt werden.

6.1.1 Pflanzen sterben ab Vielen Pflanzen ergeht es wie den Tieren. Sie können an Mofettenstandorten nicht gedeihen; sie sterben über kurz oder lang ab. Andere können erst gar nicht auskeimen; ihre Samen können bei der vorherrschenden Sauerstoffarmut im Boden entweder keine Keimwurzeln ausbilden oder ihre jungen Wurzeln sterben ab und verfaulen innerhalb kürzester Zeit (Geisler 1973; Raschi et al. 1997, 1999; Pfanz et al. 2004, 2005, 2007; Vodnik et al. 2002a, b, 2005, 2018). An solchen Standorten ist der Boden meist frei von jeglicher Vegetation (Abb. 6.2a). Doch auch bei Algenteppichen lässt sich die schädigende Wirkung deutlich erhöhter CO2-Konzentrationen nachweisen. Die Wirkung geht über leichte Schädigung bis hin zum Zelltod der Algen (Abb. 6.2b).

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Abb. 6.2 Rapsfeld (Brassica napus) auf einem Hang bei Hartoušov. Die ungleichmäßige CO2-Ausgasung aus dem Boden wirkt sich deutlich auf das Wachstum und den Blühbeginn von Raps aus. Neben völlig unbewachsenen Stellen sind Wachstumseinschränkungen und Blühverzögerungen zu erkennen. Im Hintergrund zeigt das optimale Wachstum von Raps normale CO2-Werte im Boden an (a). Abgestorbene (weiß), absterbende (grau) und noch vitale Algen eines Algenteppichs (grün) in einer Mofettenpfütze des Smraďoch bei Marienbad (b) (© H. Pfanz 2019)

Auch in der kalifornischen Caldera von Long Valley (Sierra Nevada) wirkte sich ausgasendes CO2 verheerend auf die Vegetation aus. Zwischen 1978 bis 2003 war es in einem Hochtal bei Mammoth (Horseshoe Lake) zu mehreren Erdstößen gekommen. Dabei änderte sich die Klüftigkeit des Gebirges, wobei erhöhte Mengen an Kohlendioxid ihre Wegsamkeit zur Erdoberfläche fanden (Hill und Prejean 2005). Große Teile der Kiefernwälder (Pinus contorta; Drehkiefer) an den Flanken des Tales starben ab (Abb. 6.3a). Ursache waren die sehr hohen CO2-Ausgasungen und die dadurch dramatisch abgesenkten Sauerstoffkonzentrationen im Boden. Kiefern sind im Gegensatz zu Sumpfpflanzen nicht in der Lage, ihre unterirdischen Organe mit „oberirdisch erzeugtem“ Sauerstoff zu versorgen. Wegen des Sauerstoffmangels im Boden kam es zum Absterben der Wurzeln und in der Folge zu einem flächendeckenden Absterben von Waldgebieten. Im Jahre 2003 konnte jedoch schon wieder Wachstum junger Kiefern beobachtet werden (Abb. 6.3b). Die Ausgasung des CO2 hatte sich deutlich verringert. Es scheint, als könne der trockene Kiefernwald diese Gegend erneut besiedeln. Seit einiger Zeit bemerkt man eine Zunahme an absterbenden Bäumen auch am Rande des Laacher Sees in der Osteifel. Im Wurzelraum vieler ufernaher Bäume ist eine hohe CO2-Konzentration von bis zu 80 % zu messen (Pfanz et al. unveröffentlicht). Der hohe CO2-Gehalt der Uferböden

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Abb. 6.3  Abgestorbener Drehkiefer-Bestand (Pinus contorta) an den Flanken des Horseshoe Lake bei Mammoth, Sierra Nevada im Jahre 2005. Extreme CO2-Ausgasungen hatten in diesem Vulkangebiet zum Absterben ganzer Wälder geführt (a). Fünf Jahre später (2010) war durch nachlassende Ausgasungen an einigen Stellen schon wieder Jungwuchs vorhanden (b). (© H. Pfanz 2019)

zwingt die sauerstoff-benötigenden Wurzeln der Eichen, Buchen, Pappeln, Linden und Maronen aus den tieferen Bodenschichten in höhere, oberflächennähere Bodenzonen. Diese Verlagerung der Wurzeln ist mit zwei Nachteilen für die Bäume verbunden. In trockeneren Sommern sind die Wurzeln dem trocken-heißen Boden viel direkter exponiert und finden auch weniger Bodenwasser. Eine Schwächung der Bäume lässt naturgemäß Parasiten und Krankheitserregern freien Lauf. Die oberflächenahe Verlagerung der zur Verankerung dienenden Wurzelmasse führt aber zusätzlich zu einer mechanischen Destabilisierung der Bäume; Winddruck und Schneelast führen daher rascher zu einem Umkippen der Bäume (Abb. 6.4).

6.1.2 Wuchs und Aussehen der Pflanzen ändern sich Ausgasungsstellen von CO2 müssen aber nicht zwangsläufig völlig vegetationslos sein. Neben gut angepassten Spezialisten (die weiter unten besprochen werden), gibt es viele, kaum spezialisierte Pflanzenarten, die an Mofettenstandorten mehr oder weniger gut gedeihen. In nord-slowenischen und nordwest-tschechischen Wiesenmofetten aber auch an vielen Stellen der Vulkaneifel kann man diesbezügliche Beobachtungen machen. Häufig ist es so, dass die jeweiligen Pflanzenarten umso kleinwüchsiger sind, je näher sie an den eigentlichen Ausgasungsstellen wachsen (Turk et al. 2002; Pfanz et al. 2004, 2007; Vodnik et al. 2001, 2002a, b, 2005, 2018) (Abb. 6.5).

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Abb. 6.4  Toter Baum am Ufer des Laacher Sees. (© A. Thomalla)

Absolute Zahlen der verschiedensten morphometrischen Pflanzenparameter können der Tab. 6.1 für das Büschelschön (Phacelia tanacetifolia) entnommen werden. Man sieht sehr deutlich, dass eine Erhöhung der Bodengaskonzentration einen starken Einfluss auf die Größe der Pflanzen sowie auf Größe und Trockenmasse der einzelnen Pflanzenorgane hat. Die meisten Pflanzen, die in der Nähe der eigentlichen Ausgasungsstellen wachsen, sind deutlich kleinwüchsiger und zeigen eine teilweise deutlich verminderte Wurzeltiefe im Vergleich zu Pflanzen von nicht-ga­ senden Kontrollstellen (Geisler 1973; Turk et al. 2002; Vodnik et al. 2002a, b; Maček et al. 2003; Pfanz et al. 2004). Bei hoher CO2-Belastung bleiben häufig auch die Blätter kleiner, die Blütenzahl ist reduziert und die Samenbildung ist vermindert (Stubbe 2002). Charakteristisch ist auch ein reduzierter Chlorophyllgehalt der Blätter sowie eine schlechtere Nährstoffversorgung der gesamten Pflanze (Pfanz et al. 2004, 2007; Ross et al. 2000). Die Blattphotosynthese von Lieschgras (Phleum pratense) und Hühnerhirse (Echinochloa crus-galli) zeigte in slowenischen Mofettenfeldern deutliche

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Abb. 6.5  Ein Feld mit Büschelschön (Phacelia tanacetifolia) im Wehrer Kessel (Osteifel). Die wenig bewachsenen Streifen im Feld zeigen lineare CO2-Ausgasungen an. (© H. Pfanz 2019)

Tab. 6.1  Trockengewichte, Blattflächen, Stomatadichte und Pflanzenhöhe verschiedener Organe des Rainfarnblättrigen Büschelschöns (Phacelia tanacetifolia ) in Abhängigkeit von der CO2-Konzentration in 30 cm Bodentiefe auf einem Feld im Wehrer Kessel. Angegeben sind die Mittelwerte; die Standardabweichungen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen worden (aus Stubbe 2002) (n = 10) Organ Blattmasse (gesamt) Blütenmasse (gesamt) Stängel (gesamt) Wurzel (gesamt) Gesamtpflanze Pflanzenhöhe Blattflächen Stomatadichte (Anzahl pro mm2)

CO2 Konzentration im Boden 2,5 % CO2

41,4 % CO2

88,8 % CO2

69,1 g 65,6 g 189,9 g 1,9 g 236,5 g ca. 70 cm ca. 40 cm2 107

5,4 g 6,7 g 14,7 g 1,5 g 28,2 g ca. 58 cm ca. 17 cm2 170

2,9 g 3,9 g 5,3 g 0,7 g 12,8 g ca. 32 cm ca. 6 cm2 243

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Veränderungen, sowohl in den absoluten Photosyntheseraten, als auch im CO2-Kompensationspunkt und in der Carboxylierungskapazität (Pfanz et al. 2004; Vodnik et al. 2003). Die Veränderungen der Transpiration durch extrem hohes CO2 sind bei Vodnik et al. (2002a, b) dargestellt.

6.2 Angepasste Pflanzen können wachsen – die azonale Vegetation Wachsen Pflanzen an Stellen, an denen sie eigentlich nicht vorkommen sollten, dann bezeichnet man sie als azonal wachsend. Findet man also ein normalerweise an Sumpf- und Moorstandorten wachsendes Wollgras (Eriophorum spec.; Abb. 6.6) in größeren Beständen mitten auf einer eher trockenen Mähwiese, dann muss der Grund für diese Azonalität gefunden werden. Im vorliegenden Fall steckt dahinter ein durch vorkommendes Mofettengas an Sauerstoff abgereicherter Boden, der aber nicht wegen anstehendem Stauwasser, sondern wegen der Sauerstoffverdrängung durch CO2 hypoxisch bis anoxisch geworden ist. Das Wollgras hat an einem solchen, hypoxischen

Abb. 6.6  Die weißen Fruchtstände des Scheidigen Wollgrases (Eriophorum vaginatum) leuchten weithin. Die Wollgräser gehören zu den gaszeigenden (mofettophilen) Pflanzenarten. (© H. Pfanz 2019)

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Standort den Vorteil, evolutive Anpassungen zu besitzen, die es der Pflanze ermöglichen, die eigenen Wurzeln mit dem nötigen Sauerstoff zu versorgen. Diese Tatsache verschafft dem Wollgras erhebliche Konkurrenzvorteile gegenüber den anderen pflanzlichen Konkurrenten um Wurzelraum und Licht. Doch nicht immer bedarf es einer azonalen Vegetation, um Mofettenfelder zu bewachsen. Manchmal genügen anatomisch-morphologische Anpassungen, um dem CO2-Stress zu begegnen. So kann die Ausprägung von größeren Interzellularen (also ein großes Aërenchym) dafür sorgen, dass höhere CO2-Konzentrationen von der Pflanze besser abgeleitet und leichter an die umgebende Atmosphäre abgegeben werden können (Turk et al. 2002). Dem gleichen Zweck dient auch eine Erhöhung der Dichte der Lentizellen im Periderm junger Bäume (vgl. Linde, Laacher See). Auch die Höherverlagerung des Sprosses ist eine Möglichkeit, dem aus dem Boden gasenden CO2 aus dem Wege zu gehen (Abb. 6.7). Hier wachsen die Seitensprosse des Mausohrs (Hieracium pilosella) auf Gräsern; dabei wird unter ihnen ein Luftraum geschaffen, der den Einfluss des geogenen CO2 verringert. Ein solches Verhalten ist ökologisch als Stressvermeidung

Abb. 6.7  Normalerweise wachsen die plagiotropen Ausläufer des Mausohrs (Hieracium pilosella) direkt auf dem Boden. Auf CO2 entgasenden Stellen können häufig vom Boden abgehobene Ausläufer gefunden werden; so entsteht ein bewindeter Raum unterhalb der Pflanze. (© H. Pfanz 2019)

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oder „stress avoidance“ bekannt (Osmond et al. 1987). Ähnliche Strategien liegen bei Efeu (Hedera helix), Brombeere (Rubus fruticosus agg.) und Hecken-Windenknöterich (Falliopa dumetorum) an der U1-Mofette am Laacher-Seeufer vor. Hier wachsen die Pflanzen mit ihren Wurzeln hauptsächlich außerhalb des gasenden Mofettengebietes und schieben nur ihre Ausläufer auf die Mofette (Pfanz et al. 2019c).

6.2.1 Klare Grenzen Aus dem eben Gesagten geht hervor, dass Pflanzen in Mofetten Grenzen zwischen CO2-gasenden und nicht gasenden Bereichen erkennen und durch ihr Vorkommen anzeigen können. In einer feuchten, leicht nährstoffreichen Niederung im Plesná-Tal (NW-Böhmen) kann man die Grenzen zwischen der aktiven Mofette und den nicht-gasenden Kontrollbereichen sehr gut erkennen (Abb. 6.8). Im Vordergrund sind Horste von

Abb. 6.8  Die Grenzen zwischen stark CO2-entgasenden und wenig entgasenden Stellen werden häufig durch die Vegetation angezeigt. Im Vordergrund sind Horste von Deschampsia cespitosa (Rasenschmiele) zu sehen. Hier kann CO2 im Boden vorhanden sein. Das weiß-fruchtende Band mit Wollgras zeigt deutlich hoch gasende Bereiche an (Mofettophilie). Davor und dahinter wachsen extrem mofettophobe Bestände aus Mädesüß (Filipendula ulmaria). Hier liegen die CO2-Konzentrationen des Bodens im Kontrollbereich. (© H. Pfanz 2019)

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Deschampsia cespitosa (Rasenschmiele) zu sehen. Hier sind geringe CO2 Konzentrationen im Boden vorhanden. Das weiß-fruchtende Band mit Wollgras in der Bildmitte zeigt deutlich hoch-gasende Bereiche an (Mofettophilie). Davor und dahinter wachsen extrem mofettophobe Bestände aus Mädesüß (Filipendula ulmaria). Hier liegen die CO2-Konzentrationen des Bodens deutlich unter 2–3 % CO2, also klar im Kontrollbereich.

6.2.1.1 Die Wegmofette – Die kleinste bekannte Mofette mit zonierter Vegetation Auf einer tschechischen Mofettenwiese wurde in den Jahren 2005–2015 eine kleine, fast kreisrunde Mofette mit einem Durchmesser von etwa einem Meter direkt auf einem Feldweg entdeckt. An windstillen Tagen kann im Zentrum dieser Mofette direkt auf der Bodenoberfläche 100 % CO2 gemessen werden. Und selbst an windigen Tagen werden in 10-20 cm Bodentiefe noch 90–100 % Kohlendioxid gemessen. Der zentrale Teil der Mofette ist wegen des hohen CO2-Flusses (bis 80 mol CO2 m−2 Tag−1) frei von jeglicher Vegetation. Dort sind auch oftmals tierische Leichen (Insekten, Spinnen) zu finden. Zwei unterschiedliche Ringe aus Gräsern sind konzentrisch um den vegetationsfreien Kern angeordnet. Der innere Ring wird vom Knick-Fuchsschwanz (Alopecurus geniculatus) gebildet, während der äußere mit Wiesen-Lieschgras (Phleum pratense) bestockt ist. Die maximale Wurzeltiefe dieser Gräser an dieser Mofette ist mit 10-20 cm weit flacher als die Durchwurzelung dieser Grasarten in normalen Wiesenböden. A. pratense ist eine Kennart der Flutrasen und zeigt neben transienter Staunässe auch Sauerstoffarmut an (Oberdorfer 2001). Messungen zeigten, dass die Boden-CO2-Konzentrationen in 10-20 cm Bodentiefe direkt am Alopecurus-Ring zwischen 24 und 60 % CO2 lagen. Zwischen den Pflanzen des äußeren Phleum-Ringes wurden nur noch 5–21 % CO2 gemessen. Beide Grasarten unterscheiden sich also in ihrer Toleranz gegenüber unterschiedlichen Konzentrationen von CO2 im Boden. Außerhalb der Wegmofette waren die Bodenkonzentrationen in denselben Bodentiefen nur noch im Bereich von 2 und 4 % CO2 und damit bei Kontrollwerten von normalen unbeeinflussten Wiesenböden (Abb. 6.9).

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Abb. 6.9  Die Wegmofette im Plesná-Tal ist konzentrisch um einen stark gasenden und daher nicht bewachsenen Bereich aufgebaut. Die Fläche im Zentrum ist wegen des hohen Gasflusses völlig vegetationslos. Die ringförmige Struktur sowie die beiden konzentrischen Gras-Kreise sind zu sehen. Der innere Ring wird vom Knick-Fuchsschwanz (Alopecurus geniculatus) gebildet, während der äußere mit Wiesen-Lieschgras (Phleum pratense) bestockt ist. Leider war die Wegmofette wenige Wochen vor der Aufnahme und der exakten wissenschaftlichen Untersuchung durch schwere Ackerfahrzeuge dramatisch in Mitleidenschaft gezogen worden. (© H. Pfanz 2019)

6.2.1.2 Der „Zwiebelschalen“-Wuchs in Caprese Michelangelo In Caprese Michelangelo, also ganz in der Nähe der Ortschaft, in der berühmte italienische Maler und Bildhauer Michelangelo Buonarroti 1475 geboren wurde, kann man auf bestimmten Hügeln Mofetten finden, deren CO2-Flüsse und -Konzentrationen von einem zentralen Ausgasungszentrum aus, nach außen kontinuierlich abnehmen. Auf dem Photo der Abb. 6.10 wirkt dies fast wie der Schalenaufbau von Gemüsezwiebeln. Auch hier ist klar zu erkennen, dass gewisse Pflanzenarten unterschiedliche CO2-Konzentrationen im Boden besiedeln können.

6.2.1.3 Wollgras- und Wiesenseggengürtel Ähnliche Wuchsverhältnisse konnten bei einer kleinen aber stark gasenden Mofettenschlenke in Hartoušov-Süd (NW-Böhmen) beobachtet werden.

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Polygonum aviculare Bromus mollis Festuca arundinacea

Cynodon dactylon

Abb. 6.10  Stark gasende Mofette auf einem Hügel bei Caprese Michelangelo. Auf der linken Seite erlauben die hohen Gasflüsse kein Pflanzenwachstum. Auf der rechten Seite ist ein „schalenförmiger“ Wuchs mehrerer Pflanzenarten zu sehen. Oben rechts wächst der Vogelknöterich (Polygonum aviculare), darunter schließt sich das Hundszahn-Gras (Cynodon dactylon) an. Weiter nach außen wachsen die Weiche Trespe (Bromus mollis) und der Rohr-Schwingel (Festuca arundinacea). Im nicht-gasenden Außenbereich dominieren mehrere Gras-Arten sowie die Wilde Möhre (Daucus carota). (© H. Pfanz 2019)

Diese Schlenke ist eine weitere, ebenfalls zirkuläre Struktur, die neben hohen CO2-Konzentrationen auch einen sehr hohen Gasfluss aufweist (Abb. 6.12). Da die Schlenke etwa 15-20 cm tiefer als das umgebende Gelände liegt, bildet sich ein dünner, bodennaher CO2-Gas-See aus, der auch an windstillen Tagen in den unteren 10 cm noch bis zu 70 % CO2 aufweisen kann. Aber auch bei Wind können dort tagsüber noch bis zu 20 % CO2 gemessen werden. Im Boden (ab 40 cm Tiefe) erreichen die CO2-Konzentrationen fast 100 %. Der Vegetationsring, der die völlig bewuchsfreie Zone von der angrenzenden Wiesenvegetation trennt, besteht aus der Wiesensegge (Carex nigra). Angrenzend wächst dann das ebenfalls mofettophile Gras Nardus stricta (Borstgras) nebst der mofettovagen Rasenschmiele (Deschampsia cespitosa).

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6.3 Physiologische Anpassungen von Pflanzen Obwohl es (vielleicht mit einer Ausnahme: Agrostis canina ssp. monteluccii; Abb. 6.11) keine endemischen, also nur in Mofetten vorkommenden Pflanzen gibt, scheint es einer größeren Gruppe von Pflanzen gelungen zu sein, bestimmte Standortvorteile zu nutzen und so Mofetten zu besiedeln. Sie gedeihen in den CO2-Ausgasungsfeldern jedoch nicht weil, sondern obwohl die Umstände widrig sind. In Mitteleuropa sind es häufig Sumpfpflanzen (Helophyten), die an die Gegebenheiten von Mofetten teilweise hervorragend angepasst sind. Ein Hauptkriterium scheint hierbei das Tolerieren sauerstoffarmer Böden zu sein. Diese Helophyten können vermittels bestimmter physiologischer und anatomisch-morphologischer Besonderheiten Sauerstoff in den oberirdischen Organen via Photosynthese bilden und zu den unterirdischen Organen (Wurzeln, Rhizomen) leiten. Wenn sich die zu versorgenden Wurzeln in der Nähe der Bodenoberfläche befinden, kann dies über kurze Strecken durch normale Diffusion geschehen. Es gibt aber auch die Variante, dass unter Nutzung von Temperaturunterschieden bei tiefer im Boden liegenden Wurzeln eine beschleunigte Diffusion, die sogenannte Thermoosmose in Gang gesetzt wird (Vartapetian und

Abb. 6.11  Das endemische Mofettengras Agrostis canina ssp. monteluccii am Ufer des Flusses Solfatara in der Nähe von Viterbo, Italien. (© H. Pfanz 2019)

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Abb. 6.12  Hartoušov-Süd. In der Mofettenschlenke ist wegen des sehr hohen CO2-Gasflusses kein Pflanzenwachstum möglich. Die Schlenke wird eingefasst von einem Ring aus mofettophiler Wiesensegge (Carex nigra ). Im Außenbereich gesellt sich das mofettophile Borstgras (Nardus stricta ) hinzu. (© H. Pfanz 2019)

Jackson1997). Diese Technik setzen sonst nur Sumpf- oder Schwimmblattpflanzen ein (allerdings auch Erlen). Man findet in den Stängeln und Wurzeln solcher Pflanzen meist sehr große Interzellularräume, die der leichteren Leitung des Sauerstoffs nach unten dienen. Dieses Gewebe wird seiner Funktion gemäß auch Aërenchym (Luftgewebe) genannt. Die teilweise riesigen Gasräume erlauben es dem Sauerstoff, ohne große Widerstände von Orten höherer Konzentration (Blatt) zu Orten des Verbrauchs (Wurzel) zu diffundieren. Bestimmte Sumpfpflanzen, wie das Schilfrohr (Phragmites australis), haben noch einen zusätzlichen Trick, um unterirdische Organe mit Sauerstoff zu versorgen. Hierbei wird eine physikalische Besonderheit ausgenutzt, die man Venturi-Ventilation nennt, und die auch bei nicht lebenden

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Röhrensystemen funktionieren kann (Armstrong und Armstrong 1988, 1990; Armstrong et al. 1992; Vartapetian und Jackson1997). Wenn der Wind über oben offene Röhren weht, erzeugt er einen Unterdruck in diesen Röhren. Dieser Unterdruck sorgt dafür, dass Luft aus dem Inneren der Röhre herausgesaugt wird. Über eine korrespondierende Öffnung (z. B. ein anderes, offenes Ende der Röhre) wird dann vermittels angesaugter Außenluft das verdrängte Luftvolumen ersetzt. Beim Schilfrohr spielen abgebrochene, tote, meist vorjährige Stängel die Rolle der offenen Röhren. Der darüberstreichende Wind entzieht der Röhre die verbrauchte Luft, die durch Nachströmen über andere abgebrochene Stängel (oder evtl. überlebende Blätter) mit unverbrauchter, sauerstoffhaltiger Außenluft ersetzt wird. Die dazwischenliegenden Rhizome und Wurzeln erhalten so den zur Atmung nötigen Sauerstoff – die Pflanzen überleben. Erwähnenswert ist hier auch noch die Tatsache, dass beim Sauerstofftransport in unterdirsche Organe auch ein Teil des Sauerstoffes unkontrolliert aus den Wurzeln nach außen in den Bodenraum (die Rhizosphäre) diffundiert. Der wurzelnahe Boden wird also ebenfalls mit gewissen Mengen Sauerstoff versorgt. Dies unterstützt die symbiontischen Wurzelpilze (Maček et al. 2016), fördert aber auch tierisches Leben in der Wurzelschicht. In der Talmofette „Il Bossoleto“ würden in den völlig anaëroben Bodenschichten des Talbodens überhaupt keine lebenden Tiere zu finden sein. Die Tatsache, dass die Schilfpflanzen aber Sauerstoff in ihre Wurzeln pumpen und damit auch indirekt den Boden versorgen, erlaubt es einigen Collembolenarten, in Wurzelnähe zu überleben (Pfanz und Schulz unveröffentlicht).

6.3.1 Nährelemente in Mofettenpflanzen Pflanzenwachstum unter erhöhtem CO2-Stress führt meist zu einer Reduktion an Nährelementen in den Blättern und Früchten der Pflanzen (Cotrufo et al. 1998, 1999; Pfanz et al. 2004; Vodnik et al. 2005). Dies wurde auch schon bei erhöhten CO2-Begasungen gefunden. Pflanzen einer slowenischen Wiesenmofette enthielten deutlich weniger N, S, P, K und Zn als Vergleichspflanzen von nicht-gasenden Standorten (Pfanz et al. 2007). Im Erscheinungsbild sind diese Pflanzen dann eher kleiner und zeigen Peinomorphosen (Mangelwuchs; vgl. Abb. 6.2a) und Chlorosen (Vergilbungen; Abb. 6.13). Gründe hierfür sind meist ein Mangel an Nährstoffen in Mofettenböden und eine verringerte Aufnahmekapazität der Pflanzen.

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Abb. 6.13  Die Moormofette im Plesná-Tal. Rund um eine CO2-Entgasung sind Vergilbungen (Chlorosen) an den umgebenden Gräsern zu sehen. In der Mitte rechts fruchten Wollgräser. (© H. Pfanz 2019)

Letztere rührt einerseits von den hyopxischen bis anoxischen Verhältnissen in Mofettenböden (vgl. Marschner 1995; Ross et al. 2000) andererseits aber auch von den geschädigten Feinwurzeln und Wurzelhaaren her (Maček et al. 2003, 2005). Diese sind die eigentlichen Orte der Wasserund anorganischen Nährstoffaufnahme. Zusätzlich wirkt das verringerte Redoxpotenzial der Mofettenböden (Maček et al. 2016). In Mofettenböden sind meist auch die Humifizierung und die Mineralisierung abgestorbener Pflanzenteile verringert (Cotrufo et al. 1998, 1999; Ross et al. 2000; Rennert et al. 2011; Rennert und Pfanz 2016a, b).

6.4 Mofettophilie und Mofettophobie Ein Lehrbuchbeispiel für das Studium der botanischen Mofettophilie ist auch die Mofette „U1“ am Ostufer des Laacher Sees. Die Stelle ist mit Süß- und Sauergräsern bestanden, die teilweise eine extrem hohe Toleranz gegenüber hohen Kohlendioxidkonzentrationen (sowie Sauerstoffmangel) auszeichnet. Dabei beschreibt das Wachstum der Sumpf-Segge (Carex acutiformis) exakt

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die Stellen, an denen die CO2-Gaskonzentrationen im durchwurzelten Boden extrem hoch sind (vgl. auch Pfanz 2008; Pfanz et al. 2019c). Man nennt solche Pflanzenarten mofettophil, also hoch-CO2-liebend. Bestimmte Pflanzen wachsen nur dort, wo die Gaskonzentrationen etwas niedriger sind. Wieder andere Pflanzenarten zeigen nur nahezu gasfreien Boden an (Vinca minor). Diese Arten werden mofettophob oder CO2-meidend genannt. Aus den Abb. 6.14a−d geht hervor, dass die hohen CO2-Ausgasungen in der Mofette von links oben diagonal durch die 756 m2 große Fläche nach rechts unten ziehen (Abb. 6.14a). Die extrem stark gasenden Bereiche sind dabei in gelb und rot dargestellt. In der dargestellten Bodentiefe (20 cm) ist der hoch-gasende Bereich links oben dabei durch einen schmalen Kanal mit deutlich geringerer CO2-Ausgasung vom Rest getrennt. Dieser Kanal ist nun die eigentliche Wuchszone für mofettophobe Pflanzenarten. Das Buschwindröschen (Anemone nemorosa;) wächst ausschließlich in diesem Bereich und kommt im Rest der Fläche nur vereinzelt vor (Abb. 6.14c). Diesem Wuchsschema folgen auch die Weiße Schneebeere (Symphoricarpos albus), der Gefingerte Lerchensporn (Corydalis solida), das Scharbockskraut (Ranunculus ficaria), das Hainrispengras (Poa nemoralis), das Perlgras (Melica mutica) sowie die Große Sternmiere (Stellaria holostea); sie zeigten sich stark mofettophob und wachsen ausschließlich auf wenig bis nicht-gasenden Bereichen. Auch die Anzahl der verschiedenen Pflanzenarten pro Fläche sowie der Deckungsgrad der Pflanzen über dem Boden korrelierten mit den CO2-Ausgasungen. Hohe CO2-Konzentrationen erlaubten nur wenigen Pflanzenarten (teilweise war nur eine einzige Art pro m2 zu finden) den Aufwuchs und auch der Deckungsgrad der Vegetation war geringer (5–6 % des Bodens wurden durch Pflanzen überdeckt). Geringe bis keine Erhöhungen der CO2-Ausgasung erlaubten demgegenüber vielen Pflanzenarten (bis zu 17 Arten pro m2) das Vorkommen bei gleichzeitig hohem Deckungsgrad (bis zu 84 % des Bodens wurden von Pflanzen bedeckt) (Abb. 6.14d). Nur eine der vorkommenden 69 Arten, namentlich die Sumpf-Segge (Carex acutiformis), erwies sich als zuverlässug mofettophil und wuchs ausschließlich auf stark CO2-entgasenden Stellen. Da die Sumpf-Segge eine dauernde Beschattung nicht verträgt, ist sie jedoch im oberen linken Teil der Fläche, der von den umstehenden Bäumen beschattet wird, nicht zu finden (Abb. 6.14a, b; Pfanz et al. 2019c). Die zwischen 2013 und 2019 durchgeführten jährlichen Messungen ergeben ein sehr genaues Bild der Bodengase CO2 und O2, sowie der Boden-pH-Werte, des Wasser- und Humusgehaltes und der vorherrschenden Vegetation. Das geogene Ausgasungsmuster von CO2 zeigte

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Abb. 6.14 

Die berühmte Mofette U1 am Ostufer des Laacher Sees. Die CO2-Ausgasungen der 54 m langen und 14 m breiten Mofette sind in unterschiedlichen Farben dargestellt. Graue und blaue Farben bedeuten Kontrollwerte resp. geringe CO2-Ausgasung. Grüne, gelbe und rote Färbungen stellen kontinuierlich höhere CO2-Konzentrationen dar. Maximale CO2-Konzentrationen liegen dabei zwischen 93 und 99 % (a). Das mofettophobe Buschwindröschen (Anemone nemorosa) wächst ausschließlich in dem schmalen Spalt zwischen den Ausgasungsinseln (c). Die Artenzahl der vorkommenden Pflanzen auf der Mofettenfläche ist nur dort wirklich hoch, wo die CO2-Ausgasungen besonders niedrig sind (d). Die einzige wirklich CO2-indizierende, eu-mofettophile Art auf der Fläche ist die Sumpf-Segge (Carex acutiformis) (b)

sich klar inhomogen und spiegelt somit die ungleichmäßig verteilten Bodenkanäle und -risse wider. Die CO2-Konzentrationen dieser Mofettenfläche reichen dabei von 1–2 % auf den Kontrollstellen bis fast 100 % an einigen extrem stark gasenden Stellen (Abb. 6.14a). Wie noch zu zeigen sein wird, fällt die Sauerstoffkonzentration linear mit ansteigenden Boden-CO2 ab. Dies wurde zuerst von Vodnik et al. (2006) publiziert. Zwischen dem Boden-CO2, den Boden-pH-Werten und der Leitfähigkeit des Bodens gibt es eine schwach positive Korrelation. Dort, wo das Bodenwasser erhöht war, waren auch die Humusgehalte leicht erhöht (Pfanz et al. 2019c).

6.5 CO2 und Bäume Geogenes Kohlendioxid wirkt natürlich auch auf Holzgewächse. Wälder mit Baumbeständen, die direkt auf Mofetten stocken, sind allerdings sehr seltene und geschätzte Untersuchungsobjekte. Die meisten Bäume meiden stark CO2-gasende Bereiche. Außer wenige in Stauböden stockende Baumarten (Erle Alnus glutinosa, Weiden Salix spec.) sind Bäume nicht in der Lage, ihre Wurzeln mit genügend atmogenem oder photosynthetisch gebildetem Sauerstoff zu versorgen. Trotzdem sind einige Lokationen bekannt, an denen die Reaktion von Bäumen auf geogenen CO2-Stress untersucht werden kann (Saurer et al. 2003; Tognetti et al. 2000; Vejpustkova et al. 2016; Vodnik et al. 2018). Im tschechischen Plesná-Tal wuchs eine 25-jährige Wildbirne (Holzbirne; Pyrus pyraster) inmitten einer stark gasenden Mofette. Die Bodenmessungen ergaben, dass sich die Birne einen Wuchsort ausgesucht hatte, der etwa eine Fläche von 400 cm2 hatte und in der Tiefe eine zylinderförmige Röhre darstellte, in der keine CO2-Erhöhung festzustellen war (Abb. 6.15a, b). Vor 25 Jahren waren auf dieser Mofette viele Wildbirnensamen ausgekeimt. Die meisten Birnenkeimlinge starben aber kurz nach dem Auflaufen wegen der hohen Boden-CO2-Konzentrationen wieder ab. Nur außerhalb der Mofette auf

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Abb. 6.15 CO2-Ausgasungsmuster der Birnenmofette bei Hartoušov in vier unterschiedlichen Bodentiefen (10, 20, 40, 60 cm). Die CO2-Konzentrationen sind in unterschiedlichen Farben angegeben. Eine gelbe bis rote Färbung zeigt dabei hohe bis sehr hohe, eine blaue Färbung eine geringe CO2-Ausgasung an. Der Wuchsort des kleinen Birnbaumes ist durch den weißen Kreis markiert (a). In der Bildmitte die abgestorbene Holzbirne in der Birnenmofette (b). (© Pfanz, Baakes und Thomalla)

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den Kontrollböden etablierten sich einige Birnbäume und wuchsen zu einer stattlichen Höhe von über 10 m heran. Innerhalb der Mofette konnte der sich etablierende Birnbaum zwar überleben, blieb aber wegen des begrenzt zur Verfügung stehenden Wurzelraumes trotz seines Alters von 25 Jahren mit etwa 1,3 m Höhe relativ klein (Abb. 6.15b). Ab einem Alter von etwa 15 Jahren blühte er und trug auch Früchte. Nach mehreren Erdbeben im Zeitraum 2011 fing der Baum an zu kränkeln, verlor alle Blüten und Früchte und schließlich auch seine Blätter. Innerhalb weniger Monate starb er ab. Gasmessungen ergaben, dass sich durch das Beben einige gasführenden Bodenkänale und -risse verlagert hatten und nun auch CO2 in vorher nicht-gasende Bereiche eingedrungen war. Das Todesurteil für den mofettophoben Wildbirnbaum war gesprochen. Direkt neben der oben dargestellten Birnenmofette wächst ein dichter Espenwald. Wegen des vegetativen Ausbreitungsverhaltens von Espen (Populus tremula) bestehen die etwa 120 Bäume nur aus etwa vier genetisch trennbaren Individuen. Es handelt sich also um genetisch identische Espenklone. Untersuchungen von Vejpustkova et al. (2016) ergaben, dass die Bäume in jungen Jahren sowohl im Höhenwachstum als auch im Dickenwachstum der Stämme durch das ausströmende geogene Gas gedüngt und damit im Wuchs gefördert worden waren. Dies entspricht der bekannten CO2-Düngung von krautigen Pflanzen (Larcher 2001). Erst ab einem Alter von 25–30 Jahren zeigte sich die hemmende Wirkung der hohen Ausgasungen. Dies ist sehr interessant, bedeutet es doch, dass geogenes Kohlendioxid je nach dem Entwicklungsstadium der Bäume in den ersten Wachstumsjahren fördernd und später, ab dem Mannbarkeitsalter, dann deutlich wachstumshemmend wirken kann (Vejpustkova et al. 2016). Am Laacher See, direkt auf der bekannten Mofette U1, wachsen ebenfalls Bäume, die klare Wuchstörungen durch das ausgasende CO2 aufzeigen. Sowohl Eichen, als auch Weißdorn, Buchen und Linden bleiben trotz des fortgeschrittenen Alters kleinwüchsig, knorrig und die Blätter in den Baumkronen werden chlorotisch. Sie alle sind durch das ausströmende Bodengas im Wurzelwachstum gehemmt. Auch die Wasser- und Nährstoffaufnahme funktioniert nicht so, wie bei Bäumen in nicht-gasenden Bereichen. Jahrringanalysen zeigten klar, dass der jährliche Zuwachs dieser Bäume weit geringer als der von Kontrollstandorten ist (Pfanz, Thomalla, Vejpustkova unveröffentlicht). Von dem im Herbst 1994 durch drastisch erhöhte CO2-Konzentrationen im Boden (20–90 %) großflächigen Absterben der Drehkiefer (Pinus contorta) im einem Hochtal bei Mammoth wurde weiter oben bereits berichtet (Hill und Prejean 2005). Die CO2-Freisetzung belief sich damals dabei auf Werte zwischen 300 und 1200 t pro Tag (Farrar et al. 1995).

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Im Yellowstone Nationalpark wurden Untersuchungen an einer Waldmofette (Kretec Vale) durchgeführt. Hier konnte das Todesalter der Bäume durch Jahrringanalyse bestimmt werden. Hierdurch konnte errechnet werden, mit welcher Geschwindigkeit die CO2-Ausgasung in der Fläche voranschreitet (Pfanz, Tercek, King, in Vorbereitung). Die erhaltenen Daten werden auch von Wissenschaftlern genutzt, die sich um den möglichen Ausbruch des „Supervulkans“ Yellowstone kümmern.

6.5.1 Das Problem der Schlenke Schlenken sind Eintiefungen im Gelände, die Tiefen von wenigen Dezimetern bis Metern erreichen können. Manche flache Schlenken erscheinen in Mofettengebieten auch als völlig vegetationsfreie Blänken. Messungen ergaben, dass die völlige Vegetationsfreiheit auf dem Ausgasungsverhalten von CO2 beruht. Wie oben dargelegt sind einige Pflanzenarten durchaus in der Lage, hohe CO2-Konzentrationen zu ertragen (vgl. pflanzliche Mofettophilie). Meist sind ihre Anpassungsmechanismen jedoch nicht dafür ausgelegt, auch höhe CO2-Flüsse zu tolerieren. Dies bedeutet, dass hohe Ausgasungsraten (in µMol CO2 m−2 s−1) selbst von den mofettophilsten Pflanzen nicht kompensierbar sind. Der saure Boden-pH-Wert und die vorherrschende Anoxie im Boden führt dann auch hier zur Ansäuerung der Wurzelzellen und zur Bildung von Ethanol und Milchsäure in den betroffenen Wurzelzellen; die Zellen sterben ab.

6.6 Die heißen „fumarolischen“ Mofetten der Azoren Bislang hatten wir uns ausschließlich mit CO2-Ausgasungen beschäftigt, deren Ausgasungstemperatur ungefähr derjenigen der umliegenden Atmosphäre entsprach. Nun gibt es in Kamtschatka, auf Neuseeland und vor allem auf den Azoren aber Mofetten, die in heißen Thermalgebieten entgasen. Unter diesen Umständen wirken auf die Organismen in den Mofetten nicht nur ein Überangebot an Kohlendioxid und eine Unterversorgung mit Sauerstoff, sondern ebenfalls noch extreme Bodenhitze ein. In einer azorianischen Mofette lagen die in 40 cm Bodentiefe gemessenen Temperaturen bei bis zu 95,2 °C. Doch auch in 20 cm Bodentiefe wurden noch Temperaturen von 53,9 °C gemessen (Abb. 6.16b). Erstaunlicherweise

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Abb. 6.16  Bodentemperatur und CO2-Konzentrationen in einer heißen, azorianischen Mofette bei Ribeira Grande auf der Insel Sao Miguel. Beide Parameter wurden in einer Tiefe von 40 cm erhoben; sie zeigen eine klare vertikale Gliederung der Mofettentemperatur (a). Im oberen Bereich ist es mit bis zu 30 °C deutlich kühler als im unteren Bereich (bis zu 90 °C). Interessanterweise liegen die CO2-Konzentrationen im oberen, kühleren Bereich (bis zu 40 % CO2) deutlich unter denen im heißen Bereich der Mofette (90–100 %; (b)

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zeigte die geogene CO2 Ausgasung ein ähnliches Bild wie die Temperaturverteilung in der untersuchten Fläche. Ebenso erstaunlich war die Tatsache, dass selbst auf den heißen Böden teilweise noch bestimmte Pflanzenarten wie Portulak (Portulaca oleracea) stockten (Abb. 6.17). Nun sind aus den Thermalgebieten Neuseelands, Kamtschatkas oder aus dem Yellowstone Nationalpark schon viele hitze-resistente Pflanzen bekannt; in unserem Fall müssen die Pflanzen aber sowohl hitzetolerant als auch CO2-tolerant sein (vgl. auch Given 1980; Tercek et al. 2003; Tercek und Whitbeck 2004; Appoloni et al. 2008). Es zeigte sich, dass auf einer thermischen Wiesenmofette bei Ribeira Grande (Sao Miguel, Azoren) Pflanzen wuchsen, die entweder thermophil, also heiße Böden liebend, oder mofettophil, also hohes CO2-tolerierend, waren oder spannender Weise auch beides gleichzeitig (thermo-mofettophil). Erste Analysen weisen die Erdmandel (Cyperus esculentus) unter azorianischen Bedingungen als thermo-mofettophile

Abb. 6.17  Der Portulak (Portulaca oleracea) ist bei Ribeira Grande eine thermophile und gleichzeitig mofettophile Pflanzenart. An heißen und CO2-entgasenden Stellen kann man ganze Pflanzenbestände wie einen lose liegenden Teppich vom Boden abziehen. Die gesamte Wurzelmasse befindet sich in den oberen 5 cm des Bodens. (© H. Pfanz 2019)

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Pflanze aus, während das Deutsche Weidelgras (Lolium perenne) extrem thermo-mofettophob ist. Ob bei dieser Konstellation von heißem Wasserdampf und Kohlendioxid allerdings von einer fumarolischen Mofette oder einer mephitischen Fumarole zu sprechen ist, ist derzeit noch Gegenstand wissenschaftlichen Disputes.

6.7 Mofetten von oben gesehen Es gibt bereits Ansätze, Mofetten von oben, also aus der Vogelperspektive zu beobachten. Dies erfolgt mit speziell ausgerüsteten Drohnen, aus Flugzeugen oder, via Satellit, aus dem All. Ziel ist es einerseits, austretendes geogenes Gas im weltweiten Flächenbezug zu quantifizieren, um globale Aussagen über den eventuellen Beitrag von Mofetten zur Freisetzung von Treibhausgas machen zu können. Andererseits kann man so auch Jahresläufe der photosynthetischen Reaktion von Mofetten- und Nichtmofettenpflanzen studieren. Als Beispiel sind drei Varianten dieser Satellitenaufnahmen am Beispiel der „Nardus“-Mofette im tschechischen Plesná-Tal gezeigt. Abb. 6.18a zeigt eine Echtfarbendarstellung mit den für das menschliche Auge sichtbaren Wellenlängen rot, grün und blau. Man erkennt in weißlicher oder rötlicher Farbe die ausgasenden Gebiete (Abb. 6.18). Diese Stellen sind entweder frei von jedweder Vegetation oder sie sind mit Vegetation bestanden, die teilweise durch die vorherrschende CO2-Ausgasung geschädigt ist. Lebende und viel Chlorophyll-enthaltende Vegetation erscheint dagegen in grüner oder grüngrauer Färbung. Die Abb. 6.18b (NIRredgreen) zeigt eine Falschfarbendarstellung. Hier wird die Reflektanz des Nahen Infrarot Kanals in rot dargestellt, die des roten Kanals in grün und die des grünen Kanals in blau. Gesunde, lebendige und photosynthetisierende Vegetation erscheint hier rot auf Grund ihrer hohen Reflektanz im Nahen Infrarot. Vegetationsfreie oder durch CO2-beeinflusste Bestände erscheinen in verschiedenen Grüntönen. Abb. 6.18c ist die eingefärbte Darstellung eines Vegetationsindex – der Normalisierte Differenzielle Vegetations-Index NDVI.

6  Lebensraum Mofette     83

Abb. 6.18  Drei Varianten der Satellitenaufnahmen der Nardus-Mofette im tschechischen Plesná-Tal. Echtfarbendarstellung (a), Falschfarbendarstellung (NIRredgreen) (b), eingefärbte Darstellung des Normalisierten Differenziellen Vegetations-Index NDVI (c). Dank an Dr. Simon Plank, DLR, Oberpfaffenhofen; WorldView © European Space Imaging | © DLR/ZKI 2017

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Der NDVI wird berechnet aus dem normalisierten Verhältnis der Reflektanzen im Nahen Infrarot und Rot. Auf Grund der hohen Reflektanz gesunder Vegetation im Nahen Infrarot und der niedrigen Reflektanz im roten Kanal, ermöglicht der NDVI noch deutlicher als die Falschfarbendarstellung (b) die Unterscheidung zwischen gesunder und fehlender/geschädigter Vegetation. Grüne Farben deuten hier wieder auf lebendige und gesunde, ungestresste Vegetation, rötliche Farben auf fehlende oder geschädigte/gestresste Vegetation hin.

7 Bakterien und Pilze

Inhaltsverzeichnis

7.1 Bakterien und Archaeen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 7.2 Pilze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

Es liegt auf der Hand, dass sich auch die Pilz-, Bakterien- und Archaeenfloren in Mofettenböden an die gegebenen Umstände anpassen müssen. Auch und gerade bei diesen sich rasch vermehrenden Organismen, sind daher spezifische Anpassungsmechanismen an hohe CO2 Konzentrationen und erniedrigte pH-Werte zu erwarten. Ebenso sollte man gerade in diesen Gruppen ein verändertes Artenspektrum sowie eine erhöhte Anzahl endemisch vorkommender Arten finden.

7.1 Bakterien und Archaeen In rumänischen Mofettenhöhlen wurden jüngst bakterielle Biofilme gefunden, die Arten enthielten, die sogar bei pH-Werten unter pH 1 überlebten. Sarbu et al. (2018) berichten über Arten aus der Gruppe der Mycobacteria, der Ferroplasmaceae und über Acidithiobacillus-Funde. Die Gaszusammensetzung in der untersuchten „Pestera Sulfuroasa-Höhle“

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2019 H. Pfanz, Kalter Atem schlafender Vulkane, https://doi.org/10.1007/978-3-662-60340-6_7

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enthielt allerdings nicht nur CO2 (ca. 98 %), sondern auch Spuren von H2S (0,012 %) nebst anderen Gasen (Methan, Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Edelgase). Die Höhlenatmosphäre bestand aus einem am Boden lagernden, trockenen CO2-Gas-See und der darüberlagernden, nahezu CO2-freien Atmosphäre. An der Berührungszone der beiden Gas-Körper entsteht eine Art Grenzschicht oder Chemokline. Je nach Luftdruck und Temperatur ist die Chemokline zwischen den beiden Redoxkörpern um wenige Dezimeter höher oder tiefer. Die interessanten Bakterienfilme wuchsen an den Höhlenwänden jeweils unterhalb dieser Chemokline (Sarbu et al. 2018). Die Autoren spekulieren über die Möglichkeiten, dass ähnliche Arten unter ähnlichen Bedingungen auch auf anderen Planeten existieren können. Derartige Forschungen laufen unter dem Schirm der Astrobiologie. Doch auch in den Böden von Wiesen- und Sumpfgebieten wurden bakterielle Mofettenstudien betrieben. Studien mit anaëroben autotrophen Bakterien, die zur Methanogenese bzw. Acetogenese fähig sind zeigten, dass die Biodiversität unter den Prokaryoten durchaus begrenzt ist (Beulig et al. 2015a, b). Die Methanogenen (also die Methan-erzeugenden Bakterien) und die Acidobakterien, die bei sauren Substraten Konkurrenzvorteile haben, dominieren in den hypoxischen Böden. Laborexperimente zeigten auch, dass diese Bakterien unter anoxischen Bedingungen wirklich Methan und Essigsäure herstellen. Beide Substanzen wurden in Mofettenböden vermehrt gefunden (Beulig et al. 2015a). Auch war die CO2-Fixierung im Dunkeln (normalerweise läuft eine lichtgetriebene CO2-Fixierung ab) deutlich erhöht (Beulig et al. 2015b). Spannend ist, dass bis zu 67 % des organischen Kohlenstoffs, der in Mofettenböden gefunden wird, aus geogenen Ressourcen und nicht aus der Atmosphäre stammten. Die Mofettenböden zeigten auch, offensichtlich wegen des Fehlens von meso- und makroskopischen Eukaryoten, mehr unzersetztes Pflanzenmaterial – also mehr organische Masse (siehe auch Nowak et al. 2015; Liu et al. 2018). Mit der T-RFLP Methode und der Verwendung von 16 S rRNA fanden Šibanc et al. (2014) in Bodenmikrobengemeinschaften heraus, dass unter Hoch-CO2-Bedingungen das mikrobielle Artenspektrum deutlich in Richtung anaërobe sowie methanogene Spezies verschoben ist. Bei den methanogenen Arten dominierten die Gruppen der Methanomicrobia (Methanbildner), die anaëroben Chloroflexi (Grüne Nichtschwefelbakterien) sowie die Firmicutes (Šibanc et al. 2014). Maček et al. (2011, 2012, 2016) geben in einem Review-Artikel eine umfängliche Zusammenstellung der bekannten und publizierten Untersuchungen zu Archäen, Bakterien und Pilzen auf Mofettenstandorten.

7  Bakterien und Pilze     87

7.2 Pilze Es ist noch wenig über das Vorkommen von Pilzen in Mofettengebieten bekannt. In tschechischen Wiesen- und Waldmofetten wurden inzwischen mehrere Arten auf oder direkt neben Ausgasungsstellen gefunden. Hierzu zählen die Raufußröhrlinge (Rotkappen) Leccinum versipelle, L. scabrum, L. aurantiacum, sowie der Steinpilz Boletus edulis. Als Mykorrhizapartner direkt neben einer Birke wurde Inocybe lacera am Rande einer stark gasenden Mofette entdeckt (Saßmannshausen, mündl. Mitt.).

7.2.1 Umbelopsis In dem künstlich gefassten Mofettenbecken in Bad Pyrmont überziehen Pilzmyzelien periodisch den Boden sowie Teile der Mauern (Abb. 7.1). Bislang widersetzte sich dieser Mofetten-Pilz jedoch der genauen Bestimmung; derzeit wird er als die Pilzgattung Umbelopsis geführt (Pfanz, Fleischmann, Oßwald). Auch die bislang untersuchten physiologischen Reaktionen des Pilzes unterscheiden sich nicht wesentlich von anderen, nicht in einer CO2-Atmosphäre wachsenden Pilzarten. Sowohl die pH-abhängige Atmung von Umbelopsis als auch seine physiologische Pufferfähigkeit gegenüber sauren Gasen lagen im Bereich der normalen Reaktionsnorm.

7.2.2 Pilze in Mofettenböden Erste vorläufige Ergebnisse aus NGS-Untersuchungen (next gene sequencing) der ITS1-Region mittels pilzspezifischer Primer zeigten in Mofettenböden

Abb. 7.1  Der Mofettenpilz Umbelopsis spec. an seinem Wuchsort in der Dunsthöhle in Bad Pyrmont (a). Man findet ihn auch an den Keratin-haltigen Schnäbeln und Beinen von Vogelleichen (b). (© H. Pfanz 2019)

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aus dem tschechischen Plesná-Tal, dass es mehrere Dutzend Pilzarten gibt, die eindeutig nur in nicht-gasenden Bodenbereichen zu wachsen vermögen. Andere Pilzgruppen zeigten sich extrem mofettophil und ließen sich nur aus stark-gasenden Bodenbereichen isolieren. Ein immer wieder isolierter Pilz auf CO2-Böden ist dabei Coniochaeta fodinicola (Pfanz, Fleischmann, Thomalla, Oßwald, unveröffentlicht). Dieser Pilz wurde auch schon als uranophil auf Uran-verseuchten Minenböden Nordaustraliens beschrieben (Vázquez-Campos et al. 2017). Daneben zeigten sich in Tschechien noch die Gruppe der Dothideomyzeten, sowie Trichoderma, Chaetosphaeria, Chaetomium und Pacynthiella icmalea als eindeutig mofettophil.

7.2.3 Die Boden-Hefen Bodenpilze stellen einen erheblichen Bereich der Bodenorganismen dar (Yurkov et al. 2012). Neben den symbiontischen Mykorrhizapilzen sind es vornehmlich Schimmel- und Hefepilze, die am Abbau von organischem Material im Boden beteiligt sind. Die zu den Zygomyceten und Ascomyceten zählenden Arten ernähren sich meist von Zuckern oder kleineren Kohlenhydraten, während manche Basidiomyceten-Hefen auch komplexe organische Verbindungen wie Lignin oder Fettsäuren abbauen können (Botha 2011). Einige dieser Arten können auch fakultativ anaërob, also ohne Sauerstoff leben und sind somit geeignete Kandidaten für das Vorkommen in Mofettenböden. Erste Ergebnisse zeigten 20 verschiedene Bodenpilze in der Mofette U1 am Laacher See. Es war auffällig, dass bei hohen CO2-Konzentrationen die einzelligen Hefen dominierten und die filamentösen Hyphenpilze deutlich abnahmen (Begerow und Pfanz, unveröffentlicht). In Kontrollböden war das Verhältnis ungefähr 1:1, während bei einer Boden-CO2-Konzentration von etwa 73 % nur noch 7 % filamentöse Pilze vorkamen. Mycobotryomyces spec., Neonectria spec., Trichosporon middlehovenii und T. dulcitum, sowie Penicillium glandicola, P. vancouverense, und Mucor hiemalis wuchsen nur in nicht-gasenden Kontrollarealen, während die Arten Cryptococcus victoriae und C. terricola, Cystofilobasidium capitatum, Mrakia spec., Candida spec. und Mucor mucedo aus stark-CO2-gasenden Bereichen isoliert wurden (Begerow und Pfanz, unveröffentlicht). Ähnliche Ergebnisse wurden auch schon von Maček et al. (2011, 2012, 2016) und Šibanc et al. (2014) veröffentlicht. Unter den Hefen wurde von Šibanc et al. (2018) nun eine neue Art in Mofetten entdeckt. Es handelt sich hierbei um Occultifur mephitis. Diese Art ist endemisch und wurde in

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Slowenien auf einer Mofettenwiese entdeckt. Die meisten Untersuchungen von Pilzen an Mofettenstandorten konzentrierten sich anfänglich auf die Gruppe der Glomeromycota, einer Pilzgruppe, die Symbiosepartner bei der arbuskulären Mykorrhizierung vieler krautiger Pflanzen ist (Brundrett 2009). Es scheint jedoch so zu sein, dass die meisten Arten wegen der Sauerstoffarmut der Mofettenböden kaum externes Myzel in den sie umgebenden Boden aussenden. Die Hauptmasse des Myzels wurde innerhalb der mykor­ rhizierten Wurzeln gefunden (Maček et al. 2011). Dies erleichtert naturgemäß auch die Versorgung der symbiontischen Pilzpartner mit dem für die Atmung unerlässlichen Sauerstoff.

8 Tiere

Inhaltsverzeichnis

8.1 Tiere sterben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 8.2 Thanatocoenosen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 8.3 Tierleben im Gasgradienten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 8.4 Tiere markieren Ausgasungsgrenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 8.5 Das bewusste Töten von Tieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

Gerade bei den Tieren ist bekannt, dass sie im allgemeinen Sauerstoff zur Zellatmung benötigen. Die meisten Tiere sind also Aërobier und brauchen permanent 15–21 % Sauerstoff, also ungefähr die O2-Konzentration, die auch in der unverschmutzten Atmosphäre vorhanden ist (20,8 %). Allerdings ist bei einigen Tiergruppen oder „Tiergilden“ eine Anpassung an geringere O2-Konzentrationen bekannt. Bei permanent im Boden lebenden oder grabenden Tieren, vor allem bei den bodenwühlenden Kurzschwanzmäusen (Wühlmäusen) oder bei Maulwürfen und Mullen ist nachgewiesen, dass sie sich u. a. durch stärker Sauerstoff-bindende Hämoglobine an den geringeren O2-Gehalt in der Bodenluft angepasst haben (Schäfer und Sadleir 1979; Jelkmann et al. 1981). Auch Tiere des Hochgebirges scheinen in der Lage, bei Sauerstoffgehalten unter 10 % noch Lebensleistungen zu erbringen. Bei Vögeln (u. a. Kolibris) ist bekannt, dass sie im Extremfall noch bei 6–8 % Sauerstoff zu kurzen Flügen in der Lage sind. Hochgebirgstiere haben mehr

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2019 H. Pfanz, Kalter Atem schlafender Vulkane, https://doi.org/10.1007/978-3-662-60340-6_8

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Mitochondrien pro Zelle, mehr Erythrocyten pro Blutvolumen und auch mehr Hämoglobin pro Erythrocyte; oft haben sie größere Lungen (Müller und Frings 2004; Hourdez und Lallier 2007; Hourdez 2012). Alle anderen Tiergruppen können nicht einmal kurzzeitige Absenkungen der Sauerstoffkonzentration tolerieren. Bei Menschen und anderen Säugetieren kann Sauerstoffmangel schon nach Minuten zu Hirnschäden und finalem Hirntod führen. Wenige Sekunden absoluten Sauerstoffmangels genügen, um Menschen in Ohnmacht fallen zu lassen; Hirnschäden treten ab ca. drei Minuten ein und nach fünf Minuten sind diese Schäden irreparabel (Kaye et al. 2004; Hansell und Oppenheimer 2004; Fischedick et al. 2015; Smith 1996).

8.1 Tiere sterben Über das Leben und Überleben von Tieren in Mofettengebieten ist inzwischen einiges bekannt. Lange wurde geglaubt, dass alle Tiere, die man in Mofetten findet, bereits tot oder sterbend sind (Abb. 8.1). Dies ist nicht wirklich verwunderlich, da normale, Sauerstoff atmende Tiere in einer derartig Sauerstoff-abgereicherten Atmosphäre nicht lange überleben können. Schon nach wenigen Minuten werden die meisten Tiere ohnmächtig, um wenig später zu verenden. Überleben können hier nur anaërobe Bakterien (und diese zählen nicht zu den Tieren) und wenige, spezialisierte Pflanzen und Pilze (siehe Kap. 6 und 7). Forschungen des letzten Jahrzehntes bewiesen jedoch, dass es auch bei den Tieren Mofettenspezialisten gibt, die den Unbillen dieses Lebensraumes trotzen können (Schulz und Potapov 2010; Russell et al. 2011; Hohberg et al. 2015; Balkenhol et al. 2016; Pilz et al. 2017). Schon Steinbach (1880) schreibt über den Rand des Laacher Sees und die dort „Mofette“ genannte Töpfergrube: „… In der Mofette findet man fast immer kleine todte Vögel, die dort vielleicht ihr Futter suchten und von dem unheimlichen Athem getödtet wurden. Daher entstand auch vielleicht die Sage, dass kein Vogel über den See fliegen könne, ohne in seinen Schlund hinabgezogen zu werden…“ (Steinbach 1880; Nachdruck 2002).

Diese Sage ist alt und existiert in allen Ländern, die Gewässer mit mephitischen Ausgasungen aufweisen. Schon Vergil berichtet in seiner Aeneas vom

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Abb. 8.1  Eine Auswahl in Mofetten erstickter Tierarten. Bekassine (Gallinago gallinago) (a), Feldmaus (Microtus arvalis) (b), Großes Grünes Heupferd (Tettigonia viridis) (c), Kleiber mit Stöckchen im Schnabel (Sitta europaea) (d), weiße Zuchttaube (e), Maulwurfsgrille (Gryllotalpa gryllotalpa) (f). (© H. Pfanz 2019)

Lago Averno in den Phlegräischen Feldern, dass die Vögel beim Überqueren des Sees tot vom Himmel fielen (Vergilius 2005). „Avernus“ stammt etymologisch mit großer Sicherheit von „aornos“ und dies bedeutet im Griechischen „vogellos“ oder „ohne Vogel“.

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Spelunca alta fuit vastoque immanis hiatu, scrupea, tuta lacu nigro nemorumque tenebris, quam super haud ullae poterant impune volantes tendere iter pennis: talis sese halitus atris faucibus effundens supera ad convexa ferebat. [unde locum Grai dixerunt nomine Aornum.] Vergilius, Aeneis Liber VI, 273–243 Hoch zur Höhle gewölbt war ein Fels mit grausigem Schlunde, Gähnend umhegt von finsterem Wald und schwarzen Gewässern. Straflos konnte darüber hinweg kein Vogel den Fittich schwingen zum Flug so giftig ergoss sich der Hauch aus den schwarzen Schlünden empor und strömte hinauf zur oberen Wölbung. Deshalb wurde der Ort Aornos genannt von den Griechen. Übersetzung aus: http://www.gottwein.de/Lat/verg/aen06la.php#Verg.Aen.6,235

Josef Nöggerath hatte schon 1870 über eine kleine Mofette am Südwestufer des Laacher Sees ähnliches berichtet. „Der Verfasser hat vor mehreren Decennien selbst einige Male diesen Versuch gemacht und zugleich vielerlei erstickte kleine Säugethiere, nämlich Eichhörnchen, Hasselmäuse u., und Vögel, dann Frösche und Insekten in der Grube gefunden.“ (Nöggerath 1870, S. 20). Und auch Seip (1750) schreibt in seinem Werk über die CO2-Quellen in Bad Pyrmont über einen Steinbruch: „Ich habe damals auf einmal mehr als zehn Stück allerley kleine Vögel, Mäuse, Eidechsen und Schlangen gezählet, welche auf der Stelle ersticket und todt in der Grube herumlagen“ (§ 6, S. 92 ff.). Selbst Alexander von Humboldt beschreibt „Stickgrotten“ auf Java und in Italien. Er erzählt von einem von Junghuhn beschriebenen Einsturztrichter, dem „Tödtenthal der Insel Pakaraman im Djeng-Gebirge nahe Batur“. Hier fand man Skelette von wilden Schweinen, Tigern, und Vögeln (Humboldt 1845, 2004; vgl. auch Verschuren 1965). Die Funde wurden mit dem am Boden des Tales befindlichen Gas-See in Verbindung gebracht. Barti (2000) und Barti und Varga (2004) berichten über sehr viele tote Tiere in rumänischen Gashöhlen.

8.2 Thanatocoenosen Eigentlich gibt es keine Tiergruppen, die man nicht schon einmal tot in Mofetten gefunden hätte. Je nach Literatur und untersuchtem Kontinent geht die Spanne der Tierleichen vom kleinen Springschwanz (Collembolen) über größere Insekten, Amphibien, Reptilien und Vögel bis zu den Top-Prädatoren

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der Säugetiere, namentlich Grizzly, Wolf und Tiger. Doch auch Nashörner und Elefanten sowie Bisons wurden durch Mofettengas erstickt gefunden (Weed 1889; Jaggar 1899; Traphagen 1904; Verschuren 1965; Molnar 1983; Barti 2000; Barti und Kovacs 2001; Barti und Varga 2004). Am häufigsten sind es jedoch Insekten, Spinnentiere, Kleinsäuger (Mäuse) und Vögel, die man verendet in Mofetten findet (Abb. 8.1 und 8.2). Um herauszufinden, ob es gewisse Gesetzmäßigkeiten und vor allem nachvollziehbare Gründe für das vermehrte Absterben von Tieren in Mofettenschlenken gibt, wurde in einer dreijährigen Studie in tschechischen und slowenischen Mofettengebieten, Ursachenforschung betrieben. Die ersten Ideen zur Ursachenfindung bei tierischen Mofettenleichen hatte der Leibarzt Seip (1750) in Bad Pyrmont, der einen Zusammenhang zwischen den in einem Gas-See gefundenen Tierleichen und den kausalen Ursachen benannte. Er zählt auf, dass er täglich verschiedene Vogelarten erstickt vorfand, „welche die daselbst niedergefallene Fliege und anderes kleines Ungeziefer wegholen wollen aber ihre Beute mit dem Tode bezahlen müssen“ (Seip 1750 § 8, S. 93).

Abb. 8.2  Thanatocoenose: Insektengrab in einer Senke einer Wiesenmofette. Kleinere Tiere erstickten wegen der bodennah sehr hohen CO2-Konzentrationen. Räuber und Aasfresser, die leichte Beute wähnten, bezahlten ihre Gier oft mit dem Tode. Man erkennt viele Laufkäfer, sowie Fliegen, Schnecken, Wespen und Heuschrecken. (© H. Pfanz 2019)

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Identisches findet man in einigen Höhlen Rumäniens (Barti 2000; Barti und Varga 2004) und Mofettenschlenken Sloweniens und Tschechiens; hier werden gehäuft sog. Insektengräber gefunden. Für eine tschechische Wiesenschlenke, die inzwischen sehr bekannt gewordene mephitische Kleinstruktur Vogelmofette, sind in einer Dreijahresstudie quantitative Untersuchungen der erstickten Tiere durchgeführt worden (Abb. 8.3a). Bei der ersten „Ernte“ der Leichen im Herbst 2014 wurden in der nur 0,3 m2 großen und 35 cm tiefen Schlenke über 950 erstickte Tiere gefunden. Etwa 125 Arten konnten bestimmt werden, die zu etwas mehr als 60 Familien und 23 Ordnungen gehörten. Die prozentuale Verteilung der Anzahl der in der Vogelmofette gefundenen Tiergruppen zeigte, dass die Gruppe der Fliegen (Diptera) dabei mit 74 % klar dominierte. Die Hautflügler (Hymenoptera), Käfer (Coleoptera) und Schnabelkerfen (Hemiptera) waren mit 5–9 % weit geringer vertreten (Abb. 8.3b). Wurden jedoch die taxonomischen Zugehörigkeiten verglichen, dann dominierten die Käfer (39 %) vor den Fliegen (22 %) und den Hautflüglern (21 %).

Abb. 8.3  Die Vogelmofette im Plesná-Grund. Scheidiges Wollgras (Eriophorum vaginatum) umsäumt eine 40 cm tiefe Schlenke mit einer Oberfläche von nur 300 cm2. Im Inneren hat sich ein tödlicher CO2-Gas-See ausgebildet, der zur Todesfalle unzähliger Tiere wurde (a). Prozentuale Verteilung der Anzahl der in der Vogelmofette gefundenen Tiergruppen. In der Gruppe „others“ sind alle Tiere bei denen nur 15 Tiere oder weniger gefunden wurden. Die Hauptmasse der Tiere waren Fliegen. (© Pfanz und Ruiz)

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8.2.1 Warum landen so viele verschiedene Tiere in der CO2-Todesfalle? Was verführt denn Tiere eigentlich dazu, in eine Mofettenschlenke zu laufen? Was lenkt sie oder zwingt sie in diese Richtung? Offensichtlich ist diese Frage nicht einfach zu beantworten, da hier sehr viele verschiedene Parameter eine Rolle spielen können. Der einfachste Fall ist der zufällige Besuch. Fliegende Tiere landen wegen der Vegetationsfreiheit oder wegen der Bodenfeuchtigkeit in Mofettenschlenken, um auszuruhen oder zu trinken – und ersticken im CO2-Gas. Ähnlich war der Fall gelagert, bei dem ein Pärchen bodenbrütender Feldschwirle (Locustella naevia) auf Nestsuche von dem nestförmigen Aussehen der Vogelmofette angezogen wurde. Beide verstarben in der 35 cm tiefen Mofette (Abb. 8.3). Sind schon einmal tierische Leichen in einer solchen Schlenke vorhanden, dann spielen andere Attraktionsparameter für nachfolgende Tiere eine Rolle. Leichen spielen bei vielen Aaskäfern (Totengräber Silphidae; Nicrophorus ) und vor allem bei Aasfliegen, wie den Schmeißfliegen (Calliphoriden) und den Fleischfliegen (Sarkophagiden) die Rolle der Ernährung für die Nachkommen (Larven, Maden). Die Weibchen dieser Fliegengruppen legen ihre befruchteten Eier in die Kadaver. Da CO2-Schlenken viele Kadaver enthalten, wirken sie offensichtlich geradezu als Magnet für Goldfliegen. So wurden über 600 weibliche Exemplare der Goldfliege Lucilia in einer Mofette gefunden (Abb. 8.4). Die meisten Fliegen kommen wegen der Gasatmosphäre allerdings gar nicht zur Eiablage, sondern sterben vorher. Abgelegte Eier würden sich in dieser Atmosphäre aber auch nicht zu Maden entwickeln können. Allerdings findet man nicht nur begattete Weibchen von Aasfressern in den Schlenken. Viele dieser Tiere fressen auch selbst (als Imagines) an den Kadavern und sind deshalb dort als Gasopfer zu finden. Doch es gibt auch Tiere, die ihre Eiablage in Mofetten vollziehen wollen, ohne von tierischem Aas attrahiert worden zu sein. Einige Insektengruppen, namentlich die Fruchtfliegen (Brachycera), werden direkt von den erhöhten CO2-Konzentrationen angezogen. Dies lässt sich daraus ableiten, dass reifende oder verfaulende Früchte vermehrt Gase (Äthylen und CO2) verströmen. Eine CO2-gefüllte Schlenke wirkt demnach wie eine verführerische Obstschale und zieht hunderte Fruchtfliegen magisch in den Tod (Stange und Stowe 1999; Kwon et al. 2007). Die Fruchtfliege Bactrocera tryoni folgt dabei dem

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Abb. 8.4  Thanatocoenose mit fast ausschließlich Goldfliegen der Gattung Lucilia in einer Schlenke einer slowenischen Wiesenmofette. (© H. Pfanz 2019)

CO2-Gradienten in der Luft, da sie ihre Eier in Verletzungen und Wunden der reifenden Früchte legt (Stange und Stowe 1999). Aber auch andere Nektarsauger werden von CO2-Emissionen angelockt (Guerenstein et al. 2004). Eine andere Gruppe von Insekten, die durch den „CO2-Geruch“ magisch angezogen wird, sind die blutsaugenden Steckmücken (Culicidae). Auch sie verfügen über Sensoren, mit denen sie einem CO2-Gradienten folgen können. Im Gegensatz zur reifen Frucht, vermuten diese Insekten hinter dem hohen CO2 jedoch ein Super-Säugetier, welches eine reichliche Blutnahrung verspricht (Kellogg 1970). Es ist bekannt, dass blutsaugende (hämatophage) Mücken von CO2 und Wärme angezogen werden (Moskitos, Simulidae, Tabanidae, Reduvidae, Siphonaptera; Gillies 1980; Steullet and Guerin 1992; De Bruyne and Baker 2008; Allan 2010). In CO2-Schlenken wurden neben Stechmücken auch sehr viele andere Blutsauger, wie Bremsen und Rinderbremsen (Tabanidae) gefunden. In einer slowenischen Wiesen-Kleinschlenke (20 * 20 cm) wurden 70 erstickte Rinderbremsen an einem einzigen Tag gezählt (Pfanz und Vodnik unveröffentlicht, vgl. Roberts 1972). Ähnliche Zahlen gibt es auch für Wespen (Vespinae), die offensichtlich ähnlich auf CO2-Erhöhungen reagieren (Abb. 8.5). Da CO2-Seen sowohl extrem hohe CO2-Konzentrationen

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Abb. 8.5  Hunderte erstickter Wespen in einer CO2-Schlenke einer slowenischen Wiesenmofette. (© H. Pfanz 2019)

aufweisen können und zudem IR-Strahlung absorbieren (und somit wärmer als ihre Umgebung sind), scheinen sie für blutsaugende Insekten eine sehr attraktive Säugetierattrappe darzustellen (Reeves 1953; Pfuntner et al. 1988; Mullens 1995). Und schließlich gibt es da noch bestimmte Ekto-Parasiten. Diese haben sich außerhalb der Mofette auf ihren Wirt gestürzt und sind nolens volens mit ihren Wirten in die tödliche Gasfalle gelangt. So wurden mehrere Zecken, Milben und Federlinge in der Vogelmofette gezählt. Auch der Ameisenparasit Aenigmatias spec. sowie der Eulenfalter-Parasit Dicaelotus spec. wurde zusammen mit dem Schmetterling Orthosia cerasi (Noctuidae) gefunden. Darüberhinaus wurden andere Schmetterlingsparasiten der Familie Roganidae auf ihren Wirten und auch Zehrwespen (Proctotrupes) auf Laufkäfern gefunden (Pfanz und Ruiz, unveröffentlicht). In den Schlenken wurden auch extrem viele Laufkäfer (Carabiden) gefunden. Laufkäfer sind Bodenjäger, die ihre Beute in der Vegetation verfolgen, fangen und töten. Gelangen diese Jäger in Sichtweite toter Kleintiere, scheinen sie auf das selbstständige Erjagen der lebenden Beute zu verzichten und wenden sich dem leichter erreichbaren Aas zu. Unter diesen Jägern sind viele Frösche (Rana temporaria, R. dalmatina) und Kröten (Bufo bufo), Spitzmäuse (Soricidae), Eidechsen und Schlangen (Natrix natrix) zu

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finden. Wenn sie dann allerdings den höher gelegenen Wiesenboden verlassen und in die Schlenke absteigen, werden die Jäger selbst zu Gejagten und erliegen dem CO2 (Abb. 8.2). Doch auch ohne wissenschaftliche Feldforschung gibt es einen Hinweis auf die Gründe von Tieren in einer Mofette sterben zu wollen. Der Autor E.T. Seton beschreibt in seinem Buch „Wahb – The biography of a Grizzly“ einen alternden Bären, der schlussendlich freiwillig den Tod in einer Mofette im Yellowstonegebiet sucht (Seton 2015).

8.3 Tierleben im Gasgradienten Inzwischen ist jedoch klar, dass Tiere in Anwesenheit erhöhter CO2-Konzentrationen nicht zwingend dem Tode geweiht sind. Bestimmte Tierarten haben sich bereits an erhöhtes CO2 und niedrigen Sauerstoff im Boden oder an der Bodenoberfläche physiologisch oder ökologisch angepasst. Hier gibt es eine breite Palette von Möglichkeiten, die von einem spezialisierten Hämoglobin, das eine höhere Affinität zu Sauerstoff hat, bis zur Flucht in bestimmte Mikrohabitate im Boden reichen (Schäfer und Sadleir 1979; ­Jelkmann et al. 1981).

8.3.1 Springschwänze und Fadenwürmer Hohberg et al. (2015) zeigten vermittels intensiver Probennahmen im Gelände und statistischer Analysen, dass das Auftreten und die Verteilung von Springschwänzen (Collembolen) und Fadenwürmern (Nematoden) in Mofettenböden von mehreren Parametern abhängt. Unter diesen waren dominant die CO2-Konzentration in diesen Böden, der Gehalt an organischem Material und die Pflanzenbedeckung (siehe auch Klingler 1959). Sobald die CO2-Konzentration der Böden anstieg, nahm die Anzahl an Bodentierarten deutlich ab. Die Springschwänze zeigten sich bis zu etwa 20 % CO2 als überlebensfähig, währen die Fadenwürmer deutlich toleranter bis etwa 62 % CO2 im Boden überlebensfähig waren (Hohberg et al. 2015; Russell et al. 2011). Doch waren es nur bestimmte mofettophile Spezialisten, die bei diesen hohen Konzentrationen noch dominierten. Manche Arten profitierten sogar von der Mofettenumgebung, was möglicherweise mit der Ernährung der Arten zusammenhängt.

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An anderer Stelle publizierten Russell et al. (2011) über die azonalen Springschwanzarten Tullbergia simplex und Folsomia hissarica, die ausschließlich in sehr stark gasenden Mofettenbereichen zu finden waren. Selbst eine nur auf den tschechischen Mofettenwiesen vorkommende, endemische Collembolenart, namentlich Folsomia mofettophila wurde entdeckt und beschrieben (Schulz und Potapov 2010). Daneben gab es auch Arten, die die Mofettenböden mieden (Pseudosinella alba, Protaphorura quadriocellatus). Besonders interessant war auch, dass in Mofettenböden bei der Art Mesaphorura macrochaeta, die sonst nur ausschließlich parthenogenetisch, in weiblichen Formen vorkommt, unter CO2-Stress männliche Arten beschrieben wurden (Russell et al. 2011). Dies war jedoch nur bei Formen aus stark gasenden Böden der Fall. Liegt hier ein Fall von Geschlechtsumwandlung durch CO2-Gas vor? In pflanzlichem Gewebe ist bekannt, dass eine Veränderung zellulärer pH-Werte zu einer Umverteilung von Phytohormonen führen kann. Ob dies auch bei Tieren analog verläuft, ist derzeit noch unklar. Bekannt ist allerdings, dass bei vornehmlich parthenogenetischen Tiergruppen, ausschließlich weibliche Exemplare nur unter konstant milden und gleichbleibenden Umweltbedingungen vorkommen; hier ist eine rein parthenogenetische Fortpflanzung nicht nachteilig. Jungfernzeugung führt nämlich nicht zu einer Vermischung und Veränderung des Erbgutes, sondern kreiert nur rein klonale Nachkommen. Starker Umweltstress, wie er beispielhaft in Mofetten durch den hohen CO2-Partialdruck vorliegt, kann andererseits nur durch permanente Veränderung des Erbgutes, durch Mutation und Selektion kompensiert werden. Dies funktioniert nur durch sexuelle Fortpflanzung und hierzu sind zwei verschiedene Geschlechter nötig. Das Vorkommen von Mesaphorura-Männchen zeigt also indirekt den hohen Mutations- und Selektionsdruck im Lebensraum Mofette an.

8.4 Tiere markieren Ausgasungsgrenzen Tiere, die hohe Ausgasungen meiden, siedeln sich nur in den Außenbereichen von Mofetten an. Geschieht dies konsequent, so ist anhand der Verteilung der Tiere oder ihrer Baue und Spuren, die Außengrenze von nicht-gasenden Böden zu entgasenden Bereichen gut zu erkennen. Dies konnte bislang am Grab- und Wühlverhalten von Maulwürfen, am Wühlund Nahrungssuchverhalten von Wildschweinen aber auch am Flug- und Brutverhalten von Schwalben festgemacht werden.

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8.4.1 Maulwürfe Recht interessant ist die Tatsache, dass man die Außengrenzen bestimmter Mofetten anhand von Maulwurfshaufen zumindest qualitativ gut festmachen kann (Abb. 8.6a). Im Gegensatz zu den normalen Säugetieren, können im Boden lebende Säuger, wie beispielsweise der heimische Maulwurf (Talpa europaea) deutlich höhere CO2-Konzentrationen ertragen als an der Bodenoberfläche lebende Säuger (Schäfer und Sadleir 1979; Jelkmann et al. 1981; Zinkler und Platthaus 1996). Dies ist zwingend nötig, da die Bodenluft an Sauerstoff deutlich abgereichert und an Kohlendioxid deutlich angereichert ist. Grund hierfür ist die Atmung der Pflanzenwurzeln und der gesamten Bodenfauna (Edaphon), die den Boden-Sauerstoff in größeren Mengen verbrauchen und in den Mitochondrien zu CO2 veratmen. Schon im Normalboden kann in einer Tiefe von 50 cm der O2-Gehalt unter 10 % sein, bei gleichzeitiger Erhöhung des CO2 auf 1 % (Larcher 2001; Miotke 1974; Blume et al. 1996). Dadurch sind bodenlebende Tiere in ihren Gängen permanent mit erhöhtem CO2 und erniedrigtem O2 konfrontiert. Mittlerweile sind unter den Maulwurfsarten auch solche bekannt, die nicht auf eine höhere Affinität des Hämoglobins für Sauerstoff bauen, sondern eine erhöhte Bindungsfähigkeit für erhöhtes CO2 aufweisen (Zinkler und Platthaus 1996). So wird nicht nur die bessere Sauerstoffaufnahme gesichert, sondern auch der kontrollierte Abtransport von überschüssigem CO2 verbessert und dadurch die Gefahr der Hyperkapnie reduziert (Campbell et al. 2010). Doch obwohl Maulwürfe offensichtlich deutlich erhöhte CO2-Konzentrationen in ihren Gängen tolerieren können, scheinen sie in der Nähe von stark gasenden Mofetten aufzugeben (Abb. 8.6b). Die Gänge der Maulwürfe und die Erdauswürfe (die eigentlichen Maulwurfshaufen) enden alle an den Außengrenzen der Mofetten. Die höchsten Boden-CO2-Konzentrationen, die wir jemals in einem Maulwurfsgang messen konnten, lagen bei etwa 12 % CO2 (vgl. auch Schäfer und Sadleir 1979; Zinkler und Platthaus 1996). Bei höheren CO2-Bodenkonzentrationen scheinen selbst die Maulwürfe die Tunnelgrabungen einzustellen und den Beutefang aufzugeben. Welche Auslöser den Maulwurf letztendlich zwingen, die Grabungen einzustellen, ist derzeit noch unklar. Zwei Hypothesen sind die wahrscheinlichsten. Zum einen könnte der Maulwurf mit entsprechenden Sensoren die Sauerstoff- oder Kohlendioxidkonzentrationen direkt erschnüffeln und sich entsprechend verhalten. Zu geringe O2- oder zu hohe CO2-Konzentrationen in den Grabgängen würden gemieden; die Grabungen würden eingestellt. Zum anderen wäre es durchaus denkbar, dass die eigentliche

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Abb. 8.6 Maulwurfshaufen und Rasenschmiele. Die Grashorste (Deschampsia cespitosa) vorne und rechts im Bild zeigen die Präsenz starker CO2-Entgasungen an; die Maulwurfshaufen vor dem Erlenwäldchen sind nur dort, wo CO2-Normalwerte gemessen werden konnten (a). Die Mofettenwiese Hartoušov aus der Vogelperspektive mit einer repräsentativen Auswahl von 1500 gezählten Maulwurfshaufen (b). Ein Ausschnitt aus der Mofettenwiese mit farbig dargestellten CO2-Konzentrationen in 20 cm Bodentiefe und den Positionen der vorgefundenen Maulwurfshaufen (weiße Punkte) (c). (© H. Pfanz 2019)

Beute der Maulwürfe (u. a. Regenwürmer, Käfer- und Fliegenlarven) die erhöhten Gaskonzentrationen erkennen und hoch-gasende Bereiche meiden. Da Maulwürfe ihr Jagdrevier in ihren Gängen durchstreifen und die in die Gänge gefallenen Beutetiere absammeln, würden sie wegen zu geringer

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Beutedichte die Grabungen einstellen. Ob diese Theorien greifen oder ob man noch andere, bislang unbekannte Theorien hinzunehmen muss, bleibt abzuwarten.

8.4.2 Schwalben Dem amerikanischen Vulkanologen Dr. Bill Evans (USDA, San Franzisko) fiel auf, dass die Amerikanischen Klippenschwalben (Petrochelidon pyrrhonota) nur an ganz bestimmten Stellen eines Trinkwasser-Tunnels unter den nordkalifornischen Inyo-Crater-Vulkanen nisteten. Gemeinsame Untersuchungen ergaben, dass die Schwalben offenbar die tödlich Gasgrenze über der Wasseroberfläche in irgendeiner Weise perzipieren können (Evans und Pfanz, unpubl.). Es ist bis dato ungeklärt, wie sie das genau bewerkstelligen. Eine plausible Theorie ist, dass sie einfach nur der Beute folgen. Da viele Insekten eine Erhöhung der CO2-Konzentration erkennen können (siehe Abschn. 8.2.1 Fruchtfliegen Drosophilidae; Fleischfliegen Sarcophagidae; Schmeißfliegen Calliphoridae ), laufen die Schwalben kaum Gefahr, in die tödliche CO2Schicht hineinzufliegen. Dass dies nicht immer fehlerfrei funktioniert, konnten wir innerhalb unserer Untersuchungskampagne an einer in den CO2-See geratenen Schwalbe sehen, die sterbend bäuchlings auf dem Wasser trieb.

8.4.3 Fledermäuse Noch nicht so gut untersucht, wie das Nestbau- und Jagdverhalten bei den kalifornischen Klippenschwalben ist das Erkennen einer CO2-Gas-Luftgrenze bei Fledermäusen. Bislang war nicht klar, ob jagende Fledermäuse Gefahr laufen, bei der Jagd über einem trockenen CO2-See versehentlich in diesen zu fliegen und betäubt nach unten zu fallen. Die Senckenberggesellschaft hat etwa 700 petrifizierte Fledermäuse in der paläontologisch sehr ergiebigen Ölschiefergrube Messel gefunden. Unter den Leichen waren auch viele junge Fledermäuse, sowie solche mit vollem Magen nach erfolgreicher Jagd und selbst hochträchtige Weibchen; ein krankheits- oder altersbedingter Tod dieser Tiere ist daher auszuschließen. Messel war einst ein Vulkansee, aus dem möglicherweise CO2 entgaste, so dass ein plötzlicher Tod der Tiere durch CO2 beim Überflug nicht völlig von der Hand zu weisen ist. Eigene Funde der Jahre 2016/2017 bestätigen nun, dass Fledermäuse durchaus bei der Jagd über einem CO2-Gas-See desorientiert den Tod finden können. So fanden wir drei tote Fledermäuse der Gattung Pipistrellus kuhlii (Weißrandfledermaus) am Boden des Bossoleto-Gas-Sees (Abb. 8.7).

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Abb. 8.7  Der Beweis, dass Fledermäuse bei der nächtlichen Jagd versehentlich in einen trockenen CO2-Gas-See fliegen können: Eine erstickte Weißrandfledermaus (Pipistrellus kuhlii) im Bossoleto-Tal. (© H. Pfanz 2019)

Barti (2000) and Barti and Varga (2004) berichten ähnliches von einer rumänischen Gas-Höhle. Sie fanden eine enorme Palette von zwölf verschiedenen Fledermausarten erstickt im Gas-See in der Grota Sulfurosa (Harghita-Gebirge). Hierzu zählten Eptesicus nilssonii und E. serotinus, Vespertilio murinus, Myotis bechsteinii, M. nattereri, M. mystacinus, M. myotis, M. brandtii, Pipistrellus pipistrellus, Plecotus auritus und P. austriacus sowie Barbastella barbastellus.

8.4.4 Wildschweine Selbst Wildschweine (Sus scrofa) scheinen, direkt und indirekt, Mofetten zu suchen oder zu meiden. Obwohl Wildschweine zu den Allerfressern gehören, scheinen sie teilweise Feinschmecker zu sein. Dies merkt man als Pilzsammler vor allem im Herbst, wenn man den Fährten und Fraßspuren einer Rotte folgt. Ähnlich groß wie die Liebe zu Pilzen scheint ihre Liebe zu den Rhizomen des Großen Wiesenknopfes (Sanguisorba officinalis) zu sein. Es gibt kaum einen Sanguisorba-Standort im tschechischen Plesná-Tal, an dem die Wildschweine

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den Boden nicht mit ihren Rüsselschnauzen aufgewühlt und nach den leckeren Rhizomen durchsucht haben (Abb. 8.8). Da der Wiesenknopf eine strikt mofettophobe Pflanze ist und daher nur außerhalb CO2-gasender Flächen wächst, kann man diese Stellen gut festmachen. In Tschechien gibt es einige Mofettenstandorte in denen die Wildschweine durch das selektive Wühlen nach Wiesenknopf-Rhizomen die Außengrenzen der CO2-Ausgasungen recht deutlich markieren.

8.5 Das bewusste Töten von Tieren Um das Schlachten von Tieren etwas „humaner“ zu gestalten, werden die Tiere in manchen Schlachtbetrieben vor der eigentlichen Tötung erst narkotisiert. Dies geschieht im Falle von Schweinen oft in Fahrstühlen, die mit Schweinen beladen in einen CO2-Gas-See gefahren werden und dort so lange verbleiben (30–60 s), bis alle Tiere narkotisiert sind (Forslid und Augustinsson 1988; Forslid 1992; Dodman 1977; Nowak et al. 2007; Dalmau et al. 2010a, b). Da naturgemäß kein einziges Tötungsverfahren von

Abb. 8.8  Wildschweine haben den Boden nach den Rhizomen des Großen Wiesenknopfes (Sanguisorba officinalis) durchwühlt. Die Pflanze wächst nur auf nicht gasenden Kontrollböden. Gasende Flächen sind im Hintergrund zu sehen. (© H. Pfanz 2019)

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Tieren völlig befriedigend verlaufen kann, wird die Qualität und Effektivität dieses Verfahrens seit längeren angezweifelt; andere narkotisierende Gase werden derzeit getestet. Beim Aussortieren männlicher Hühnerküken (beim „Sexen“) werden jährlich 45 Mio. männliche Eintagsküken direkt nach dem Schlupf aussortiert und in CO2-Gas getötet. Nur die weiblichen Geschwister werden, wegen des schnelleren Fleischansatzes und ihrer Fähigkeit, Eier zu legen, zur Weiterzucht verwandt (div. Zeitungsartikel). Die bei uns Menschen so gepriesene Gender-Gerechtigkeit scheint bei Vögeln nicht zu greifen.

8.5.1 Grotta del Cane Auch in der Grotta del Cane (Hundsgrotte) genannten Höhlen-Mofette in den Phlegräischen Feldern bei Neapel wurde die narkotisierende Wirkung von CO2 auf Tiere genutzt und bis zur Perversion perfektioniert. Die Höhle liegt am Rande der Caldera des mittlerweile trockengelegten Agnano-Sees (Halliday und Cigna 2006; Fiore 2012). Schon Di Capua (1714) erwähnt diese Höhle. Höchstwahrscheinlich war es aber Plinius der Ältere (77 n. Chr.; Liber 2, Canto 90), der diese „faszinierende und Furcht einflößende Höhle“ zuerst beschrieb (Abb. 8.9). Athanasius Kircher gilt als der erste, der sich wissenschaftlich um die Grotta del Cane verdient machte (1664, 1678). Im Jahre 1927 wurden durch Majo die ersten physikalisch-atmosphärischen Daten (Luftdruck, Temperatur, CO2) über mehrere Wochen bestimmt. CO2-Konzentrationen um 67–74 % werden dort genannt; Sauerstoffdaten fehlen. Unsere eigenen Messungen im März 2012 zeigten am Eingang der Höhle um 10.30 morgens, Temperaturen von 41 °C und etwas weiter in der Höhle um 50 °C. Die Gas-Konzentrationen in Bodennähe (10–30 cm Höhe) lagen bei 83,7 % für CO2 und 5,3 % für Sauerstoff; der Rest war Stickstoff. In die heute durch ein Tor verschlossene Höhle verbrachten Hundebesitzer ihre alternden oder überzähligen Lieblinge. Mit dem angeleinten Tier zog man in die Höhle, um nach wenigen Minuten mit einem toten Hund oder einer leeren Leine wieder ins Freie zu marschieren. Eine andere Variante war, den Hund, gegen entsprechendes Entgelt, vor den Augen von Schaulustigen im Gas-See der Höhle zu narkotisieren, um ihn anschließend im Wasser des Agnano-Sees wieder zum Leben zu erwecken. Es wird beschrieben, dass ein Hund teilweise dreimal pro Tag eingesetzt wurde und, dass diese Hunde nicht alt wurden (Fiore 2012). Viele Ärzte und Naturwissenschaftler, sowie Dichter und Komponisten, unter ihnen Namen wie Johann Wolfgang von

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Abb. 8.9 CO2- und Temperaturmessungen am Eingang zur Grotta del Cane am Rande des inzwischen trockengelegten Agnano-Sees in den Phlegräischen Feldern bei Pozzuoli

Goethe (1787), Mozart (1781) und Mark Twain (1867) experimentierten hier mit vielen Tierarten, um die narkotisierenden und manchmal tödlichen Wirkungen des Gases dieser Höhle zu untersuchen und aufzuklären. Schlangen, Hühner, Schweine, Esel und selbst Sklaven wurden für diese Untersuchungen genutzt (Nollet und Stack 1753; von Andrejewskiy 1831; Taylor 1832, 1833; Halliday und Cigna 2006; Fiore 2012). Die Pflanzen die rings um den Eingang der Grotta und am Hang wuchsen, waren Smilax, Calystegia, Rubus spec., Mercurialis spec., Arum italicum, Melandrium album, Urtica, Fumaria spec., Rumex spec., Hedera, Arabidopsis thaliana, Stellaria, Arundo donax, Phragmites australis, Galium aparine, Medicago, sowie Parietaria.

8.5.2 La Grotte du Chien a Royat Hundsgrotten sind ebenfalls aus Frankreich bekannt. Die bekannteste französische Hundsgrotte (Grotte du Chien) liegt in der Nähe von Clermont-Ferrand am Rande des französischen Zentralmassivs. Sie war lange eine bekannte und gut besuchte Touristenattraktion, in der täglich Hundeversuche durchgeführt

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Abb. 8.10  Broschüre und Eintrittskarte zum Besuch der Hundsgrotte in Royat (a). Das Inner Sanctum der Grotte du Chien mit der Treppe, die zum gefährlichsten Teil des Gas-Sees führt. Die höchsten CO2-Konzentrationen werden in Bodennähe gemessen (b). (© H. Pfanz 2019)

wurden, bis sie in den 90iger Jahren wohl aus Besuchermangel geschlossen wurde (Abb. 8.10a, b). Sie ist nun in Vergessenheit geraten und man muss vor Ort geschickt verhandeln, um Zugang zu bekommen. Im Jahre 2014 konnten wir glücklicherweise vor Ort Gasmessungen durchführen. Die Messungen wurden rechts der hölzernen Treppe durchgeführt (Abb. 8.10b) und zeigen, dass der berühmte Gas-See noch heute existiert. Er reicht vom Boden bis in fast 2,4 m Höhe und weist CO2-Konzentrationen bis zu fast 24 % auf (Tab. 8.1). Tab. 8.1  Grotte du Chien bei Chamelieres. Die CO2-Messungen am Treppenabgang des Hauptraumes wurden im September 2014 durchgeführt (Pfanz und Ruiz, unveröffentlicht) Höhe über Boden [cm]

CO2 [%]

O2 [%]

0 20 50 75 100 125 150 175 200 220 240

23,8 20,7 18,7 16,2 14,7 11,9 9,0 6,7 3,7 0,9 1,0

15,1 14,9 15,8 16,1 16,1 16,6 17,1 17,7 18,0 18,8 19,1

9 Mofetten und Klima

Inhaltsverzeichnis

9.1 Mofetten und das Mikroklima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 9.2 Das CO2-Gas-Tal Bossoleto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 9.3 Bad Pyrmont . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 9.4 Mofetten und das Weltklima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

Die atmosphärische CO2-Konzentration unserer Troposphäre wäre ohne Zutun des Menschen immer noch in der Größenordnung von etwa 280 ppm (0,028 %). In 2019 wurde nun aber die Marke von 410 ppm deutlich überschritten (414 ppm am 07. Juni 2019; Scripps Institution 2019). Der Beitrag von CO2 zum derzeitigen Treibhauseffekt ist mit 50 % sehr deutlich und wissenschaftlich belegt (Wittig und Streit 2004; Cook et al. 2016; Brasseur et al. 2017). Da Kohlendioxid kurzwellige Infrarotstrahlung absorbiert (um 2,7 µm, 4,3 µm und 15 µm), würde man vermuten, dass CO2-Gas-Seen an Sonnentagen oder auch bei künstlicher Bestrahlung diurnale Temperaturveränderungen aufweisen sollten. Sobald morgens die Sonnenstrahlen in Kontakt mit dem CO2-Gas-See kommen, würde infrarote Strahlung absorbiert werden; eine Erwärmung des Gas-Sees wäre die Folge. Um dies abzuklären, wurden in kleinen CO2-Schlenken aber auch in größerern CO2-Tälern, Klimamessungen durchgeführt.

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2019 H. Pfanz, Kalter Atem schlafender Vulkane, https://doi.org/10.1007/978-3-662-60340-6_9

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9.1 Mofetten und das Mikroklima Mofetten können ein spezielles, eigenes Mikroklima (Nanoklima) aufweisen. Rund um die eigentlichen CO2-Ausgasungszentren können sowohl die Luftfeuchte als auch die Temperatur verändert sein. Temperatur- und Feuchteunterschiede sind abhängig von der Umgebungstemperatur und von der Menge an Wasser, die das ausströmende CO2-Gas mit sich führt. Daneben spielt tagsüber auch die Absorption eines Teiles der infraroten Strahlung durch Kohlendioxid eine nicht unerhebliche Rolle bei der Erwärmung von Mofetten.

9.2 Das CO2-Gas-Tal Bossoleto Liegen die Ausgasungsstellen von Mofetten geomorphologisch günstig in Tallagen, so können sich klimatologisch ausgesprochen spannende Studienorte ergeben. Dies ist in einer Tal-Mofette südlich von Siena der Fall. Il Bossoleto ist ein kleines dolinenförmiges, etwa 10 m tiefes Tal, an dessen Grund mehrere Ausgasungsstellen liegen (Raschi et al. 1997, 1999; Bettarini et al. 1999). Wegen des enormen CO2-Flusses füllt sich das kleine Tal jeden Tag ab etwa 1700–1800 Uhr mit dem tödlich wirkenden Gas. Bis zu einer Höhe von etwa 4,3 m über dem Talboden kommt es zu einer Aufkonzentrierung von bis zu 100 % CO2 in der unteren Tal-Atmosphäre; ein absolut tödliches Szenario für tierische Organismen. Der sich am späten Nachmittag bildende Gas-See ist über Nacht sehr stabil und bildet somit eine tödliche Falle für Mensch und Tier (Kies et al. 2015). Der Boden der Mofette ist demgemäß auch mit vielen toten Tieren übersät. Doch am Grunde der Mofette, auf dem Talboden, wächst das Gewöhnliche Schilfrohr (Phragmites australis) in großen Beständen; als einziger Pflanzenart gelingt es dem Schilfrohr unter diesen Extrembedingungen zu überleben (Abb. 9.1).

9.2.1 Der CO2-Tagesgang Um die CO2- und Temperaturdaten dieses ungewöhnlichen Gas-Sees quantifizieren zu können, wurde ein Messturm von 6 m Höhe installiert und in 40 cm Abständen wurden die CO2-Konzentration, die Temperatur, die Luftfeuchte, die Windverhältnisse und die Sonneneinstrahlung im Tagesgang bestimmt (Kies et al. 2015). Für einen Augusttag sind die Ver-

9  Mofetten und Klima     113

Abb. 9.1  Bossoleto-Tal mit dem Gehölzring und den Schilfrohrbeständen am Grunde des Talkessels. Die blanken, nicht bewachsenen Bereiche entgasen sehr stark CO2. Der 6 m hohe Klima- und Gasmessturm ist zu sehen. (© H. Pfanz 2019)

hältnisse in der Abb. 9.2 angegeben. Der Übersichtlichkeit halber wurden die Temperaturen nur in drei Höhen (0,4 m, 3,2 m, 6,4 m) eingezeichnet. Der Aufbau des trockenen CO2-Sees verläuft geschichtet (vgl. „stratified gas lake SGL“; Kies et al. 2015) und erreicht erst gegen Morgen (07:00 Uhr) eine Art Maximum. Diese Situation bleibt dann bis gegen 10:30 Uhr erhalten. Danach bricht der Gas-See innerhalb einer halben Stunde völlig zusammen. Das Tal entleert sich und kann betreten werden. Zwischen 08.30 und dem Zusammenbruch des Gas-Sees vermischen sich die unteren Gasschichten, so dass aus dem stratifizierten CO2-See ein homogener See entsteht („HGL“ in Kies et al. 2015). Auch die Aufzeichnungen der Temperaturen der unterschiedlichen Höhen am Messturm zeigen Besonderheiten. Ab etwa 16:50 Uhr bildet sich eine Temperaturinversion aus, bei der die unteren Schichten gegenüber den höheren Schichten stärker abkühlen und folglich die wärmeren Luftschichten über den kälteren liegen, was zu einer stabilen Inversion führt. Ab etwa 18:20 Uhr verlaufen die drei Temperaturkurven (0,4 m,

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Abb. 9.2  Ausgewählter Tagesgang der CO2-Konzentrationen (16) und Temperaturen (3) in unterschiedlichen Höhen am Messturm der Abb. 9.1. (© Kies und Pfanz)

3,2 m, 6,4 m) sowohl von der Größenordnung als auch vom Verlauf her, gleich (Abb. 9.2). Dies gilt die ganze Nacht hindurch bis etwa 07:30 Uhr morgens. Nun kommt es zu einer Umkehr der bestehenden, nächtlichen Temperaturinversion zwischen den oberen und unteren Schichten. Die nachts höheren Temperaturen der oberen Schichten resp. kälteren Schichten in Bodennähe (normale stabile Temperaturinversionslage) kehren sich gegen 07:30 Uhr um. Daher kommt es zu einer Verstärkung der Temperaturdifferenzen (Aufspreizung) zwischen den obersten und untersten Schichten. Beide Temperaturerhöhungen sind zweifelsfrei auf die IR-Absorption der Luft (normale mediterrane Atmosphäre und CO2-Gas-See) durch diffuse oder direkte Sonneneinstrahlung, sowie auf Wärmeabstrahlungen des Bodens zurückzuführen. Die raschere und auch stärkere Erwärmung im unteren Teil des Gas-Sees liegt ursächlich an dessen hohen CO2-Konzentrationen. Die Temperaturdifferenz gipfelt dann gegen 10:30 Uhr in einem Unterschied von ca. 16 °C (an anderen Tagen bis zu 30 °C) zwischen dem aufgeheizten Gas-See und der darüber lagernden mediterranen Atmosphäre. Da durch die dramatische Aufheizung der unteren Gasschichten diese durch Ausdehnung spezifisch leichter werden, löst sich die bestehende Gasschichtung auf, die Temperaturdifferenzen gleichen sich dabei innerhalb von 30 min aus; die Temperaturen sind gegen 11:30 Uhr fast identisch (Abb. 9.2).

9  Mofetten und Klima     115

9.2.2 Die Wolkenbildung in Bossoleto Im Sommer kann man im Bossoleto-Tal morgens gegen 10.00 Uhr ein phantastisches Schauspiel beobachten. Weiße, nebelartige Wolkenschleier tauchen hier und da über dem Gas-See auf, um wieder zu verschwinden und an anderer Stelle erneut zu entstehen (Abb. 9.3). Eine dünne Schleierwolke bildet sich in 2,5–3 m Höhe über dem Mofettenboden. Diese behindert für kurze Zeit den Blick auf die Talsohle. Nach wenigen Minuten beginnt die Wolke zu wabern, um sich wenig später in kleinen Wolkenfetzen aufzulösen. Das ganze Schauspiel dauert je nach Intensität der Sonneneinstrahlung wenige Minuten bis zu einer Stunde. Die Erklärung dieses Phänomens ist ebenso einfach wie lehrreich. Durch den permanenten Ausstrom von Kohlendioxid hat sich über Nacht im Tal ein trockener Gas-See aus fast reinem CO2 gebildet. Dieser See ist geschichtet (stratifiziert). Ganz unten, direkt auf dem Talboden können bis zu 100 % CO2 gemessen werden. Darüberliegend nehmen die CO2-Konzentrationen ab, um bei etwa 4,3 m Höhe atmosphärische CO2 – Konzentrationen zu erreichen. Wie schon erwähnt, absorbiert Kohlendioxid infrarote Wärmestrahlung und heizt sich dadurch auf. Abb. 9.2 zeigt, dass

Abb. 9.3  Morgendliche Schleierwolke auf dem CO2-See im Tal Il Bossoleto. (© H. Pfanz 2019)

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diese Erwärmung innerhalb des Gas-Sees mit dem Sonnenaufgang beginnt und bis deutlich über 50 °C gehen kann, obschon die Temperatur der umgebenden Atmosphäre nur bei etwa 20 °C liegt (Abb. 9.2). Durch diese starke Erwärmung innerhalb des Gas-Sees verdunstet die Feuchtigkeit am Talboden und im Gas-See selbst (Evaporation) und steigt nach oben. Genau am Übergang zwischen dem im Talgrund lagernden, warmen CO2See und der darüber lagernden, viel kühleren Atmosphäre kommt es wegen des abrupten Temperaturabfalls an der Grenzschicht, zur Kondensation des Wasserdampfs zu feinsten Wassertröpfchen; die weiße Schleierwolke ist entstanden. Heizt sich der Gas-See im Laufe der Zeit durch die intensiver werdende Morgensonne noch weiter auf, lösen sich stark erwärmte CO2-Gaspakete aus dem Gas-See und steigen wie Ballons in die Höhe, um sich in der kühleren Atmosphäre der höheren Luftschichten (10 m) aufzulösen. Nach etwa einer halben Stunde ist der Spuk vorbei. Von der ehemaligen Wolke ist nichts mehr zu sehen und nach einer weiteren Stunde kann man das Tal gefahrlos betreten. Spätestens gegen 17–1800 Uhr sollte man den Talboden jedoch wieder verlassen haben, da dann die Bildung des Gas-Sees erneut beginnt. Exakte Daten zur Bildung des tödlichen Gas-Sees, sowie Tagesgänge des Gases, der Temperatur und anderer Klimadaten finden sich in Kies et al. (2015).

9.3 Bad Pyrmont Auch in der bekannten Dunsthöhle im Kurort Bad Pyrmont wurden die sich täglich und jahreszeitlich ändernden Temperaturen im Zusammenhang mit den wechselnden CO2-Konzentrationen untersucht. Hierzu wurde ein Messturm mit CO2-, Luftdruck-, Wind- und Temperatursensoren installiert. Die in neun verschiedenen Höhen im 10-Minuten-Takt gemessenen Werte wurden gespeichert und ausgewertet. Beispielhaft ist eine Woche im Juli 2016 dargestellt (Abb. 9.4b). Man erkennt deutlich, dass auf Bodenniveau die höchsten CO2-Konzentrationen mit fast 60 % vorherrschten; diese blieben sowohl im diurnalen Tageslauf als auch innerhalb der Messwoche ziemlich konstant. Je höher die Sensoren angebracht waren, desto weniger CO2 wurde gemessen. In 50 cm Höhe waren dies 50–55 %, in 1 m Höhe noch um 48 %, in 1,5 m Höhe noch 35 % und bei 3 m Höhe etwa 20 %. Bei 4,5 m Höhe waren die Werte im Bereich der CO2-Konzentration von normaler Außenluft (Abb. 9.4b). Es zeigte sich auch, dass mit zunehmender Höhe der Einfluss der Tagestemperatur auf die Gaskonzentrationen zunahm. Da der

9  Mofetten und Klima     117

Abb. 9.4  Die Dunsthöhle als Touristenmagnet in Bad Pyrmont (a). Ausgewählter Verlauf der CO2-Konzentrationen in der Dunsthöhle im Juli 2016 (b). Dank an Dr. C. Wittmann und C. Kosch

Gas-See jedoch eingehaust und durch Mauern gefasst ist und zudem durch ein Dach vor direkter Sonneneinstrahlung geschützt ist (Abb. 9.4a), waren die diurnalen Veränderungen der CO2-Konzentrationen nicht mit denen im GasTal Bossoleto vergleichbar. Die indirekte Strahlung durch die Seitenfenster

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erwärmte den Gas-See zwar etwas und führte zu leicht erhöhten CO2-Konzentrationen um die Mittags- und Nachmittagszeit. Eine völlige Auflösung des GasSees am Tage war jedoch nie zu konstatieren. Gegen Abend verringerten sich die Konzentrationen in den oberen Luftschichten wieder.

9.4 Mofetten und das Weltklima Die Freisetzung von CO2 aus Mofetten und Vulkanen trägt zum natürlichen Treibhauseffekt bei. Wie schon oben erwähnt, absorbiert Kohlen­ dioxid in bestimmten Wellenlängenbereichen (im nahen Infrarot) und strahlt auch wieder Wärmestrahlung ab. Der durch das geo- und vulkanogene CO2 bestehende natürliche Treibhauseffekt sorgt dafür, dass die mittlere Erdtemperatur bei etwa 16 °C liegt. Dies ist um ca. 30 °C höher, als ohne die IR-absorbierenden Treibhausgase auf der Erde zu erwarten wäre. Im Gegensatz zur anthropogenen Freisetzung ist die geogene Freisetzung derzeit jedoch nachweislich weder erhöht noch erniedrigt. Das geo- und vulkanogene CO2 trägt also zum natürlichen Treibhauseffekt bei, ohne den wir ein sehr unterkühlter, eiskalter Planet mit -16 °C Durchschnittstemperatur wären. An der verstärkten Erwärmung der Erde in den letzen Jahrzehnten ist die geogene CO2-Emission jedoch mit größter Sicherheit nicht beteiligt. Die durch Vulkane emittierten CO2-Mengen werden zwischen 65 und 319 Mio. t pro Jahr berechnet. Die anthropogen aus fossilen Brennstoffen freigesetzten CO2-Mengen liegen jedoch zwischen 29 und 34 Mrd. Tonnen pro Jahr, je nachdem ob nur fossile oder auch rezente Brennstoffe (oder auch die Brandrodung von Wäldern) mit einberechnet werden. Ähnliches wurde schon von Gerlach berechnet (Kerrick 2001; Mörner und Etiope 2002; Gerlach 2011). Selbst wenn also die maximale vulkanische CO2-Freisetzung von etwa 319 Mio t a−1 angenommen wird, liegt die anthropogene CO2-Emission immer noch um den Faktor 100 höher. Bei der Frage nach dem Anteil der vulkanogenen Gase am atmosphärischen Treibhauseffekt gibt es aber auch lokale Berechnungen. In der gesamten Westeifel beträgt das aus dem Erdinneren an die Atmosphäre abgegebene und damit „Treibhaus-aktive“ CO2-Gas etwa 12100 t pro Jahr. Das klingt nach viel Gas, ist aber nur ungefähr so viel, wie 1150 Bundesbürger im Jahre 2001 produziert haben (May 2002; Ziesing 2002).

10 Die Böden in Mofetten

Inhaltsverzeichnis

10.1 Das Gas im Boden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 10.2 Das CO2 zu Sauerstoffverhältnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 10.3 Die pH-Werte in Mofettenböden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 10.4 Die Pufferung des Bodens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 10.5 Der Humusgehalt von Mofettenböden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 10.6 Der Mineralstoffgehalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

Böden, die über einen langen Zeitraum von CO2 in großen Mengen durchgast werden, müssen spezifische Veränderungen aufweisen. Da Kohlendioxid Sauerstoff-verdrängend wirkt, muss ein solcher Mofettenboden zwangsläufig hypoxisch (arm an Sauerstoff) oder gar anoxisch (frei von Sauerstoff) sein. Mofettenböden ähneln daher oft den Gley- bzw. Pseudogleyböden (Blume und Felix-Henningsen 2009; Schlichting und Schwertmann 1973). Völlige Sauerstofffreiheit wirkt sich naturgemäß auch auf die Mikroflora des Bodens aus. Völlig andere Bakterien, Archaeen und Pilzgemeinschaften sind zu erwarten (siehe oben). Da diese Mikroben die letzte Stufe im Stoffkreislauf von Böden spielen, muss sich eine veränderte Mikrobenflora dramatisch auf den Bodenchemismus und eventuell sogar auf die Bodenphysik auswirken. Pufferkapazitäten, pH-Werte, erniedrigte Redoxpotenziale, veränderte Nährstoffgehalte oder die Menge an organischem Material im Boden sind nur einige Punkte, die bei der Betrachtung von Mofettenböden zu beachten sind (Pätzold 2009; Rennert et al. 2011; Rennert und Pfanz 2016a, b). © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2019 H. Pfanz, Kalter Atem schlafender Vulkane, https://doi.org/10.1007/978-3-662-60340-6_10

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10.1 Das Gas im Boden Wenn wir von Mofettenböden sprechen, ist natürlich klar, dass die Durchgasung dieser Böden mit CO2 und das Vorhandensein von Sauerstoff wichtige Determinanten darstellen (Miotke 1974). Daher werden wir uns im Folgenden dem bodenbürtigen Sauerstoff resp. dem Kohlendioxid widmen. Diese Gase werden in der Mofettenforschung in unterschiedlichen Bodentiefen mithilfe von ortsfesten oder tragbaren Gasanalysatoren analysiert und quantifiziert. Werden die Bodengase in einem Flächen-Raster auch in unterschiedlichen Bodentiefen gemessen, dann kann man mehrere Arten der Darstellung wählen.

10.1.1 Die Transektdarstellung Nimmt man aus den Daten eines Messrasters nur einmal die Daten eines linearen Transektes heraus und stellt die Gaskonzentrationen dann in unterschiedlichen Bodentiefen dar, so ergibt sich folgende Abbildung (Abb. 10.1). Mithilfe dieser Darstellung lässt sich herauslesen, dass die CO2-Konzentrationen mit zunehmender Bodentiefe zunehmen, während die Sauerstoffkonzentrationen umgekehrt mit der Tiefe abnehmen. Man kann weiterhin erkennen, dass die CO2-Konzentrationen wie „Flammen“ von unten nach oben „züngeln“ und dass manche Gaskanäle und gasführenden Bodenrisse die Bodenoberfläche erreichen, andere wiederum nicht. Dort, wo gasführende Kanäle die Bodenoberfläche erreichen, ist zu erwarten, dass auch die Gasflüsse erhöht sind und dadurch die Wahrscheinlichkeit für Pflanzenbewuchs erniedrigt ist. Dort, wo die Gaskanäle schon vor der eigentlichen Erdoberfläche enden, ist mit einer Erhöhung der Bodengaskonzentration in der entsprechenden Bodentiefe zu rechnen. In der Abb. 10.1 ist auch gut zu erkennen, dass bei dem Wiesentransektpunkt „25–30 m“ Pflanzen mit Wurzeltiefen bis zu 50 cm keine Wuchsprobleme hätten. Auch bodenwühlende Tiere könnten ihre Gänge bedenkenlos durch diese Bodenregion treiben. Zwischen den Transektpunkten „13–15 m“ sieht dies völlig anders aus. Normale Pflanzen könnten ihre Wurzeln hier kaum 10 cm tief in den Boden treiben. Nur die Wurzeln angepasster, mofettophiler Arten könnten hier weiter nach unten in den Boden vordringen. Ihre Wurzeln könnten sogar in die Zonen mit erhöhtem Boden-CO2 wachsen, wenn sie über Mechanismen verfügten, die Sauerstoff aus den oberirdischen Organen in die Wurzeln transportieren. Dies ist unter „erleichterter Diffusion“ oder bei partiell abgestorbenen Organen unter

10  Die Böden in Mofetten     121

Abb. 10.1 CO2-Konzentration in verschiedenen Bodentiefen zweier Wiesentransekte der Nardus-Mofette in Nordwest-Tschechien. Die CO2-Konzentrationen können in der oberen Teilabbildung in [%] abgelesen werden. Man erkennt, dass im unteren Transekt (15 m bis ca. 30 m) Pflanzenwurzeln oder tunnelgrabende Tiere bis zu einer Tiefe von fast 60 cm unbehelligt leben können. Dies ist zwischen 0 und 15 m sowie zwischen 31 und 36 m des Transektes wegen der CO2-Ausgasung auch in oberflächennahen Bodentiefen nicht möglich. Hier wachsen nur mofettophile Pflanzenarten. (© Pfanz, Greiß, Saßmannshausen)

„Venturi-Ventilation“ bekannt (Armstrong und Armstrong 1988; Vartapetian und Jackson 1997). Nicht an Mofettenstandorte angepasste Tiere würden diese Stelle (13–15 m) mit großer Sicherheit meiden.

10.1.2 Die Flächendarstellung Stellt man die Gasdaten zweidimensional, also flächig dar, so kann man die „Gasflächen“ in unterschiedlichen Bodentiefen getrennt darstellen (Abb. 10.2a–d). Die Inhomogenität der Ausgasungen innerhalb der Untersuchungsflächen wird sowohl in der Fläche als auch in der Tiefe sehr deutlich. Auch treten die Ausgasungszentren innerhalb einer Mofette augenfällig hervor. Und auch die Zunahme der CO2-Konzentrationen mit zunehmender Bodentiefe ist wieder gut abzulesen. Je tiefer man kommt, desto weniger Stellen ohne CO2 sind zu finden. Diese Art der Darstellung

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Abb. 10.2 CO2-Entgasungsmuster der Hügelmofette in Tschechien. Die CO2-Konzentrationen sind in vier unterschiedlichen Bodentiefen dargestellt (10, 20, 40, 60 cm)

wird auch benutzt, um die flächige Verteilung der Vegetation mit der unterschiedlicher Ausgasung zu korrelieren (vgl. hierzu auch Abb. 6.14). Diese Fragestellung kann auch um die Bedeutung unterschiedlicher Wurzeltiefen verschiedener Pflanzenarten erweitert werden.

10.1.3 Die Würfeldarstellung von Bodenmonolithen Im Gegensatz zur Flächendarstellung kann man bei der Quader- oder Würfeldarstellung die Grenzen zwischen den unterschiedlichen Bodentiefen verschwinden lassen und so ganze Bodenmonolithe dreidimensional darstellen; ein kontinuierlicher Eindruck der Gasverteilung in einem definierten Bodenblock wird vermittelt. Die Abb. 10.3 zeigt, dass in einer Bodentiefe von 30 cm noch sehr hohe CO2-Konzentrationen von bis zu 90 % vorherrschen. Die Konzentrationen nehmen flächig nach oben ab und liegen zwischen 35–50 % CO2 bei 25 cm und 30–18 % CO2 in 15 cm Bodentiefe. In Oberflächenähe (Tiefe von 5 cm) sind die Konzentrationen zwischen 2 und 7 % CO2. Die Tendenz der in größerer Tiefe höheren CO2-Konzentrationen lässt sich sehr gut zeigen. Auch die potentielle Verteilung von Pflanzenwurzeln oder die Möglichkeit der Lokalisierung der

10  Die Böden in Mofetten     123

Abb. 10.3  Dreidimensionale Darstellung der CO2-Konzentrationen in einem Bodenwürfel (Monolith) aus der Distel-Mofette in Tschechien. Die CO2-Konzentration kann hiermit sowohl in der Fläche als auch in unterschiedlichen Tiefen abgelesen werden. Die Farbkodierung der CO2-Konzentrationen in Prozent kann dem unten dargestellten Balken entnommen werden

Bodentunnel von Tieren lassen sich mithilfe der dreidimensionalen Gasdarstellung recht gut vermitteln.

10.2 Das CO2 zu Sauerstoffverhältnis Wie bereits mehrfach gezeigt, nimmt die CO2-Konzentration mit zunehmender Bodentiefe in den Mofettenböden zu. Umgekehrt nimmt die Sauerstoffkonzentration mit zunehmender Bodentiefe ab (vgl. auch Miotke 1974). Trägt man nun in den unterschiedlichen Bodenzonen, die jeweiligen Sauerstoffkonzentrationen gegen die korrespondierenden Kohlendioxidkonzentrationen auf, so erhält man immer eine lineare Abhängigkeit der beiden Parameter (Abb. 10.4). Die Steigung der Linearen ändert sich zwar mit der Bodentiefe, das prinzipielle Verhalten bleibt jedoch konstant. Diesen Zusammenhang haben Vodnik et al. (2006) als erste veröffentlicht.

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Abb. 10.4  Inverses, lineares Verhältnis von Boden-CO2 und Bodensauerstoff. Wenn mit der Bodentiefe die CO2-Konzentrationen in Mofettenböden ansteigen, fallen die Konzentrationen von Sauerstoff parallel dazu ab

10.3 Die pH-Werte in Mofettenböden Der pH-Wert einer Lösung ist definiert als der negative dekadische Logarithmus der Wasserstoffionenkonzentration. Er gibt den Säure- resp. Basengrad einer Lösung an. Da Böden neben der Festphase auch eine Gas- und meist auch eine Wasserphase besitzen, haben auch Böden einen pH-Wert. Wie unter Abschn. 5.2.3 erwähnt, ist CO2 als Anhydrid der Kohlensäure ein potentiell saures Gas und damit in der Lage, die Bodenwasserphase anzusäuern. Dieses Ansäuerung ist natürlich abhängig von der Konzentration an CO2 im Boden, vom CO2-Fluss durch den Boden und von der jeweiligen Pufferkapazität des Bodens (Glinski et al. 2011; Blume und Felix-Henningsen 2009; Kool et al. 2007). Doch auch die Temperatur spielt eine nicht unerhebliche Rolle. Bei Temperaturen über 25 °C ist die Löslichkeit von CO2 deutlich geringer als bei niedrigeren Temperaturen und somit wird weniger potentielle Säure produziert. Werden bestimmte Areale einer Mofette für längere Zeiträume mit hohen Kohlendioxidkonzentrationen durchgast, so muss dies zwangsläufig irgendwann zu einer messbaren Ansäurung dieser Bodenstellen führen. In der Abb. 10.5 sind solche Ansäuerungsstellen im oberen Drittel gut zu erkennen. Hierbei werden pH-Werte gemessen, die mit pH 3,0 –3,3 extrem niedrig sind. Betrachtet man allerdings die restlichen pH-Werte innerhalb der Mofettenschlenke „Little Italy“, so erkennt man, dass durch die jahrzehntelangen Ausgasungen und das

10  Die Böden in Mofetten     125

Abb. 10.5  Vergleich der CO2-Ausgasung in der Mofettenschlenke „Little Italy“ (a) mit den gemessenen pH-Werten des Bodens. Die Stellen niedrigen pH-Wertes in dieser Mofette entsprechen denen mit sehr hoher CO2-Entgasung (b). Pfanz und Rafiq

nahezu permanente Vorhandensein eines bodennahen, trockenen Gas-Sees innerhalb der Schlenke, das gesamte System extrem saure Bodenwerte aufweist. Trotzdem sind die Stellen maximaler CO2-Konzentration sehr gut mit den Stellen minmaler pH-Werte korrelierbar (Abb. 10.5a, b).

10.4 Die Pufferung des Bodens Der pH-Wert der Böden ist naturgemäß von der Pufferkapazität der Böden abhängig (Glinski et al. 2011). Diese ist eine Größe, die darüber Aussagen macht, inwieweit der pH-Wert der Böden bei Zugabe von Säuren oder Basen vom Ausgangs-pH-Wert abweicht. Eine große Pufferfähigkeit des Bodens hält diese Abweichung gering, eine geringe Pufferfähigkeit hingegen führt zu großen Abweichungen. Fällt also saurer Regen auf den Boden, so wird der pH-Wert in Richtung Säure verschoben werden, und zwar umso mehr, je geringer die Pufferkapazität des Bodens ist. Eine Veränderung im pH-Wert des Bodens ist naturgemäß auch zu erwarten, wenn in Mofetten geogenes CO2 vulkanogener oder tektono-seismischer Genese dem Boden entströmt. Das CO2 wird sich gemäß Gleichung (5.1) im Wasser lösen und unter Freisetzung von Protonen dissoziieren. Dies würde in einem schwach gepufferten Boden zu einer Ansäuerung führen (s. o.). Durch Titration von Bodenproben kann man nun die Pufferkapazität eines Bodens bestimmen und damit Voraussagen über den Einfluss potentiell saurer, geogener Gase auf den Boden-pH-Wert machen. Neuere Messungen auf

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einer tschechischen Wiesenmofette (Hartoušov-Süd) haben nun gezeigt, dass extrem durchgaste Böden mit 700–800 µeq H+ g−1 trockener Boden (pH 10−3)−1 sogar relativ hohe Pufferkapazitäten aufweisen können. Weniger belastete Bodenstellen zeigten Pufferkapazitäten von 300–400 µeq H+ g−1 Boden (pH 10−3)−1. Ob diese Daten nur für stark durchgaste Mofettenschlenken mit extremen CO2-Flüssen oder auch für normale Mofetten gelten, muss noch gezeigt werden. Klar ist, dass in Mofettenschlenken die organische Pufferung (Proteine, Aminosäuren, Carboxylgruppen-tragende Säuren, organische Phosphate) durch den Abbau erstickter Tiere gegenüber den Außenbereichen deutlich erhöht sein kann.

10.5 Der Humusgehalt von Mofettenböden Sind Mofettenböden humusreicher oder humusärmer als vergleichbare Kontrollböden? Diese Frage ist nicht einfach zu beantworten. Einerseits wird in Mofetten mit sehr hohen CO2-Flüssen keine Vegetation wachsen können, die beim Abwerfen der Blätter, Absterben der Wurzeln oder dem Tod der Gesamtpflanzen viel Humus hinterlässt. Auch die fehlende Bodenmikrofauna beeinflusst das Vorhandensein organischer Bodensubstanz. An solchen Mofettenstandorten wird man also eher extrem humusarme Böden erwarten. An vegetationsreichen und trotzdem gasenden Bereichen einer Mofette könnte aber ein erhöhter Humusgehalt zu erwarten sein. Die jährlich absterbenden Teile der Bestockung führen zu einer Humusauflage, die jedoch wegen Ermangelung an Sauerstoff kaum aërob verwesen kann. Es kommt nur zu einer partiellen anaëroben Fäulnis, die zu einer gewissen Humusanhäufung führt (Cotrufo et al. 1999).

10.6 Der Mineralstoffgehalt Bei den meisten Untersuchungen von Mofettenböden stellte sich heraus, dass die Mofettenböden eher eine geringere Nährstoffversorgung aufweisen als die sie umgebenden Kontrollböden. Prinzipiell scheinen hypoxische bis anoxische Bodenverhältnisse eine verminderte Humifizierung und Remineralisierung zu erlauben (Cotrufo et al. 1998, 1999; Ross et al. 2000). Untersuchungen an einer tschechischen Mofette ergaben, dass die Stickstoffgehalte des Bodens linear mit dem Kohlenstoffgehalt zusammenhingen.

10  Die Böden in Mofetten     127

Der Kohlenstoffgehalt wiederum war linear mit dem Humusgehalt korreliert (Thomalla 2015). Prinzipiell zeigten sich die Mofettenböden aber als deutlich nährstoffärmer als vergleichbare nicht-gasende Bodenbereiche. Der verminderte Nährstoffgehalt geht auch mit verminderten Redoxpotenzialen im Boden einher. Dies erschwert Pflanzen zusätzlich die Nährstoffaufahme über die Feinwurzeln.

11 Die Bedeutung und Nutzung von Mofetten

Inhaltsverzeichnis

11.1 Wirtschaftliche Nutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 11.2 Die Erbohrung und Gewinnung von CO2-Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 11.3 Die medizinische Nutzung von Mofetten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 11.4 Mofetten und Tourismus – Geo-Biotope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 11.5 Italien – Campi Flegrei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 11.6 Deutschland – Die Vulkaneifel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

Da CO2 sowohl in der chemischen Industrie als auch bei der Farbenherstellung, beim Feuerlöschen, bei der Tierschlachtung und in der Medizin eine Rolle spielt, sind Mofetten naturgemäß auch Orte potentiell wirtschaftlicher Nutzung. An vielen Stellen Europas werden Mofetten daher exploriert und entsprechend genutzt.

11.1 Wirtschaftliche Nutzung Johann Jacobs, ein Hauptlehrer aus Brohl schreibt 1913: … „in Burgbrohl blüht das Kohlensäuregewerbe. An unzähligen Stellen entströmt die Kohlensäure im Brohltal den Erdspalten“. Und Ahrens schreibt 1930, dass Kohlensäure im Brohltal früher in allen Kellern auftrat (siehe auch Kurt Degen 2001). Von diesen Mofetten profitieren noch heute die bekannten Mineralwasserproduzenten der Eifel (von Dechen 1864; Dressel 1871). Über die Nutzung © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2019 H. Pfanz, Kalter Atem schlafender Vulkane, https://doi.org/10.1007/978-3-662-60340-6_11

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von Kohlendioxid in der Gegend um den Laacher See hat Kurt Degen (2001) eine hervorragende Zusammenfassung geschrieben. Doch CO2 hat eine weit überregionalere Bedeutung für die Wirtschaft. Es dient der medizinischen Nutzung, der Feuerwehr zur vorsorglichen Brandverhütung aber auch zur aktuellen Brandbekämpfung, zur Verarbeitung aber auch zur Haltbarmachung von Lebensmitteln, zur Farben- und Arzneiherstellung, zur Entseuchung von Futtermitteln, beim Schutzschweißen u.v.a.m. Bei der Abwasseraufbereitung werden alkalische Abwässer oft durch Behandlung mit CO2-Gas neutralisiert und die neutralen Salze ausgefällt.

11.1.1 Die Gewinnung von Mineralwässern Wer kennt und schätzt nicht die bekannten Mineralwässer der Eifel? Sie sind hochgeschätzte und teilweise weltweit verkaufte Mineralwässer, die ihren Ursprung und natürlich auch ihren Geschmack der Quellkohlensäure der Eifeler Vulkane verdanken. Über die lokalen Mineral- und Heilquellen der Region Brohltal/Laacher See berichten Stoffels und Thein (2000) ausführlich (siehe auch Becker 1950; Meyer 1991; May 1994, 2002). Die mineralreichen Wässer der Eifel waren nachweislich schon den römischen Eroberern bekannt. Viele Beschreibungen und Münzfunde weisen auf diese Tatsache hin (Murken 1991; Degen 2001; Stoffels und Thein 2000). Nach Degen (2001) ist aus dem frühen Mittelalter wenig über die Nutzung von CO2 und Mineralquellen überliefert, wohl aber ab dem 16. Jhdt. Der in Andernach geborene Arzt Johannes Guinterius geht in seinem 1565 erschienenen Werk „Commentarius de balneis at aquis medicatis“ auf verschiedene Heilquellen und deren Verwendung ein und schreibt ihnen einen gustu gratissimus (sehr guten Geschmack) zu (aus Degen 2001). Desweiteren wird berichtet, wie Jakobus Theodorus Tabernaemontanus in seinem 1593 erschienenen „Neuw Wasserschatz“ die Qualität der Wässer im Tönissteiner Tal lobt (Tabernaemontanus 1593; Stoffels und Thein 2000). Neben Holtzemius (1620) und Johannes Hiskia Cavdilusius (1680) die solche Quellen als „… die fürnehmsten teutschen Saur und Gesundheit Brunnen …“ beschrieben, ist Mathaeus Merian (1646, resp. Faksimile1925) der Autor, der in seiner „Topographica“ sehr ausführlich auf diese Phänomene eingeht. Die Liebe zum mittelrheinischen Mineralwasser hat sich über das späte Mittelalter bis in die Neuzeit erhalten (Carle 1975; Murken 1991; Stoffels und Thein 2000; Degen 2001).

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Hier sei ein von Degen (2001) entnommener Text aus Merian (1646) wiedergegeben: … „ein Meil wegs von Andernach nach Saurbronnen, Päuterborn genannt, welcher mit einem solches Getöss herfür quellet, dass man solche auf etliche schritt davon hören kann. Und ob er mal sehr kalt, so brodelt er doch und erhebt sich wie ein siedheisses Wasser, Ist den Bauersleuten sehr lieb, welche er, wann sie von Alter und Arbeit müde und mit Hitz und Durst beladen seyn, wunderlich erquicket“. Jedoch muss hier erwähnt werden, dass bei dem überwiegenden Teil der natürlichen Mineralwasserprodukte das enthaltene CO2 erst einmal entfernt wird, um das Wasser zu „enteisen“ (vom natürlichen Gehalt an Eisen zu reinigen). Das enthaltene Eisen würde sonst nach Öffnung der Flasche oxidieren und als brauner Niederschlag in der Flasche ausfallen. Erst nach dieser Reinigung wird dem Mineralwasser das nötige CO2 wieder zugesetzt.

11.1.2 Herstellung von Chemikalien Becker (1950) gibt eine detaillierte Übersicht über die Verwendung der sog. Quellkohlensäure in der mittelrheinischen Region. Er beschreibt, dass im 19. und beginnenden 20. Jahrhundert weltweit kaum Kohlensäuregewinnung betrieben wurde und in Deutschland das Zentrum der Kohlensäuregewinnung am Mittelrhein um die Ortschaften Hönningen, Brohl und Burgbrohl zu finden war. Eine neuere Beschreibung der Verwendung von CO2 in der chemischen Industrie ist bei Bazzanella et al. (2010) zu finden. CO2 wird demnach bei der Herstellung von Harnstoff, Methanol, cyclischer Carbonate, von Polycarbonaten, Salicylsäure und schlussendlich auch von Polyurethanen verwandt. Die hauptsächliche Verwendung für Quellkohlensäure war früher die Gewinnung von Bleiweiß (Pb(OH)2 x PbCO3), die Herstellung doppeltkohlensaurer Salze und die Herstellung von Bariumprodukten und Nebenerzeugnissen (Becker 1950; Degen 2001). Direkt oder indirekt wurden Schwefelbarium, Bariumcarbonat und andere Bariumverbindungen, Blanc fixe, Perborate, Superphosphate und Schwefelsäure hergestellt. Interessant waren die Industrieansiedlungen direkt an Mofettenstandorten. Man sparte Frachtkosten und vor allem die umständliche Herstellung von Kohlendioxid aus Koks. Der Herstellung von kohlensaurem Barium (Bariumcarbonat) widmeten sich so bekannte Firmen wie die rheinische Kohlensäureindustrie Dr. Bunge & Co, Chemische Fabrik Dr. Kerstiens und die Gustav Rhodius GmbH. In den Jahren 1886 bis 1889 stieg die Kohlen-

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säureproduktion in Deutschland hauptsächlich getrieben durch die sechs mittelrheinischen Firmen von 240 t auf etwa 1000 t pro Jahr (Becker 1950). Lange Zeit waren Bleiweiß und Natriumbicarbonate die Hauptprodukte der Kohlensäurenutzung. Rheinische Mineralfarben waren allenthalben bekannt und gesucht. Die Ausnutzung der Quellkohlensäure für die Gewinnung von Bleiweiß (Pb(OH)2 x PbCO3) folgt einem von Professor Bischof (Bonn) speziell für die Eifelregion angepassten Verfahren. „Die dem Boden entströmende Kohlensäure wurde aus der luftdicht gefaßten Quelle durch ein Pumpwerk angesogen und in einen 4 Meter hohen, und 1,20 Meter breiten, strohumwickelten, hölzernen Turm getrieben. Von der Decke des Turmes tröpfelte der hoch gepumpten Kohlensäure eine konzentrierte Lösung von basisch essigsaurem Bleioxyd entgegen. Der Turm stand in einem Kasten, aus dem das sich bildende Bleiweiß abgelassen wurde“ … (Becker 1950; Walter 1922). Zwischen 3000 und 4500 t Bleiweiß wurden so pro Jahr erzeugt.

11.1.3 Die Herstellung von Trockeneis Unterhalb von 56,6 °C tritt CO2 als Festsubstanz, als sog. Trockeneis auf (Krinninger 2001; Hollemann et al. 2016). Trockeneis (Temperatur: −78,84 °C) geht bei Normaldruck ohne zu Schmelzen, direkt in den gasförmigen Zustand über. Dieses Verhalten nennt man Sublimation. Trockeneis ist ein ideales Kühlmittel, da es eine hohe Kühlkapazität hat und rückstandslos verdunstet (Krinninger 2001). Trockeneis wird neben der Lebensmittelkühlung auch bei der Rattenbekämpfung (Corrigan und Stellberger 2017), beim Anlocken von blutsaugenden Insekten und Spinnentieren (Olkowski et al. 1991; McPhatter und Gerry 2017), beim Entfernen von Warzen (Walczuk et al. 2018), in der Zahnmedizin aber auch als Bühnennebel genutzt.

11.1.4 CO2 bei der Herstellung, Verarbeitung und Haltbarmachung von Nahrungsmitteln Das Schockfrosten durch CO2 während des Zerkleinerns und Vermahlens (vgl. auch Kaltmahlen) von Gewürzen oder Kaffee vermindert den Kontakt der Produkte mit Sauerstoff und verhindert das Verdunsten von volatilen Substanzen (Krinninger 2001). Auch werden die Produkte wie Fisch, Fleisch, Kuchen oder Beeren sofort mit einem Eishäutchen überzogen, welches den ungeregelten Wasserverlust unterbindet.

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Bei der Verpackung von Lebensmitteln spielt CO2 daher ebenfalls eine entscheidende Rolle. Ersetzt man unter der Verpackungsfolie die normale Luft durch reines CO2, so ist der Luftsauerstoff verdrängt und das CO2 wirkt bei Konzentrationen von 20 % darüberhinaus noch bakterio- und fungistatisch (Ooraikul und Stiles 1991; Buchner 1999). Diese Schutzgasverpackungen werden oft bei leicht verderblichen Lebensmitteln (Fleisch, Käse) zur Verlängerung der Lagerdauer eingesetzt.

11.1.5 CO2 bei der Schädlingsbekämpfung Bei der Bekämpfung von Schädlingen kann CO2 im Freien, beispielsweise bei der Bekämpfung von Wühlmäusen, Ratten oder Kaninchen oder auch in Innenräumen, wie bei der Bekämpfung von Kornkäfern in Getreidesilos eingesetzt werden (Banks und Sharpe 1979; Heaps 2006). Hierzu werden die Baue und Tunnel der bodenwühlenden Tiere durch CO2-Einleitung in die Eingänge unter Gas gesetzt. Das schwere CO2 verbleibt in den unterirdischen Höhlen und tötet die Tiere durch die Verdrängung von Sauerstoff oder durch Hypercapnie.

11.1.6 CO2 bei der Brandbekämpfung Wegen seines spezifischen Gewichtes und der dadurch bedingten Verdrängung von Sauerstoff kann Kohlendioxid hervorragend zur Prophylaxe und zur aktuellen Bekämpfung von Bränden eingesetzt werden. CO2 wird bei Bränden eingesetzt, bei denen das Löschen mit Wasser große Schäden verursacht. Aktuelles Löschen von Bränden mit Kohlendioxid hat auch den Vorteil, dass Wasserschäden, die sonst unvermeidlich sind, umgangen werden (Grimwood und Desmet 2003; DGUV 2017a, b). Auch in Räumen mit Elektronik wird das Gas eingesetzt; viele brennbare und brennende Flüssigkeiten sind ebenfalls mit CO2 bekämpfbar. Vorbeugend können bestimmte brennbare Gerätschaften oder auch ganze Räume mit CO2 geflutet werden. Durch die vollständige Verdrängung von Sauerstoff aus diesen Bereichen ist die sauerstoffbedingte Brandgefahr gebannt.

11.1.7 CO2 und die Pflanzendüngung Jedem Botaniker und Gärtner ist seit Priestleys Untersuchungen bekannt, dass man das Wachstum von Pflanzen nicht nur durch Licht, Wasser

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und Nährstoffe fördern kann, sondern vor allem durch die Erhöhung der CO2-Konzentration in der die Pflanzen umgebenden Atmosphäre. Der derzeitige Gehalt der Atmosphäre ist mit 0,041 Vol. % zwar für unser Problem des globalen Treibhauseffektes schon besorgniserregend hoch, für optimales Pflanzenwachstum jedoch noch lange nicht befriedigend. Hier wären Konzentrationen um 0,2 % optimal (Lüttge et al. 2012; Larcher 2001). Dies wissen und nutzen die Gewächshausbetreiber seit langem und beheizen ihre Treibhäuser mit Öl- und Kohleöfen, um eine zwei- bis fünffache Erhöhung der Konzentration von Kohlendioxid zu erreichen. Bei optimaler Wässerung und guter Nährsalzversorgung der Pflanzen ist eine deutliche Steigerung des Ertrages der Lohn. Warum aber sollte erst fossiler Brennstoff verbrannt werden, um zu dem gewünschten Dünge-CO2 zu kommen, wo doch anscheinend CO2 in den Abgasen vieler Betriebe kostenlos zur Verfügung steht. Findige Ingenieure konstruierten daher Gas-Pipelines zwischen den Abgaserzeugern und den CO2-benötigenden Pflanzenbetrieben (Haas 2006; Stützel 2006). Die Abgase einer Rafinnerie bei Rotterdam werden via Gasröhren zu den Gewächshausbezirken im Süden Amsterdams geleitet. Und das Konzept scheint zu greifen. Welch eine vortreffliche Idee, ein Abgas auf solch elegante Weise in einen nutzbringenden Dünger umzuwandeln und dies auch noch gewinnbringend. Im derzeitigen Zusammenhang mit der unterirdischen Entsorgung von CO2 mag die Verwendung dieses Gases als gezielter CO2-Dünger eine bedenkenswerte Alternative sein (siehe unten).

11.2 Die Erbohrung und Gewinnung von CO2-Gas Die ersten Photos von Bohrtürmen zur Ausbeutung von CO2-Gasquellen in der Laacher Region stammen von der Firma Gebr. Rhodius im Brohltal. Hier wurde zwischen 1890 bis 1892 erfolgreich versucht, das Gas in Bodentiefen bis zu 500 m zu explorieren (Photo Degen 2001 Seite 107). Als nach einem Patent von Raydt im Jahre 1880 die gewonnene Kohlensäure verflüssigt werden konnte, war der Durchbruch für die Lagerung und den Transport des Gases gelungen und die Gasindustrie blühte weiter auf. Firmen wie AGEFCO, Air Liquide, Carbo, Gustav Rhodius und Schroer-Walter produzierten und produzieren teilweise noch heute in Gasflaschen

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komprimiertes CO2 in großen Mengen und zwar nicht mehr nur für den heimischen Markt. Kohlendioxid wird heutzutage an vielen Stellen Europas erbohrt und genutzt. Sowohl in Frankreich (Massif Central), in Italien (Toskana und Sizilien), in Griechenland (Florina), als auch in der Eifel (Wehrer Kessel, Brohltal) sind viele Firmen dabei, das Gas aus bis zu 1000 m Tiefe zu fördern. Doch auch in der fränkischen Rhön und am Neckar gab es den gewerblichen Abbau der Kohlensäure. Im Jahre 1911 begann in Burgsinn das AGA-Werk (ehemals Rommenhöller – Bavaria-Sprudel) damit, Kohlendioxid zu erbohren. Doch schon im Jahre 1991 versiegte der Gasnachschub und die Firma wurde abgewickelt. In Eyach (oder Starzach-Börstingen) wurden die Mofetten oft auch „kochende Sulzen“ oder „Börstinger Bläser“ genannt. Trockeneis wurde vor Ort aus CO2 hergestellt, um Lebensmittel beim Überflug der Zeppeline von Deutschland nach Amerika zu kühlen. Schon im Jahre 1897 war die Jahresprodutkion von flüssigem CO2 bei etwa 420 t; gefördert wurde etwa 100 Jahre lang (Maximum 15.000 to a−1; Sannwald 2006; Nienhaus 2012). Die Technik der CO2-Gewinnung hat sich naturgemäß im Laufe der Zeit gewandelt. Zu Beginn bediente man sich halbkugeliger Metallhauben, die auf den ausgasenden Boden gesetzt, das Gas sammelten und über Pumpen abgesaugt wurden (Abb. 11.1). Später bohrte man dem aufsteigenden Fluid entgegen und presste Wasser in die Gegenrichtung. Hatte sich das Wasser mit dem CO2-Gas angereichert, konnte man das Gas dann an der Oberfläche in kleinen Abscheidehäuschen aus dem Wasser rückgewinnen (Abb. 11.2). Die eigentlichen Bohrungen waren um die Jahrhundertwende noch sehr abenteuerlich (Abb. 11.3).

11.2.1 Kampf dem Treibhauseffekt Eine nicht mehr ganz neue Idee ist die Relozierung von Kohlendioxid in den Boden (Holloway et al. 2007). Da man offensichtlich politisch nicht in der Lage ist, den Ausstoß von CO2 weltweit zu erniedrigen oder zu verhindern, versucht man nun, das freigesetzte Gas in irgendeiner Weise „einzufangen“ und dann, zum ewigen Verbleib, in unterirdische Gasspeicher zu pumpen. Dies natürlich in der Hoffnung, dass das Gas dort solange verbleibt, solange die Verantwortlichen auf diesem Globus weilen. Die Idee ist prinzipiell bestrickend: Man hat dem Untergrund die über Jahrmillionen dort gelagerten Kohlenstoffvorräte (Erdöl, Erdgas, Kohle) entnommen. Diese waren dem globalen Kohlenstoffkreislauf vor sehr langer

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Abb. 11.1  Halbkugelförmige Absaugvorrichtung aus Metall zur Gewinnung von geogenem CO2 im Wehrer Kessel (Gelände der Firma Carbo)

Zeit durch Photosynthese, Stoffspeicherung und Kohle- resp. Erdölbildung entzogen worden. Der Kohlenstoff war als fossiles „C“ dem ewigen Kreislauf von Freisetzung und photosynthetischer Refixierung entzogen. Seit der industriellen Revolution hat man aber nun durch Abbau und Verbrennung einen gewissen Teil dieses fossilen Kohlenstoffes wieder freigesetzt und damit der Erdatmosphäre erneut zugeführt. Dies führt naturgemäß zu Problemen. Man denkt da konsequent logisch, wenn man postuliert, dass ein ähnlich großer Anteil an Kohlenstoff wieder dem Untergrund zugeführt werden sollte, um ihn dem atmosphärischen Zyklus wieder zu entziehen (Lewicki et al. 2007; Leung et al. 2014). Bislang haben die Weltmeere einen sehr großen Teil des freigesetzten CO2 absorbiert und chemisch gebunden. Doch auch hier sind die Pufferkapazitäten irgendwann erschöpft (und das Meer ist dabei aus der pH-Balance gebracht). Doch die Speicherung von Gas kann naturgemäß keine einfache Lösung des CO2-Problems sein. Gase entziehen sich schon aufgrund ihrer Gasnatur dem Eingesperrt werden. Druck- und Temperaturunterschiede

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Abb. 11.2  Abscheidetanks für CO2 aus den nach oben gepumpten gashaltigen Wässern. Gelände der Firma Carbo, Wehrer Kessel

lassen Gase durch Risse und Spalten aus ihren vermeintlich sicheren Endlagern unkontrolliert den vorherrschenden Gradienten entsprechend überall hin diffundieren (Holloway et al. 2007). Erdbewegungen und vor allem Erdbeben könnten sich zudem verheerend auf unterirdische Gasspeicher auswirken. Das unkontrollierte Ausgasen an die Erdoberfläche aus den anthropogen erzeugten Mofetten ist ein gefährlicher Prozess. Mehrere Fragen stellen sich. (1) Warum legt man das CO2- Gas nicht in seiner anionischen Form als Hydrogencarbonat oder Carbonat fest? Zusammen mit geeigneten Kationen ist es dann wesentlich einfacher zu handhaben und gegebenfalls auch unterirdisch zu speichern. Oder, noch wirtschaftlicher und Energie-sparender: (2) Warum nutzt man nicht das recycelte CO2 direkt und führt es den vielen CO2-benötigenden Prozessen (ohne Untergrundspeicherung) direkt wieder zu? Warum kann denn aufgereinigtes CO2 nicht zur Brandlöschung oder zur Herstellung von Trockeneis genutzt werden? Warum nicht zur Bekämpfung von Insekten und Nagern in der Silohaltung? Das dadurch eingesparte CO2 könnte man bei der Erbohrung von CO2 einsparen und so evtl. sogar schützenswerte Geo-Standorte erhalten.

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Abb. 11.3 CO2-Bohrungen der Firma Carbo im Wehrer Kessel. Mit freundlicher Genehmigung durch Dr. Krause, Firma. Carbo

11.3 Die medizinische Nutzung von Mofetten CO2 ist ein potentiell gefährliches Gas. Wie schon mehrfach erwähnt, können CO2-Konzentrationen von etwa 5 % bei längerem Aufenthalt gesundheitsschädlich sein. Trotzdem wird trockenes CO2-Gas in weit höheren Konzentrationen beim Menschen angewandt, ohne ihm zu schaden. Ganz im Gegenteil.

11.3.1 Kuren und Balneologie Obwohl Kohlendioxid in hohen Konzentrationen zum Narkotisieren und Töten von Vieh benutzt wird und – wie bereits geschildert – unter Menschen schon nachweislich Opfer gefordert hat, kann es unter kontrollierten

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Bedingungen auch heilsame Wirkung entfalten. Die Bezeichnung Spa auch für Kurorte mit CO2-Trockenbädern, geht wahrscheinlich auf das belgische Kurbad Spa im Tal des Wayai zurück, könnte sich aber auch vom „salus per aquam“, so wie es die Römer begriffen, ableiten. Nach Gehler (1789) wird das CO2 als „Nachahmung von Sauerbrunnen“ jedoch „hauptsächlich in ihrem Gebrauche bey faulen Krankheiten, z. B. Scorbut, Krebsschäden, Geschwüren, bösen Hälsen, bösartigen Pocken, Faulfiebern, Blasensteinen und anderen steinigten Concretionen“ benutzt. „Sie gründen auch theils auf die fäulnißwidrige, theils auf die auflösende Eigenschaft dieser Luftgattung“. Die Balneologie und auch das Vorkommen von Mofetten sind europaweit verbreitet; trotzdem werden Mofettenkuren heutzutage hauptsächlich in Rumänien und Ungarn angeboten. Einer der bekanntesten Orte im transsylvanischen Rumänien ist Covasna. Hier bilden eingefasste und umbaute Mofetten die Heilstätten in denen die eigentlichen medizinischen Anwendungen stattfinden. Auf den angebrachten Treppen sitzen die Patienten je nach Krankheit in verschiedenen Höhen über den bodennahen Gasaustritten. Die gefährlichsten Stufen sind naturgemäß die unteren. Hier ist die Überwachung durch die Ärzte am wichtigsten. Die Patienten beschreiben nach wenigen Minuten ein Wärmegefühl in der Haut. Die Erhöhung der Hauttemperatur ist auch mit Thermofühlern an Fingern, Zehen und der Nasenspitze klar nachzuweisen. Die bessere Durchblutung peripherer Organe und vor allem die Stimulation des Kreislaufs durch Kohlendioxid gelten seit langem als erwiesen (Finžgar et al. 2015; Soki und Csige 2016). Ein ähnlich bekanntes Bad wie das in Covasna ist das Bad Baile Pucioasa Santimbru (das Stinkende Bad) in Csikszentimrei Büdösfürdö im Harghita-Gebirge (Rumänien). Wegen des gleichzeitig emittierten Schwefelwasserstoffes (welcher im ganzen Gebiet den Geruch verfaulter Eier verbreitet) ist dieses Bad jedoch etwas weniger frequentiert als die anderen medizinisch genutzten Mofettenorte in Transsylvanien (Abb. 11.4). Doch auch im deutschen Staatsbad Pyrmont werden Quellgas-Therapien angeboten. Ein vor etwa 200 Jahren in Pyrmont angestellter Heilarzt, Dr. J.P. Seip erkannte ein Gas als Ursache des bis dato unverstandenen Absterbens von Kleintieren. Der Fürst zu Waldeck und Pyrmont ließ an selbiger Stelle später ein sog. „trockenes Schweißbad“ errichten. Es diente zur Indikation gegen „Fußgeschwülste, Gicht und Gliedersteifigkeit“ und noch heute dient es zur Hilfe bei peripheren Durchblutungsstörungen, Coronarinsuffizienz, schlecht heilenden Wunden und allergischen Erkrankungen (Seip 1750).

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Abb. 11.4  Von Kohlendioxidgas durchblubberte Wasserbäder auf einem stillgelegten Kurgelände in Rumänien. (© H. Pfanz 2019)

Im Zusammenhang mit medizinisch nutzbarem Kohlendioxid spielt aber auch Radon eine bedeutende Rolle. Das radioaktive Edelgas Radon wirkt sich in Gelenken und Rücken als Aktivator der Zellneubildung aus und lindert die Schmerzen von Arthrose und Rheuma über Monate. In den Kurbädern (z. B. Bad Brambach) wird Radon während des Badevorganges gut über die Haut aufgenommen, da die CO2-Bläschen ein geeignetes Transportgas für die Radonatome darstellen.

11.3.2 Schlecht heilende Wunden Neben der medizinischen Wirkung des CO2 auf den Blutdruck, die Blutzirkulation und die Erwärmung von Händen und Füßen wirkt CO2 aber auch bei schlecht heilenden Wunden (Gillert und Rulffs 1990; Pratzel und Schnizer 1992; Finžgar et al. 2015). Diese nässenden oder einfach keinen Wundverschluss zulassenden Wunden sind möglicherweise von Bakterien oder Hautpilzen befallen. Die azidifizierende Wirkung dieser Wunden nach mehrfach wiederholten CO2-Trockenbädern scheint zu einer Veränderung der mikrobiellen Besiedelung der Wunden zu führen; auch wird

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die Selbstheilung durch die bessere Durchblutung offensichtlich gefördert. Eine neuere Zusammenfassung über den Einsatz und die Wirkung trockener Kohlensäurebäder ist auch bei Sorg et al. (2012) und Brenke (2012) nachzulesen.

11.4 Mofetten und Tourismus – Geo-Biotope Können trockene Gasaustritte aus dem Boden touristisch attraktiv sein? Auf den ersten Blick wohl nicht. Ein unsichtbares, nicht riechendes, dafür aber möglicherweise tödlich wirkendes Gas scheint nicht wirklich ein Anziehungspunkt für größere Menschenmassen zu sein. Weit interessanter ist es da schon, wenn das aufsteigende Gas zusammen mit Wasser emporströmt oder in Form kleiner Bläschen die Wasseroberfläche erreicht (Ostufer des Laacher Sees) oder blubbernde, saure Quellen und Säuerlinge bildet. Noch spektakulärer ist es natürlich, wenn das Aufsteigen in bekannten, zeitlich kurzen Abständen erfolgt und dann kalte Wasserfontänen mehrere Dezimeter oder gar Meter hoch geschleudert werden. Heißwassergetriebene Geysire sind aus verschiedenen Regionen der Erde bekannt (Strokkur auf Island; Old Faithful im Yellowstone Nationalpark, USA). Durch CO2 getriebene, kalte Geysire oder Sprudel sind weitaus seltener (vgl. auch Heinrich 1910). Hoch interessant sind daher die in der Eifel vorkommenden, ausschließlich durch den CO2-Gasdruck getriebenen Kaltwassergeysire, deren eruptierende Wassersäulen große Höhen erreichen (Namedy bei Andernach, Brubbel bei Wallenborn). Der Namedy-Geysir hält dabei den Weltrekord der höchsten eruptierten Kaltwassersäule; sie liegt bei etwa 60 m. Diese Geysire verdienen den Schutzstatus als Geotop, obgleich sie nicht wirklich natürlichen Ursprungs sind, sondern erbohrt wurden (vgl. Abb. 11.5). Island ist die europäische Insel der Vulkane, der Geysire und Mofetten. Mofetten kommen eigentlich überall auf Island vor, wenngleich eine gewisse Konzentrierung auf der Westseite zu konstatieren ist. Die Halbinsel Snaefellsness zeichnet sich durch ihre hohe Dichte an Mofetten aus. Viele der in den speziellen Karten Islands angegebenen Mofetten sind jedoch eher Säuerlinge. Das „Naturphänomen Dunsthöhle“ in Bad Pyrmont, in der spannende Experimente für Erwachsene und Kinder verständlich vorgeführt werden, ist ebenfalls ein guter Beleg für eine touristische Nutzung von CO2-Quellen. In einem alten Buntsandsteinbruch gelegen, ist die Dunst-

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Abb. 11.5  Der welthöchste Kaltwassergeysir Namedy am Rhein bei Andernach

höhle inzwischen eine der Attraktionen des Staatsbades. Entdeckt wurde sie offenkundig durch Steinbrucharbeiter, denen ab einer bestimmten Tiefe im Steinbruch schlecht wurde und die häufig in Ohnmacht vielen. Von vielen Totfunden von Vögeln und anderen kleineren Tieren wird berichtet (Seip 1750). Seit mehr als 200 Jahren begeistert der Austritt der trockenen Gase die Besucher, die mit schwebenden Luftballons und Seifenblasen die Existenz des schweren CO2-Gas-Sees am Grunde der Höhle wahrnehmen. Auch das Verlöschen von Kerzen durch das nahezu Sauerstoff-freie Gas wird demonstriert (Abb. 11.6). Unser großer Nationaldichter, Johann Wolfgang von Goethe besuchte ebenfalls das Staatsbad und kehrte nach Abfüllen von trockenen CO2-Gas nach Weimar zurück, um in seinem Freundeskreis einige physikalische Exprimente zum Erstaunen der Anwesenden vorzuführen.

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Abb. 11.6  Erlöschende Kerze durch Eintauchen in den trockenen Gas-See in der Dunsthöhle von Bad Pyrmont

11.5 Italien – Campi Flegrei Italien besitzt mehrere hundert Mofetten allein in den Regionen Toskana, Umbrien und Latium. Viele werden gerade kartiert und wissenschaftlich beschrieben. Eine detaillierte Auflistung und Charakterisierung dieser Gebiete ist inzwischen auch im Internet zu finden (vgl. auch Minissale 2004; Chiodini 2008). Auch in den Campi Flegrei gibt es solche geogenen Ausgasungen, die teilweise touristisch erschlossen sind (Pozzuoli, Grotta del Cane). Darüber hinaus sind die Hänge und die nähere Umgebung der italienischen Vulkane teilweise mit Mofetten und Solfataren übersät. Die wohl gefährlichste Mofette in Italien ist aber Mefite d’Ansanto bei Rocca San Felice im Tal des Ansanto. Bereits Vergil beschreibt diese Ausgasung; sie wurde schon immer als Eingang zur Unterwelt betrachtet. Der Ort war offenkundig Mephitis geweiht, der Göttin der üblen Gerüche und Ausgasungen, die gleichzeitig wohl auch eine Göttin von Fruchtbarkeit und Tod war. Viele Kultgegenstände und Opfergaben sind im Santuario gefunden und zurück bis in das 6. Jhdt. v. Chr. datiert worden.

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Zum anderen ist da noch die weit berühmtere Hundsgrotte „Grotta del Cane“ in der Nähe von Pozzuoli/Neapel (Fiore 2012; Halliday und Cigna 2006). Sie ist wohl bei weitem die bekannteste Mofette und der am häufigsten publizierte Ort für den Mofetten-Tourismus. Wie schon oben (Abschn. 8.5.1) beschrieben, ist dieser Ort für seine Erstickungsversuche mit Hunden bekannt (Nollet und Stack 1753; Taylor 1833; Majo 1927; Fiore 2012; Halliday und Cigna 2006). Die Grotta del Cane ist inzwischen in Privatbesitz und kann nur noch sehr selten besucht werden. Die Phlegräischen Felder bei Neapel, von denen die Solfatara touristisch am bekanntesten ist (und innerhalb des Kraters auch einen Campingplatz besitzt), sind ein Gebiet bradyseismischer Aktivität, in denen Mofetten nicht selten sind. Und obwohl der letzte echte Vulkanausbruch in den Phlegräischen Feldern im Jahre 1538 stattfand, finden rezente Absenkungs- und Hebungsphasen des Gebietes noch heute um bis zu 10 m Höhenunterschied statt. Neben Beschädigungen von Gebäuden kommt es häufig zu Entgasungen mit tödlichem Ausgang. Natürlich wird trotzdem fleißig weitergebaut. Das Wachstum des Stadtmolochs in der Bucht von Neapel ist nicht aufzuhalten. Selbst die geschützten Hänge des Vesuv werden trotz Verboten und Warnungen vor der potentiellen Gefahr zunehmend zersiedelt. Man glaubte im Übrigen, dass auf dem Campingplatz inmitten der Solfatara von Pozzuoli keine akute Gefahr für Touristen und Anwohner bestünde, da die potentielle, mittlere CO2-Konzentration der gasenden Mofetten zwar 20 % betrüge (also eigentlich absolut tödlich wäre), die permanent vorherrschende leichte Brise die Gas-Gradienten aber sofort verblase (Martini 1997). Seit September 2017 ist die Solfatara jedoch wegen eines tödlichen Unfalls gesperrt (div. Pressemeldungen), auch weil sich Einbruchtrichter auf den Wegen im Mofetten- und Fumarolenpark ausgebildet haben (Abb. 11.7). Auch auf dem Ätna und natürlich überall auf den Liparischen Inseln findet man eine große Anzahl von Mofetten die von Touristen besucht werden können. Auf der Insel Vulcano, einem Vulkan der zwischen 1888 und 1890 letztmalig eruptierte, entstanden durch Hitze- und Wasserzufuhr zum Vulkansystem seit 1987 neue Spalten und Frakturen und damit einhergehend sehr viele neue Mofetten und Fumarolen. Es besteht daher die Gefahr, dass ein Gasausbruch während der Sommerzeit bei unzureichender Bewindung der Inseln zur akuten Gefährdung von 10.000 Touristen und Einwohnern führen könnte (Martini 1993). In den 80er Jahren sind dort

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Abb. 11.7  Blick auf einen Teil der berühmten phlegräischen Felder (Campi Flegrei) bei Pozzuoli/Neapel. (© H. Pfanz 2019)

zwei Kinder umgekommen. Sie sind hinter ihrem Ball in eine Vertiefung gelaufen und dort erstickt (Baubron et al. 1990).

11.5.1 Tschechien – Soos Gar nicht weit von der deutsch-tschechischen Grenze, in direkter Nachbarschaft zu Franken liegen in Tschechien die Badeorte Franzensbad (Frantiskovy Lazne), Marienbad (Marianske Lazne) und Karlsbad (Karlovy Vary). In und um dieses Bäderdreieck sowie im Tal der Eger und Plesná sind ebenfalls unzählige CO2-Exhalationen nachgewiesen. Touristisch gut erschlossen und ausgesprochen attraktiv ist dabei das Naturschutzgebiet Soos (Broz 1989, https://www.karlovyvary.cz/de/soos). Dieses ist ein mit Mofetten und (Pseudo-) Schlammvulkanen durchzogenes Sumpfgebiet, in dem man vor allem nach Regenfällen die gasenden Mofetten nicht nur hören, sondern durch die Bildung der unzähligen Blasen und gelblichweißen Schaumkronen auch gut beobachten kann (Abb. 11.8a). Neben typischen halophytischen Pflanzen, die an hohe Salzgehalte angepasst sind, sind dort auch einige mofettophile Pflanzen zu finden.

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Abb. 11.8  Schaumbrille an einer Ausgasungsstelle für CO2 in Podhorni Vrh (a). Lineare Anordung von CO2-Entgasungstrichtern neben dem Holzbohlenweg im Naturschutzgebiet Soos in West-Tschechien (b). (© H. Pfanz 2019)

11.6 Deutschland – Die Vulkaneifel In Deutschland vermutet man aktiven Vulkansimus, starke Erdbeben und Mofetten eher nicht. Nun sind Mofetten in Deutschland wirklich nicht überall anzutreffen, doch es gibt sie mancherorts. Man findet sie begleitend in der Nähe von Thermalbädern, dort, wo sich Mineralwasserfirmen niedergelassen haben, doch auch an Stellen, wo man sie eigentlich nicht vermuten würde (vgl. Carle 1975). Sie scheinen weiter verbreitet zu sein als gemeinhin angenommen. Mofetten gibt es beispielsweise in der West- und OstEifel, am Neckar bei Eyach (Lübben und Leven 2018), in Urach, in Franken sowohl im Sinntal in der Rhön sowie im grenznahen Gebiet des Vogtlandes zu NW-Tschechien. Aber auch in Ostwestfalen, wo mit der Dunsthöhle in Bad Pyrmont eine touristisch recht attaktive Mofette existiert (vgl. Abschn. 9.3), sind mehrere Standorte geogener Ausgasungen bekannt. Wie schon beschrieben gibt es in der Eifel viele Stellen, an denen CO2 aus dem Boden austritt. Die meisten von ihnen sind eher unspektakulär und nur für Wissenschaftler von Interesse. Einige sind aber auch touristisch erschlossen und beliebte Ausflugsziele. In seinem Buch Führer zum Laacher See schreibt Steinbach (1880, Nachdruck 2002): „Doch nicht allein dem Sagenfreunde, sondern auch dem Mineralogen öffnet der Laacher See seine Schatzkammern und bietet dem Botaniker seine Sträusse. Steigen wir erst in das Reich der Kobolde und Gnome hinab und wandeln wir

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dem Wege nach, der rings um den See führt …, geht einen Büchsenschuss weit im Buchenwalde ein Waldweg rechts ab am Seegestade vorbei. …. Wir schreiten weiter und kommen an die Mofette, eine frühere Schürfgrube nach Töpferthon, wo sich bedeutende Exhalationen von Kohlensäuren zeigen…“

Doch hat der Berghauptmann und Mineralogie-Professor zu Bonn Jacob Nöggerath von den Mofetten schon 1870 berichtet: „… Der Torf wird jetzt von den Bewohnern der klösterlichen Gebäude, den Jesuiten, zur Feuerung gewonnen. In ihm ist an einer Stelle eine sehr starke Entwicklung von kohlensaurem Gas erkannt worden, eine Mofette, wie man solche Gas-Exhalationen in den vulkanischen Gegenden Italiens nennt. Offenbar hat sie ihren Ursprung nicht im Torfe selbst, sondern in der darunterliegenden Gebirgsart, welche wahrscheinlich Schiefer der devonischen Formation ist. Die Jesuiten haben einen ausgenommenen Raum an dieser Stelle im Torfe mit Steinmauern umsetzen lassen. Und in ihm finden sich von Zeit zu Zeit todte Vögel und andere kleine Thiere, welche von dem kohlensauren Gas erstickt worden sind.“ (Nöggerath 1870, S. 19 ff.).

Er schreibt weiter: …„Eine andere Mofette war von lange her an der Südwestseite des Sees in geringer Höhe über dem Spiegel und unsern des Weges bekannt, welcher um den See führt. Hier findet die Gasentwicklung in einer kleinen, wenig tiefen Grube statt. Das Gas strömte früher sehr stark aus dem Boden, man konnte den Mund in dieser Grube nicht bis auf den Boden hinabneigen, ohne Gefahr zu laufen, erstickt zu werden.“ (Nöggerath 1870, S. 20).

Schon lange sind das Bayer-Loch (siehe Abschn. 13.5.3) oder das Stickloch bekannt; um beide ranken sich teilweise grausame Geschichten. Auf einer etwas höheren Seeterrasse des Laacher Sees liegt versteckt das Stickloch. Diese Stelle war anscheinend den Mönchen des Klosters Maria Laach schon bekannt. Man erzählt sich, dass Jesuiten sowie Benediktiner immer wieder hierher kamen, um nach toten Tieren zu suchen und um das Verlöschen von Kerzen zu beobachten. Unlängst wurden auch mehrere andere Ausgasungsstellen auf beiden Terrassenstufen des Laacher Sees entdeckt, die teilweise sehr stark gasen und entsprechend gefährlich sind. Am Randabbruch des Laacher Vulkansees steigen in der Nähe des Lorenzfelsens Gasbläschen im See auf. Sie sind bei Windstille am besten zu beobachten und sind jedem aufmerksamen Wanderer um den Laacher See bekannt. In Ufernähe gasen sie aus und man kann die Bläschen in Reih und Glied an die Wasseroberfläche ziehen sehen (Abb. 3.3). Teilweise wallt das

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Wasser um die Ausgasungen sogar stark auf. Mehrere hundert Meter lang ist die ufernahe Ausgasungsstelle. In strengen Wintern, wenn der See mit einer Eisdecke überzogen ist, bleiben diese Stellen in der Regel als eisfreie Löcher erhalten (Abb. 3.17; Meyer 1995). In der näheren Umgebung des Laacher Sees finden sich noch viele weitere Ausgasungsstellen. Fündig wird man bei Glees, sowie im Brohltal, einem Tal, das durch seine ehemalige wirtschaftliche Nutzung der Mofetten in Fachkreisen weltweit bekannt war. Doch auch im Pönterbachtal, an den Ufern des Rheins und vor allem im Wehrer und Riedener Kessel gasen viele Mofetten geogenes CO2 aus. Zum Teil werden diese Vorkommen auch heute noch wirtschaftlich genutzt (siehe Kap. 12). Erwähnenswert sind auch die Ausgasungen in der unheimlichen Wolfschlucht, von der Steinbach (1880, 2002) schreibt: „An der alten Klostermühle vorbei führt uns ein Weg in die Wolfsschlucht, wo ehemals der Freischütz seine Freikugeln goss. Das wilde Gebilde der Trassfelsen ist auch wahrlich dazu angethan, einer solchen schauerlichen Phantasie im Volksmunde volle Rechnung zu tragen.“ Wenn innerhalb eines Vulkankessels, wie im Laacher See, sehr viel CO2 ausgast, könnte dies unter bestimmten Umständen zu einer Gefahr für Anwohner und Touristen werden. Seit der Nyos-Katastrophe ist man diesbezüglich sensibler geworden. Doch wie groß ist diese potentielle Gefahr? Nach Angaben von Aeschbach-Hertig et al. (1996) werden pro Jahr etwa 5000 t Kohlendioxid über den Wasserkörper des Laacher Sees in den Talkessel abgegeben. Das Gas gelangt über Entgasungsstellen am Seeboden in den Wasserkörper und wird dort partiell physiko-chemisch gelöst. Die Tiefe des Sees beträgt etwas mehr als 50 m. Die Situation ist somit der des afrikanischen Nyos-Sees sehr ähnlich. Die bemerkenswerte Ähnlichkeit beider Vulkanseen ist bereits von Giggenbach et al. (1991) für die Isotopenzusammensetzung der Gase beschrieben worden. Auch sonst sind einige Parallelen zu sehen. Drei wesentliche Unterschiede zwischen beiden Vulkanseen gilt es jedoch zu beachten. Erstens nimmt man an, dass die Gesamtmenge an Kohlendioxid, die bei der Gaseruption des Nyos-Sees schlagartig frei wurde (Kling et al. 1987, 2015), zwischen 2,4 * 105 und 2,4 * 106 Tonnen lag; dies wäre in wenigen Stunden eine 100 bis 1000-fach höhere Gasfreisetzung als am Laacher See pro Jahr. Zweitens unterliegt der Laacher See jahreszeitlich bedingten Umwälzungen im Frühjahr und im Herbst. Hierbei wird der gesamte Wasserkörper im See umgewälzt (holomiktischer See), wobei es zur partiellen Ausgasung des CO2 gemäß der neu geschaffenen Temperatur- und Druckverhältnisse im See kommt. Drittens ist der Laacher See mit einer

11  Die Bedeutung und Nutzung von Mofetten     149

maximalen Wassertiefe von 53 m bei weitem nicht so tief, wie seine afrikanischen Vettern (Nyos ca. 210 m). Eine Akkumulation von Gasen in überkritischen Konzentrationen ist für den Laacher See daher also wohl eher nicht zu erwarten (vgl. auch Aeschbach-Hertig et al. 1996) und damit eigentlich auch keine Gaskatastrophe wie am Nyos und Monoun-See (Kling et al. 1987, 2015). Sollte die Erwärmung der Atmosphäre jedoch Änderungen im Verhalten der Wasserkörper mitteleuropäischer Gewässer nach sich ziehen, muss nach Faktenlage erneut diskutiert werden. Auch zeigen neuere Messungen der CO2-Freisetzung am Ufer des Laacher Sees sowie über dem eigentlichen Wasserkörper des Sees, dass die Ausgasungen deutlich stärker sein könnten als von Aeschbach Hertig et al. (1996) beschrieben (Dr. N. Perez mündl. Mitt. 2007; Goepel et al. 2014).

12 Die mythisch-ethnologische Bedeutung von CO2-Ausgasungen

Inhaltsverzeichnis

12.1 Mythische Orte und Opferstätten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

Vor geraumer Zeit hat Vitaliano (1973) für die wissenschaftlichen Forschungsrichtungen, die antike Mythologie mit rezenten naturwissenschaflichen Methoden zu beschreiben und zu erklären versuchen, den Begriff Geo-Mythologie geprägt. Dem schlossen sich später auch Piccardi und Masse an (2007). Wir wollen im Folgenden eine Amalgamierung aus Mystik und Archäologie mit Geologie, Biologie und Medizin versuchen und dies Geo-Bio-Mythologie nennen. Dante Alighieri (1265–1321) war wahrscheinlich der erste Autor, der mythologische Orte und deren Geologie miteinander korrelierte (Cantus Inferno XII; XIV and XV). Zirkum-vulkanische Bedingungen, wie Ausgasungen oder große Hitze, schrieb er immer den verschiedenen Orten der Hölle zu.

12.1 Mythische Orte und Opferstätten Schon in (vor-)geschichtlicher Zeit sind Mofettengebiete als heilige Orte genutzt worden. Bei Vergil ist nachzulesen, dass die Irpiner im Santuario di Mefite, einem heiligen Hain bei Rocca San Felice, der Göttin Mephitis huldigten und Opfer darbrachten (Vergilius Aeneis Liber VI ). Viele der © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2019 H. Pfanz, Kalter Atem schlafender Vulkane, https://doi.org/10.1007/978-3-662-60340-6_12

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Opfergaben aus Gold oder Bernstein sind dort wegen der besonderen, Sauerstoff-freien Atmosphäre der Mofettenböden bis heute sehr gut erhalten und im Museum vor Ort zu bestaunen. Der römische Historiker und Geograph Strabon (etwa 63 v. Chr. – 26 n. Chr.), dessen Werke eine Hauptquelle für unser Wissen um die antike Welt darstellen, bezeichnet in seinem Werk „Geographica“ den Krater der Solfatara bei Pozzuoli (bei Neapel) als „Forum Vulcani“, an welchem auch dem römischen Gott Vulcanus gehuldigt wurde. In diesem Krater sind noch heute sehr starke Exhalationen von Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid zu messen. In Kleinasien sind jüngst mehrere Heiligtümer des Höllen- und Totengottes Hades in geogen gasendem Gelände entdeckt und kausalanalytisch beschrieben worden (D’Andria 2003; Pfanz et al. 2014, 2019a, b). Auch in Deutschand und Tschechien sind Orte mit Säuerlingen und Mofettengasen als heilig bezeichnet worden. So beschreibt der Amtsarzt Seip (1750) den Hylligen Born (Heiliger Brunnen) und den hylligen Anger (heilige Wiese). Auch wird wegen des starken Sprudelns, des säuerlichen Geschmackes und der heilsamen Wirkung solcher Standorte von Naturwundern und heiligen Götzen (der Sachsen) gesprochen. Die katholische Kirche hat damals sogar Prozessionen und Wallfahrten an diese Brunnen organisiert (Seip 1750). Diese dienten wohl einerseits der christlichen Präsenz, die diese Stellen vom heidnischen Aberglauben befreien musste, andererseits aber auch der offiziellen Weihe dieser heilsamen Quellen. Offensichtlich haben die Cherusker und Ambronen, sowie die Franken und Sachsen diese sauren eisenhaltigen Wässer bewusst für Magen-Darmerkrankungen benutzt (Plinius d.J, Seip 1750). In Tschechien gibt es in den Regionen geogener Ausgasungen viele Geschichten und Märchen, in denen das Bodengas eine entscheidende Rolle spielt. So wird von bösen Frauen berichtet, die sich hexengleich vorbeikommenden Männern auf die Schultern setzten und bergan tragen ließen oder von Bauersfrauen, die zur Bestrafung in und an Mofetten verbannt wurden. Sie hatten sich geweigert, am sonntäglichen Gottesdienst teilzunehmen.

12.1.1 Orakelstätten Auch das Orakel von Delphi scheint einen Bezug zu geogenen Ausgasungen zu haben. Obwohl sich die Autoren bei der möglichen Gaszusammensetzung im Raum der Seherin Pythia unterhalb des Apollo-Tempels in Delphi nicht völlig einig sind, ist die Präsenz von Gas bei der Trance der

12  Die mythisch-ethnologische Bedeutung von CO2-Ausgasungen     153

Pythien unzweifelhaft (De Boer et al. 2001; De Boer 2019; Etiope et al. 2006). Es gibt zahllose Berichte, in denen sich die Seherinnen des dem Apollo geweihten Tempels vor ihren Weissagungen „Erdgasen“ ausgesetzt hätten und dadurch in Trance geraten wären. Sie saßen dabei auf einem Dreifuß über einer Erdspalte und atmeten die geogenen Dämpfe solange ein, bis sie in Trance fielen (Friese 2010, 2012; Rosenberger 2001). Als geogene Gase werden dabei Ethylen, Methan und vor allem Kohlendioxid diskutiert (De Boer et al. 2001; De Boer 2019; Etiope et al. 2006; Piccardi und Masse 2007; Piccardi et al. 2008; Foster and Lehoux 2007; Mariolakos et al. 2010).

12.1.2 Die antiken Eingänge zur Hölle In der griechischen Mythologie ist die Welt in drei Großreiche unterteilt. Zeus regiert im Himmel, Poseidon im Meer und Pluto (Hades) ist der Chef der Unterwelt. Die Unterwelt der Griechen und Römer lag entweder in nicht erreichbaren astronomischen Fernen, wie zum Beispiel an den Abgründen am Ende der Welt oder eben im Untergrund versteckt. Um dort hinzugelangen erfanden die Griechen geeignete Begräbnisprozeduren. Die Toten mussten dabei bestimmte Flüsse überqueren. Unter ihnen der Fluss Acheron, oder die Flüsse Lethe, Cocytus und Phlegeton im Sumpf des Styx. Hilfe bei der Überquerung erfuhren sie durch Charon, dem Fährmann. Er stakte das Floß mit den Toten über die gefährlichen Flüsse. Als Lohn erhielt er den Obolus, meist eine goldene Münze, die den Toten von ihren Angehörigen unter die Zunge gelegt worden war (Zwingmann 2012). Der Regent der ewigen Dunkelheit war Hades, auch Pluto genannt. Auf antiken Gemälden und in Statuen ist er meist mit einer Eule und dem dreiköpfigen Höllenhund Kerberos dargestellt (Albinus 2000). In dem kleinen Buch der göttlichen Bildnisse wird gesagt: …„homo terribilis in solio sulphureo sedens, sceptrum regni in manu tenens dextra: sinistra, animam constringes, cui tricipitem Cerberum sub pedibus collocabant, et iuxta se tres Harpyias habebat. De throno aure eius sulphureo quatuor flumina manabunt, quae scilicet Lethum, Cocytu, Phlegethontem, et Acherontem appellabant, et Stygem paludem iuxta flumina assignabant.“…. („… eine Angst einflößende Person sitzt auf einem Thron aus Schwefel, ein Reichszepter in seiner rechten Hand und in der linken die Seele eines Verstorbenen erwürgend. Zu seinen Füßen lag Kerberos der dreiköpfige Höllenhund und neben ihm die drei Harpyien. Dem goldenen Schwefelthron entströmten die vier Flüsse Lethe, Cocytus, Phlegeton und Acheron,

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alles Zuflüsse des stygischen Sumpfes …“; so beschrieben in Pluto Mythology; siehe auch Albricus 1742, Raschke 1912; Wolf 1839, 2008; Pepin 1961). Die Unterwelt wird also von dem dreiköpfigen Höllenhund Kerberos (lat. Cerberus) bewacht. Für die Verstorbenen war es daher leicht, in die ewigen Jagdgründe einzugehen. Es gab jedoch kein Entkommen aus der Unterwelt. Die Eingänge zur Hölle wurden von den Seelen der Toten genutzt aber auch von Kranken, die Heilung suchten. Auch als Orte für Orakel und Prophezeiungen eigneten sich diese Stellen. Diese Orte am Abgrund zur Unterwelt zeichneten sich in antiker Zeit meist auch als Orte unerklärlicher geo-biologischer Merkwürdigkeiten aus (Pfanz et al. 2014, 2019a, b). Dämpfe und tödliche Gase entströmten den dunklen Höhleneingängen. Heißen giftigen Gewässern entströmten unverständliche Geräusche oder todbringende Dämpfe. Hinzu kamen Verhaltensänderungen von Tieren in der Nähe dieser Eingänge. Kleinere Tiere lagen verendet vor den dunklen Höhleneingängen. Auch die Vegetation war verändert. Kein Wunder, dass es Hirten waren, die als erste diese Eingänge zur Unterwelt entdeckten. Schafe und Ziegen weigerten sich, in der Nähe zu grasen. Der Pflanzenbewuchs war deutlich verändert. Zeichen, die einem erfahrenen Hirten naturgemäß rieten, diesen Platz als Weidegrund zu meiden. Verstört berichteten die Hirten dann den Priestern von den Vorfällen. Nach eingehender Inspektion erklärten die Priester diese Orte folgerichtig zu Eingängen zur Hölle. Man ließ über diesen Eingängen Tempel und Sanktuarien errichten, um dem Gott der Unterwelt zu opfern. Pluto oder gemeinhin Hades war dieser Gott der Unterwelt (Zwingmann 2012; Vorgrimler 1994; Minois 2000). Auch bei den Etruskern scheinen geogene Ausgasungsstellen als Orte des Eingangs zur Anderswelt gesehen worden zu sein. Als ein Beispiel sei die Caldara di Manziana erwähnt, deren italienischer Name auf Mantus, den etruskischen Gott der Unterwelt zurückgeht (Abb. 12.1). Mantus ist fast eine funktionelle Mischgestalt aus dem griechischen Charon, dem Fährmann der Toten über den Fluss Acheron und Hades, dem Gott der Unterwelt (Jannot 2000).

12.1.2.1 Der Eingang zur Hölle in Hierapolis Die Thermalprovinz Pamukkale liegt in der Türkei östlich des Buyuk Menderes Graben und ist für ihre Thermalquellen und schneeweißen Travertinformationen berühmt. Die ersten Berichte über diesen Ort lieferten Strabo

12  Die mythisch-ethnologische Bedeutung von CO2-Ausgasungen     155

Abb. 12.1  Blick auf die Caldara di Manziana. Sie war bei den Etruskern als Eingang in die Unterwelt dem Gott Mantus gewidmet. (© H. Pfanz 2019)

(XII, 8, 17) und Plinius der Ältere (Nat. Hist. V, 105). Hier liegt auch das Grab des Apostels Philipp (D’Andria 2003). Die antike Stadt Hierapolis wird von einigen geologischen Störungen und Grabenbrüchen durchschnitten, die Teil des West-Anatolischen Grabensystems sind, welches sich von der Ägäis bis nach Zentralanatolien erstreckt (Seyitoglu and Scott 1996; Kaymakci 2006). Hierapolis liegt damit in einer der tektonisch am meisten gestörten Zonen Kleinasiens. Die Region wurde mehrfach von Erdbeben heimgesucht und zerstört (Altunel und Barka 1996; Hancock und Altunel 1997; De Fillippis et al. 2012; Kumsar et al. 2016). Spannend ist nun, dass direkt auf einer dieser Störungen zwei wichtige Heiligtümer der Unterwelt errichtet wurden. Sie waren den Göttern Apollo und Hades geweiht und beide werden als Eingang zur Hölle, als Plutonium, bezeichnet. Das zuerst ausgegrabene Gebäude ist dem Gott Apollo geweiht, besitzt aber im unteren Teil ein Plutonium. Das zweite, erst kürzlich durch Prof. Dr. F. D`Andria ausgegrabene Objekt stellt ein Sanktuarium für Pluto und Kore dar (D`Andria 2013). Dort wurde auch eine große Plutostatue gefunden. Genau diese Stelle wurde in antiken Quellen als Eingang zur Hölle bezeichnet (Zwingmann 2012).

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Abb. 12.2  Ausgegrabener Teil des Sanktuariums des Hades in Hierapolis, Kleinasien. Skizze einer nachgestellten Szene der nächtlichen Stieropferung vor dem Eingang zur Hölle. Zeichnung Lisann Fisch

Merkwürdige Dinge geschahen an dieser mystischen Öffnung. Tödliche Gase entströmten dieser Stelle (Strabo XIII, 4, 14; Bejor 1984). Die lokalen Priester demonstrieren ihre übernatürlichen, gottgleichen Kräfte, indem sie nachts Ziegen oder Bullen an den Grotteneingang führten (vgl. Münze aus Acharaka; von Diest et al. 1913; Abb. 12.2). Schon nach kurzer Zeit zeigten diese Tiere Anzeichen von Sauerstoffmangel. Der Körper vibrierte, die Tiere rangen nach Luft, fielen erschöpft zu Boden und verendeten nach wenigen Minuten kläglich im tödlichen Gas-See. Die kastrierten Priester (Galli) aber überlebten (Strabo XIII, 4, 14, Plinius, Nat. Hist. II, 207–208; Übersicht bei Zwingmann 2012 oder Pfanz et al. 2014, 2019a, b). Der tödliche Gas-See endete zwischen 60 und 90 cm Höhe über dem Tempelboden. Die Nasenöffnungen und das Maul der Tiere lag somit im CO2-See und die Tiere mussten so unweigerlich das tödliche Gas einatmen. Die hochgewachsenen Priester hingegen standen auf Steinen mit ihren Nasen und Mündern weit über dem Gas-See und überlebten so ­problemlos.

12  Die mythisch-ethnologische Bedeutung von CO2-Ausgasungen     157

Die auf den Stufen sitzenden Pilger, die dem Schauspiel beiwohnten, konnten die mächtigen Bullen an dem toxischen Atem des Kerberos sterben sehen, während die Priester, offensichtlich den Göttern gleich, überlebten. Diese Tatsache stärkte die Macht der Priester beträchtlich (Cassius Dio, Epitome 68.27.2 und 3; Zwingmann 2012; Pfanz 2014). Den Priestern war also offensichtlich die physiko-chemische Situation um das tödliche Gas klar und sie konnten sich so schützen. Die wirkliche Natur des Gases kannten sie natürlich nicht; sie hielten es für den tödlichen Atem des Höllenhundes Kerberos (Pfanz et al. 2019a, b).

12.1.2.2 Die Nachkommen von Typhon und Echidna – reine Gasmonster? Die beiden grässlichsten und gefährlichsten Monster der griechischen Mythologie sind Typhon und Echidna. Und sie gebaren in der griechischen Mythologie ebenso grässliche Kinder. Kerberos und Hydra, als Hüter der Unterwelt, sowie die Chimaera, die Sphinx, der zweiköpfige Hund Orthos und mglw. auch der Adler Aithon waren ihre Nachkommen (Hyginus, Fabulae). Es häufen sich in jüngster Zeit Fakten, die einige dieser Monsterkinder in die Nähe geogener Ausgasungen stellen. Beispielsweise erlaubten die Präsenz und die tägliche Varianz der CO2-Konzentrationen vor dem Hades-Sanktuarium in Hierapolis konkrete Rückschlüsse auf das Wesen des Höllenhundes Kerberos. Dessen Atem war tödlich. Die Ausgasung von tödlichem CO2 aus der Öffnung unter den Zuschauerplätzen des Sanktuariums in Hierapolis gibt die entscheidenden Hinweise: Kerberos, der Wächter des Einganges zur Unterwelt, steht für ausströmendes CO2-Gas. Die täglichen CO2-Schwankungen, mit einem tödlichen Gassee nachts und kaum einer gefährlichen Gasschicht während sonniger oder windiger Sonnenstunden machte das Monster Kerberos naturgemäß erst in den dunklen Abend- bis Nachtstunden gefährlich (Pfanz et al. 2019). Ähnlich gelagert scheint der Fall auch bei einem weiteren Nachkommen von Echidna und Typhon, der Chimära, zu sein (Gebhardt 2005). Sie ist laut Hesiod (2008) und Apollodorus (2008) die Schwester des Höllenhundes Kerberos (Strabo XIII, 4, 14) und des Wassermonsters Hydra (Übersichtsartikel bei Pfanz et al. 2014, 2019; Etiope 2015). Homer (Ilias 6, 179–183) beschreibt Chimära als feuerspeiendes Mischwesen aus Ziege, Löwe und Schlange. Nun gibt es in Kleinasien eine Region mit dem Namen Chimaera, in der noch immer brennende Methan-Ausgasungen zu

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besichtigen sind (Etiope et al. 2006; Hosmögormez et al. 2008, Hosmögormez 2007). Das Monster Chimaera würde also für geogene Methanausgasungen stehen. Auch im alkyonischen See, der Zufluchtsstätte der antiken Hydra von Lerna, wurden CO2-enthaltende Gasblasen gefunden. Diese scheinen aber eher organischen Ursprungs zu sein und sind auch eher gering konzentriert. Die abschließende Beurteilung von Hydra mit geogenen Maßstäben ist daher derzeit noch nicht möglich. Hier sollte auch erwähnt werden, dass auch im Bergwerkswesen manche Gase als böse Tiere dargestellt wurden. „Diese Thiere die schrecklich anzusehen und sehr feindlich gegen die Arbeiter gesinnt sind. Da ist ein solch Thier bei Annaberg in der Grube, genannt Rosenkranz, welches zwölf Menschen mit dem Hauche seines Rachens tödtete. Es sprühete seinen Flammenhauch aus, so oft es den Rachen öffnete und erschien gewöhnlich in Gestalt eines Pferdes. In der St. Georgs-Grube zu Schneeberg war eines mit schwarzem Felle, welches Arbeiter in die Luft blies nicht ohne große Gefahr für seinen Körper.“ (Anonymus 1869).

13 Gefahr durch CO2 – Menschliche Tragödien

Inhaltsverzeichnis

13.1 Mammoth – Horseshoe Lake . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 13.2 Djeng-Plateau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 13.3 Afrikanische Vulkanseen: Monoun und Nyos in Kamerun . . . . . . . . . . 161 13.4 Nyiragongo und Nyamulagira . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 13.5 Zwei schauerliche Geschichten vom Laacher See . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

Da in Mofettengebieten die geogenen Kohlendioxidflüsse teilweise sehr groß sein können, stellen solche Gebiete eine potentielle Gefahr für Mensch und Tier dar. Aus der älteren und jüngeren Geschichte sind mehrere Fälle von CO2 -Katastrophen bekannt (vgl. D’Alessandro 2006), die teilweise tausenden Menschen das Leben kosteten. Manche der Berichte sind durch seriöse Quellen eindeutig beweisbar und nachvollziehbar, anderen hängt der Geruch von Mythos, Phantasie und Spekulation an. Letztere sind für Kriminophile naturgemäß am spannendsten. Die Kelten und Teutonen kannten CO2-Quellen und tranken wohl auch genüsslich aus den erfrischenden Säuerlingen. Ob es dabei zu Todesfällen kam, ist nicht überliefert. Auch die Römer kannten und nutzten vulkanische Quellen, allerdings bevorzugten sie die geothermischen, warmen Quellen, in denen sie sich nach kulinarischer Völlerei, gerne erholten (Murken 1991; Stoffels und Thein 2000). In Mitteleuropa sind viele Mofetten schon seit

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langem bekannt, wurden aber nicht genauer untersucht, sondern als Orte des Unheils und des Spukes peinlichst gemieden. Von einigen Autoren wird angenommen, dass auch beim Ausbruch des Vesuvs im Jahre 79 n. Chr. Kohlendioxid im Spiel war und somit einer der Gründe für das Ableben vieler Einwohner in Pompeji und Herkulaneum sein könnte (Bullard 1976; Philips 1993; Martini 1997). Bei den tagelangen Eruptionen wurden große Mengen vulkanischer Gase, unter anderem auch große Mengen Kohlendioxid, freigesetzt. An der friedlich, ja fast schlafenden Haltung der ausgegossenen Gipshohlräume, welche die durch die extreme Hitze verdunsteten Körper der Opfer hinterließen, glaubt man keinen schmerzhaften Todeskampf, sondern ein friedliches Entschlafen zu erkennen (vgl. hier auch die Photos der Nyos-Katastrophe; Stager 1987). In seinem 6. Buch schreibt Plinius an seinen Freund Tacitus über seinen bei Rettungsaktionen verunglückten Onkel …„Ubi dies redditus (is ab eo, quem novissime viderat tertius), corpus inventum integrum, inlaesum opertumque, ut fuerat indutus: habitus corporis quiescenti quam defuncto similior.“… („Nachdem es wieder Tag geworden war – es war der dritte nach dem, den er zuletzt gesehen hatte -, fand man seinen Körper unversehrt, ohne Verletzung, mit derselben Kleidung wie zuletzt. Er glich in seiner äußeren Erscheinung eher einem Schlafenden als einem Toten“… (Philips 1993, S. 37). Dies wäre nur aufgrund der schnellen Wirkung hoch konzentrierten CO2-Gases zu erklären, meint Martini (1997). Wären andere Vulkangase wie HCl (Chlorwasserstoff) oder SO2 (Schwefeldioxid) im Spiel gewesen, hätte man völlig verkrampfte Opfer vorfinden müssen. Einige Einwohner von Pompeji und Herkulaneum könnten also in einer Gaswolke aus Kohlendioxid sehr schnell zu Tode gekommen sein und erst anschließend von heißer Asche und Staub bedeckt, verbrannt und verkohlt worden sein. Kleine Tragödien durch CO2 waren bei den Winzern an der Tagesordnung. Vergaß ein Winzer bei der Gärkontrolle seine Kerze mit in den Gärkeller zu nehmen, und hatte sich schon ein bodennaher Kohlendioxid-See im schlecht belüfteten Gärkeller entwickelt, konnte es sein, dass er im Gärkeller ohnmächtig wurde und eventuell sogar verstarb. Die verlöschende Kerze hätte ihm die Höhe des anstehenden CO2-Gas-Sees sofort vor Augen geführt und er hätte noch nach oben fliehen können. Auch beim Bergbau kam es immer wieder zu heftigen Kohlensäureeruptionen, bei denen auch Bergleute verletzt wurden oder ums Leben kamen (Werne und Thiel 1914). Vor Grubengasen wurde anfänglich mithilfe kleiner Käfigvögel (meist Kanarienvögel; Serinus canaria f. domestica) gewarnt. Diese häufig und gerne singenden Vögel verstummten

13  Gefahr durch CO2 – Menschliche Tragödien     161

o­ffensichtlich sofort, wenn sie in einen Gas-See eintauchten. Ähnliches wurde auch mit Käfigratten versucht. Bei sog. matten Wettern, also in sehr Sauerstoff-armer, mit CO2-oder N2-Gasen angereicherter Atmosphäre, funktionierte das Verfahren recht gut (Pohs 1995). Zur Vorwarnung von Schlagwettern (also Methan-Explosionen) eigneten sich die Tiere weniger gut. Im nahe dem Laacher See gelegenen Brohltal ereigneten sich ähnliche Katastrophen, die auch in Gerichtsakten penibel festgehalten sind (Degen 2001). Durch die Erbohrung von CO2-Quellen wurden die lokalen vulkanogenen CO2-Kammern und -Klüfte in Gestein und Boden so verändert, dass das Gas in die Keller der Häuser eindrang und Tiere und Menschen gefährdete (Abb. 13.1).

13.1 Mammoth – Horseshoe Lake Als in Mammoth am Horseshoe-Lake ganze Kiefernwälder durch CO2-Entgasung abstarben und eine neue Riesenmofette entstanden war, wurden auch Menschen in Mitleidenschaft gezogen. Mindestens ein Mensch fand hier den Tod. Von einem erschöpften Ski-Langläufer wird berichtet, der in eine Schneehöhle fiel, in der sich CO2 befand (Hill 2000; Tab. 13.1).

13.2 Djeng-Plateau Auf dem Djeng-Plateau in Indonesien ereignete sich am 20. Februar 1979 eine heftige phreatische Eruption, die neben großen Dampfmengen auch zu einer enormen Freisetzung von CO2 führte. 142 Menschen, die in der Nähe der Exhalationsstelle wohnten, starben, da sie in Panik zu einer tiefer gelegenen Stelle geflohen waren, an der die unsichtbare CO2-Wolke über sie hinwegzog und sie tötete (Le Guern et al. 1982).

13.3 Afrikanische Vulkanseen: Monoun und Nyos in Kamerun Ähnliche Tragödien, wenngleich in ungleich größerem Maßstab als auf dem Djeng-Plateau, spielten sich im afrikanischen Kamerun ab. Am 15. August 1984 am Monoun-See (37 Tote) und später am 21. August 1986 am NyosSee kamen 1700 Menschen durch geogenes CO2 ums Leben. Beide Seen

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Abb. 13.1  Schriftliche Kopie eines Aktenauszugs aus Gerichtsakten eines „CO2-­ Verfahrens“ im Brohltal

sind Kraterseen von teilweise über 200 m Tiefe. Unterhalb des Seebodens entgast Kohlendioxid und wird im kühlen Wasser der tiefen Seen gelöst und somit für längere Zeit gespeichert. Da diese tropischen Seen keine

13  Gefahr durch CO2 – Menschliche Tragödien     163 Tab. 13.1  Auflistung von Katastrophen und der Opferzahlen durch Mofettengas. (Nach Werne und Thiel 1914; Gambino 1991; Martini 1997; Hill 2000; Simper 2005; D’Alessandro 2006; Chiodini et al. 2008; Carapezza et al. 2008 und anderen bewiesenen und unbewiesenen Quellen. Es sind sehr viel mehr CO2-Unfälle bekannt als in der Tabelle aufgelistet sind) Jahreszahl

Ort

Land

Opfer

79 n. Chr.

Pompeij, Herkulaneum Mefite D’Ansanto Laacher See Niederschlesien Karthala Nord d `Alais u. a. Monoun-Kratersee Nyos-Kratersee Djeng-Plateau Horseshoe Lake

Italien

Mehrere hundert

Italien Deutschland Polen Saudi-Arabien Südfrankreich Kamerun Kamerun Indonesien, Java Mammoth, USA

Tavurvur Mefite D’Ansanto Hakkoda Albaner Berge Nyiragongo Albaner Berge

Papua-Neuguinea Italien Japan Italien VR Kongo Italien

Neun Personen Mehrere Mönchea 17 Bergarbeiter 17 ca. 40 Bergleute 37 1700 142 Eine (zwei) Person(en) Sechs Personen Drei Personen Drei Soldaten Zehn Personen Mehrere Personen Mehrere Personen

Solfatara/Pozzuoli

Italien

Drei Personen

17.–18. Jhdt 1864–1873 1894–1913 1903 1906–1910 1984 1986 1979 1978–2003 1990 1990iger Jahre 1997 1999 Seit 2002 Zwischen 2000 und 2017 2017 aDer

Tod der Mönche ist nicht eindeutig geklärt. Nach offiziellen Stellen verstarben die jungen Männer an Tuberkulose und anderen Krankheiten. Da die Jesuiten ein Gebäude auf einer Mofette errichtet hatten, ist der Tod durch Mofettengas jedoch nicht gänzlich auszuschließen

z­ weifache jährliche Durchmischung (Holomixis) durchmachen, wie die Seen unserer Breiten, kann es dort zu einer extremen Übersättigung des Tiefenwassers mit CO2 kommen. Aus der stark übersättigten Lösung gaste dann 1986, ausgelöst durch ein leichtes Erdbeben mit anschließendem Erdrutsch, das Kohlendioxid schlagartig aus dem See aus und floss langsam über den Kraterrand die Hänge des Vulkans hinab. In den Dörfern und in den einzelnen Gehöften, die teilweise illegal am Hang gebaut worden waren, starben alle Einwohner nebst ihrem Vieh (Stager 1987; Barberi et al. 1989; Baxter und Kapila 1989; Sigvaldson 1989). Erstaunlicherweise blieb die gesamte Vegetation anscheinend völlig unberührt; von keiner oder nur geringer Beschädigung der krautigen Pflanzen oder der Bäume wurde berichtet (Lockwood 1986). Prof. Barberi, der kurz darauf die Unglückszone besucht hatte, berichtete, dass als Folge des Todes aller Tiere dort eine absolute und unheimliche Stille herrschte (D’Alessandro pers. Mitt.).

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13.4 Nyiragongo und Nyamulagira Der Nyiragongo ist im Jahre 2002 erneut eruptiert; dabei wurden mehrere Millionen Tonnen Lava freigesetzt. In der Umgebung des Vulkans sind dabei sehr viele neue Entgasungsstellen entstanden, sowie alte Mofetten reaktiviert worden. Diesen entströmt CO2 in großen Mengen. Man nennt die Gaswinde „Mazukus“ (Winde des Bösen) oder im englischen „Evil’s Winds“. In Windrichtung der Mazukus und in den Mazuku-Schlenken werden allenthalben Tierleichen aber auch Menschen gefunden (Vaselli et al. 2002/2003; Smets et al. 2010).

13.5 Zwei schauerliche Geschichten vom Laacher See 13.5.1 Der Tod der jungen Mönche Wenngleich ein noch nicht völlig geklärter Streitpunkt, so könnte es doch auch am Laacher See Tote durch Mofettengas gegeben haben. Mehrere junge Mönche starben in kurzen Abständen eines mysteriösen Todes. Ein am Ostufer des Laacher Sees von Jesuiten erbautes zweistöckiges Haus, Jesuiten-Villa (Villa trans lacum) genannt, war der mögliche Ort des ominösen Geschehens. Die Reste des Gebäudes bestehen noch heute; man findet die 30–50 cm hohen Grundmauern der Villa trans lacum inzwischen mit Moos bewachsen (Abb. 13.2). Aus den Akten der Jesuiten geht die Planung und Fertigstellung dieses Gebäudes hervor. In den „Consultationes“ vom 20. Februar 1870 hält der Protokollant folgendes fest: „Cum Nickenichenses consentire noluerint in commutationem propositam, et ex altera parte supradictus architecta exclamaverit, posse solidum aedificium in nostro fundo aedificari, delineatio hujus aedificii proposita est, quae omnibus placuit. Movebatur tamen quaestio, an refectorium tam amplum sit construendum, ut praeter patres omnes scholasticos possit excipere, item, an muri ad eam altitudinem essent educendi, ut postea si vellemus, supra refectorium et in altera parte supra „…“dormitoria possent construi. Omnes tandem conveniebant ut refectorium patribus et scholasticis omnibus, numero circiter 140, locum praebere deberent, murique ad dictam altitudinem essent educendi …“.

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Abb. 13.2  Die Reste der ehemaligen Villa trans lacum (Jesuitenvilla) am Ostufer des Laacher Sees (© H. Pfanz 2019)

Nach längerer Planung (und wegen größerer Probleme mit den beteiligten Baufirmen auch längerer Bauzeit) wurde die Villa in den Jahren 1871/72 schließlich vollendet. Am Ostufer des Laacher Sees war ein großer, zweistöckiger Gebäudekomplex von 80 m Länge und 10 m Breite auf der ersten Seeterrasse in den Jahren 1871 bis 1872 errichtet worden (Pfanz 2008). Erwähnung findet die Villa auch bei Steinbach (1880, resp. 2002). Nach der kurzen Beschreibung einer Mofette am Ostufer des Laacher Sees, die als Tongrube zum Abbau von Töpferton verwendet wurde, schreibt er … „Wir schreiten an der neuerbauten Villa vorbei und bald stoßen wir auf mächtige, wenig poröse, aber dennoch schlackige Basaltfelsen.“ In der Nähe der Mofette … „findet man fast immer kleine todte Vögel, die dort vielleicht ihr Futter suchten und von dem unheimlichen Athem getödtet wurden“. Steinbach erwähnt hier auch die Sage, dass … „kein Vogel über den See fliegen könne, ohne in seinen Schlund hinabgezogen zu werden“. Wenngleich dieses Zitat antiken Geschichtschreibern zuzuordnen ist (Vergilius 2005), die eigentlich einen anderen See (Lago Averno; siehe dort) meinten, so gilt doch, dass die Lage der Jesuiten-Villa am Laacher See als ein unheimlicher Ort angesehen wurde. An dieser Stelle haben die Jesuiten nach Ton

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gegraben, eine Art Garten angebaut, Pilze gesucht, gebadet, geangelt und offensichtlich auf ihrer Kegelbahn im Erdgeschoss des Hauses Entspannung gesucht. Das Haus hatte sogar eine eigene Bootanlegestelle mit Steintreppen, die hinunter zum Seeufer führten. Teile dieser Steintreppe sind noch heute erhalten und am Seeufer zu sehen. Laut R. Degen und W. Müller (2004/2005) war die Ausbildung der Jesuiten hart. Immer donnerstags zog es die jungen Mönche aus ihrem Kloster an das Ostufer des Laacher Sees, um in der Jesuiten-Villa Exerzitien abzuhalten und auch etwas Freizeit zu genießen. Die Mönche ruderten vom Kloster über den See. Sie freuten sich auf die Exerzitien und auf das gemeinsame Bad im See. Beim Ausstieg aus den Booten und beim Baden betrachteten sie die kleinen Gasbläschen, die vom Seeboden aufstiegen. Einige Ordensbrüder besuchten wohl auch das sog. Stickloch, wo man tote Vögel und Kleinsäuger fand und sich an Experimenten zum Löschen von Kerzenflammen durch das aus dem Loch austretende Gas erfreute. Man spekulierte über die Art des Gases und dessen Herkunft. Manch ein Pater lag am nächsten Morgen tot im Bett. „Fehlte da beim Morgengebet wieder einmal ein Klosterschüler und der Präfekt ging in dessen Kammer, um den Langschläfer zu wecken, so lag dieser friedlich, wie schlafend da, doch er war entschlafen. Bald darauf fand man wiederum einen Ordensschüler tot in seiner Bettstatt“ (nach Müller aus Degen 2004/2005). Siebzehn Patres starben in den Jahren 1864 bis 1888, wobei während der Bau- und Planungsphase (um 1870) und der Vertreibung der Jesuiten zwischen 1872 und 1873 acht Mönche verstarben. Der Erlass der Bismarckschen Gesetze am 4. Juli 1872 verbot den Jesuiten den weiteren Aufenthalt in Deutschland. Nach Degen (2004/2005) häuften sich die Todesfälle immer bei düsteren, nebeligen Wetterlagen. Da zur selben Zeit die Tuberkulose im Kloster grassierte, glaubte man an einen „normalen Tod durch Tuberkulose“ und setzte die jungen, teilweise 27 bis 30-jährigen Mönche im Friedhof des Klosters Maria Laach bzw. in der Totengruft der Nikolaus-Kapelle bei (Abb. 13.3). Seit dieser Zeit grassieren viele Gerüchte und Spekulationen über das geheimnisvolle Ableben der jungen Mönche. Neben der von den meisten heute im Kloster Maria Laach lebenden Benediktinern angenommenen Tuberkulose-Theorie ist aber ein Erstickungstod der Ordensschüler durch Mofettengas nicht wirklich eindeutig auszuschließen. Da Kohlendioxid kein aggressives oder stark reizendes Gas ist, erstickten die Schlafenden ohne Krämpfe und boten den oben erwähnten Eindruck „der friedlich Schlafenden“. Ähnliches ist für die Toten beim Ausbruch der Kohlendioxidwolke über dem kamerunischen Nyos-See beschrieben (Le Guern et al. 1992). Da

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Abb. 13.3  Teile der Gruft mit den Gräbern der verstorbenen Jesuiten. Benediktinerkloster Maria Laach

die Patres und Fratres der Jesuiten am Laacher See immer donnerstags ihren freien Tag hatten, würde man eine Häufung der direkten Sterbefälle jeweils mittwochs bis freitags vermuten. Von allen acht Verstorbenen verschied eine Person an einem Donnerstag, vier weitere verstarben an einem Mittwoch. Inzwischen ist bekannt, dass Menschen nach einer gefährlichen CO2-Intoxikation nicht zwingend direkt sterben müssen, sondern dass bei subletalen Konzentrationen, (Hirn-) Schädigungen bis hin zum Tode auch noch nach längeren Verzögerungen eintreten können.

13.5.2 Die Plausibilitätsfrage Eigene Messungen, die im Jahre 2006 stattfanden, zeigen noch heute sehr hohe CO2-Konzentrationen im Boden unterhalb und neben dem Gebäude (Abb. 13.4). Unter der hinteren, rechten Gebäudebegrenzung konnten damals bis zu 70 % CO2 in nur 20 cm Bodentiefe gemessen werden. Die „Villa“ hatte einen gestampften Boden, teilweise mit Steinbelag. Dieser war naturgemäß nicht gasdicht, so dass das geogene CO2 leicht von unten in das Gebäude eindringen konnte. Bei entsprechender Witterung und vor allem bei Windstille konnte das Gas so in die unteren Räume der Villa gelangen. Personen, die dort am Boden saßen oder in Betten nächtigten, wären, ohne

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Abb. 13.4  Darstellung der CO2-Konzentrationen in verschiedenen Bodentiefen unter der Jesuitenvilla. Der Beobachter blickt vom Rundwanderweg am östlichen Seeufer in Richtung Kraterrand. Die Vorderseite des Hauses ist aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen. Die höchsten Konzentrationen wurden im hinteren, rechten Teil des 80 m langen Gebäudes gemessen. Am Boden sitzende Personen waren hochgradig gefährdet. Blaue Farbtöne zeigen geringe CO2-Konzentrationen (bis 20 %) an, grünlich-gelbe Töne stehen für CO2-Konzentrationen bis zu 40 %; hohe bis sehr hohe Konzentrationen (bis 80 %) sind durch orange-rote Farben gekennzeichnet (© H. Pfanz 2019)

es zu merken, einem potentiellen Sauerstoffmangel ausgesetzt worden. Sie könnten dabei im Schlaf erstickt sein. Um zu klären, ob und wie schnell das Mofettengas in die Jesuitenvilla eingedrungen sein könnte, wurden Simulationsmessungen in einem kleinen Holznachbau der „Villa trans lacum“ durchgeführt (Pfanz et al. unveröffentlicht). Das Modell hatte, wie auch das Vorbild, keinen gasdichten Boden. Die Höhe des Holzmodells lag bei 60 cm. Die 40 cm breite Giebelwand hatte zwölf Bohrungen im Abstand von 5 cm (Abb. 13.5a). Hierdurch konnten CO2-Messsonden in das Innere des Gebäudes eingeführt werden, um die jeweilig vorherrschende CO2-Konzentration in Abhängigkeit von der Zeit exakt zu bestimmen. Man erkennt, dass CO2-Konzentrationen um 20 % im Modell in einer Höhe von 50 cm über dem Boden schon nach etwa drei Stunden erreicht waren (Abb. 13.5b). In 30 cm Höhe dauerte es nur ca. 2,5 Std und in 20 cm Höhe war diese Konzentration bereits nach 70 min erreicht. In etwa 10 cm Höhe stellten sich schon nach einer halben Stunde die tödlichen 20 % ein. Direkt am Boden waren nach 5 h schon 40 % CO2 messbar.

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Abb. 13.5  Holz-Imitation der Jesuiten-Villa am Ostufer des Laacher Sees. Das Holzhaus diente Messungen zur CO2-Infiltration in Gebäude auf dem Gelände der Ruine der Villa trans lacum (a). CO2-Konzentrationen in einem verkleinerten Nachbau der Jesuiten-Villa. Das Holzhaus wurde am linken hinteren Ecke der Ruine platziert; die Gaskonzentrationen wurden im Fünf-Minuten-Zyklus abgelesen (b) (© H. Pfanz 2019)

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Natürlich ist das kein quantitativer Beweis zu möglichen gefährlichen Konzentrationen in der eigentlichen Villa der Mönche. Hierfür müssten auch die damaligen Bodengasflüsse bekannt sein, die sowohl höher als auch niedriger als die heutigen Gasflüsse gewesen sein könnten. Auch muss mit den exakten Raummaßen im Untergeschoss des Gebäudes gerechnet werden. Auf dieser Grundlage wären dann die Geschwindigkeiten der CO2-Konzentrationserhöhungen in bestimmten Räumen abschätzbar. Offene oder geschlossene Türen, geöffnete Fenster, Leckagen in den Wänden oder Luftzug und vieles mehr wäre zusätzlich zu berücksichtigen. Auch sind der CO2-Bodenfluss bzw. die CO2-Konzentrationen unter der Villa sehr inhomogen, so dass die Nutzer der Villa nicht an jeder Stelle dem gleichem Gefahrenpotenzial ausgesetzt gewesen wären. Trotzdem zeigen die Ergebnisse eindrucksvoll, dass noch heute in und um die Jesuiten-Villa bei Windstille durchaus respektable Kohlendioxidkonzentrationen vorherrschen können, die zu Atemnot, Schwindel, Ohnmacht oder gar dem Erstickungstod führen können. Aus den Diarien und den Elogiae Defunctorum lässt sich nichts wirklich Aufschlussreiches entnehmen. Der von den Jesuiten und Benediktinern mit Nachdruck proklamierte Tod durch die damals grassierende Tuberkulose steht im klaren Gegensatz zu dem möglichen Tod durch das Mofettengas. Eine endgültige Klärung könnte gegebenenfalls durch die Exhumierung der Toten und die Untersuchung der Knochen auf Anzeichen von TBC-induzierten Veränderungen erreicht werden. Da letzteres wahrscheinlich nicht untersucht werden wird, bleibt das Ableben der Mönche weiterhin ein Mysterium, verhüllt durch den geheimnisvollen Mofettennebel des Laacher Sees.

13.5.3 Das Bayer-Loch am Laacher See Eine zweite, nicht minder spannende Begebenheit schildert Hörter (1992). Er zitiert Beschreibungen von Carl Wilhelm Nose, einem Arzt und Naturforscher (Orographische Briefe; 1789 und 1790), nach dem eine Höhle an den Randhöhen des Laacher Sees existiert, in welcher Räuber ihr Versteck hatten. Diese Höhle wurde später von den Mönchen in Maria Laach zur Gewinnung von Tuffsteinen für Bauzwecke genutzt (vgl. auch Steinbach 1880). Die jetzt kaum mehr zugängliche aber einstmals geräumige Höhle wurde Bayer-Höhle (specus dicta Bavarica) oder Bayer-Loch (auch Beierloch, Beirloch, Beyerloch) genannt. Sie ist auf einer Karte des Laacher Sees von 1871 als Beiersloch markiert (Dressel 1871); der Zugang zur Höhle ist bei Steinbach (1880) und Erkers (1932) beschrieben (nach Hörter 1992).

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Mittlerweile ist der Zugang der Höhle großenteils verschüttet. Um diese Höhle rankt sich eine schaurige Begebenheit. Im Jahre 1749 wurden in Koblenz zwei Halunken inhaftiert, die Raubzüge und einen Mord am Laacher See gestanden hatten. Sie hätten am Laacher See einen fränkischen Krämer beraubt, in die Höhle geschleppt und dort erdrosselt. Eine Delegation bestehend aus mehreren Schöffen, zwei ortsansässigen Ärzten, sowie dem Schultheiß wurde gebildet und an den Ort des Geschehens gesandt. Der Leichnam wurde gesucht und alsbald gefunden. Klosterknechte exhumierten das Opfer, welches zum Entsetzen der Anwesenden noch völlig unzersetzt war. Nach eingehender Untersuchung wurde die Leiche im Klosterfriedhof in Maria Laach beigesetzt. Es wird leider nicht berichtet, wie lange die Leiche im Boden gelegen haben mag. Dies würde natürlich helfen, die schauerliche Erscheinung zu deuten. Eine nach Wochen noch unzersetzte Leiche kann eigentlich (neben einer sehr kühlen Jahreszeit!) nur eine Erklärung haben – das Grab lag in einer anaëroben Umgebung. Da auszuschließen ist, dass es im steilen Randgehänge des Laacher Sees hohes Stauwasser gegeben hat, bleibt nur eine weitere Erklärung des Phänomens: Es könnte sich um eine Beisetzung im Ausgasungsbereich einer Mofette gehandelt haben. Eigene Nachforschungen mit Kollegen am vermeintlichen Bayer-Loch (2014) ergaben im Außenbereich der Höhle keinerlei CO2-Anomalitäten. Die gemessenen Konzentrationen entsprachen mit maximal 2–4 % einer normalen CO2-Konzentration humoser Waldböden. Der Höhleneingang war allerdings durch Hangrutschungen verschüttet, so dass Messungen im Inneren der Höhle nicht möglich waren.

14 Mofexotisches und Mofetto-Pareidolie

Inhaltsverzeichnis

14.1 Gefangene Bläschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 14.2 Der Spritzstein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 14.3 Bläschenspiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 14.4 Der Untergang der griechischen Wiesen-Insel Mikro-Mephitos (μικρό μεϕίτος) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 14.5 Mofety Guláš . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 14.6 Blässhühner, Wildschweine und Wapitihirsche . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 14.7 Die Mais La Ola – Welle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 14.8 CO2 macht dick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 14.9 CO2 macht sexy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 14.10 Der Papst und die Mofetten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 14.11 Blasphemisches Kohlendioxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 14.12 Pareidolie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

In diesem Kapitel sollen nicht völlig erklärbare oder nur teilweise verstandene Phänomene rund um Säuerlinge und Mofetten vorgestellt werden. Es könnte sogar sein, dass manche Phänomene naturwissenschaftlich gar nicht greifbar oder schlussendlich beweisbar sind. Geysirartig spritzende Steine, Seifenblasen, durch welche spitze Zweigenden und Knospen stechen, ohne dass es zum schnellen Zerplatzen der Blasen kommt, versinkende Wieseninseln, eine etwas unappetitliche Gulaschsuppe oder Blässhühner und Wildschweine, die mit Kohlensäure spielen, werden vorgestellt.

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2019 H. Pfanz, Kalter Atem schlafender Vulkane, https://doi.org/10.1007/978-3-662-60340-6_14

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14.1 Gefangene Bläschen 14.1.1 Die Eisdecke und das CO2-Gas Bei extremer Kälte friert die Oberfläche von Stillgewässern im Winter zu. Es bildet sich eine mehr oder weniger dicke Eisdecke. Bei bewegtem Wasser ist dies jedoch anders. Bei Fließgewässern oder bewegter Wasseroberfläche wird die Bildung einer Eisdecke verzögert oder völlig verhindert. Das Durchund Ausperlen von CO2-Bläschen in mephitischen Gewässern behindert ebenfalls lokal die Eisbildung. Je nach Außentemperatur und Stärke des Bläschenflusses kann man dann unterschiedliche, meist aber rundliche Aussparungen in der Eisdecke erkennen (Abb. 3.17). Manchmal werden aber auch Gasbläschen unter- und innerhalb einer schon gebildeten Eisschicht festgehalten (Abb. 14.1a, b).

Abb. 14.1  Während des Aufstieges eingefrorene Gasbläschen in einer Wasserpfütze (a) und CO2-Bläschen unter einer Eisdecke (b). Auskristallisierte Carbonatsalzdecke auf einer flachen Pfütze (c). Unterhalb der dünnen, durchsichtigen Carbonatschicht sind die sich stauenden CO2-Gasbläschen zu sehen (d). Thermes de Sainte-Marguerite bei St. Maurice-es-Allier (Puy-de-Dôme) (© H. Pfanz 2019)

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14.1.2 Die Carbonatkruste In den französischen Thermes de Sainte-Marguerite bei St. Maurice-esAllier (Puy-de-Dôme) sieht man viele Pfützen und überschwemmte Böden auf denen sich eine durchsichtige Kruste befindet. Diese Kruste besteht aus Carbonatsalzen und hat sich durch die Verdunstung von Oberflächenwasser gebildet. Diese transparente Carbonatschicht ist leichter als Wasser und flottiert auf den Pfützen. Da sie aber undurchlässig für Gase ist, akkumulieren unter dieser Schicht die weiter aus dem Boden perlenden CO2-Bläschen (Abb. 14.1c, d).

14.2 Der Spritzstein An einem Mofettenstandort am Fuße des italienischen Vulkans Monte Amiata kann man ein interessantes Schauspiel beobachten. An einer stark CO2-emittierenden, feuchten Stelle liegt ein Travertinblock, offensichtlich gasdicht, direkt auf dem Boden. Dieser Stein ist so porös, dass Gas-gesättigtes Wasser durch bestimmte Kanäle im Stein gedrückt werden kann. Dies geschieht in Minutenabständen. Wie bei allen anderen Kaltwassergeysiren, schießt nun CO2-übersättigtes Wasser bis zu 50 cm nach vorne aus dem Stein. Nach wenigen Sekunden versiegt der Wasserstrahl wieder. Dieses rhythmische Schauspiel ist stundenlang zu beobachten: Druckaufbau über die Gassättigung unter dem Stein und Verspritzen des Wassers aus dem Stein via Druckentlastung (Abb. 14.2).

Abb. 14.2  Geysirartig spritzender Travertinstein am toskanischen Vulkan Monte Amiata. Im Ruhezustand (a) und während der Eruption (b) (© H. Pfanz 2019)

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14.3 Bläschenspiele Da CO2 spezifisch schwerer als Luft ist, bildet sich bei höheren CO2-Konzentrationen in Dellen und Schlenken ein CO2-See (vgl. Abschn. 5.2.5 und 9.2). Dieser hat einen mehr oder weniger scharfen und harten Übergang zur Normalluft. Ist der Konzentrationsübergang zwischen den beiden Phasen bei Windstille recht scharf, kann man Seifenblasen auf dieser Interphase flottieren lassen (Abb. 14.3). Dies wurde und wird in Schauhöhlen, wie der Grotte de la Chien oder in der Bad Pyrmonter Dunsthöhle täglich demonstriert.

14.3.1 Das Flottieren von Seifenblasen Seifenblasen, die mit normaler Atemluft gefüllt sind (CO2-Konzentration um 4,5 %), flottieren auf der Oberfläche von konzentrierten CO2-Gas-Seen (Abb. 14.3). Dies hängt naturgemäß mit ihrer geringeren Dichte gegenüber dem Gas-See zusammen. Da die Seifenblasen, die nun auf der Interphase zwischen dem dichteren CO2 und der etwas leichteren Luft flottieren, im direkten Kontakt zum hohen CO2 von unten stehen, nehmen sie durch Diffusion sehr rasch weiteres CO2 auf. Dadurch werden sie im Laufe der Zeit schwerer und sinken langsam nach unten. Die Seifenblasen platzen meist auf dem Weg nach unten, noch bevor sie am Boden ankommen.

14.3.2 Veränderungen der Seifenblasenhaut Merkwürdigerweise verändern die Seifenblasen aber sehr rasch ihr Verhalten auf der CO2-Gas-Oberfläche – sie werden offensichtlich robuster. Sie erlauben manchmal sogar das Durchströmen eines Wasserstrahls, ohne zu platzen. Dies ist ein alltäglicher Zaubertrick bei Vorführungen in der Dunsthöhle von Bad Pyrmont. Eindrücklich sieht man die veränderten Membraneigenschaften der Seifenblasen auch in Abb. 14.4. Hier durchsticht ein Faulbaumzweig die Außenhülle einer slowenischen Seifenblase gleich zwei Mal, ohne die Blase zum sofortigen Platzen zu bringen. Mehr als sieben Minuten dauerte dieses spannende Schauspiel, bevor die Seifenblase endlich den Weg allen Irdischen ging. Die Veränderungen in den Hüllen der Seifenblasen durch Kohlendioxid sind bislang nicht untersucht. Klar zu sehen ist aber, dass nach einiger Zeit, die auf der Gas-See-Oberfläche flottierenden Seifenblasen langsam nach unten sinken. Dies ist ein klares Zeichen dafür, dass gemäß des extre-

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Abb. 14.3  Seifenblasen auf einem CO2-Gas-See. Die mit menschlichem Atem gefüllten Seifenblasen enthielten 4,5 % CO2. Im Gas-See darunter waren 47 % CO2 messbar. Der große Dichteunterschied lässt die leichteren Blasen auf der Oberfläche flottieren (© H. Pfanz 2019)

men CO2-Gradienten, CO2 durch die Außenhüllen in das Innere der Blase diffundiert und dadurch die Blase spezifisch schwerer macht. Gleichzeitig verändert sich offensichtlich auch noch das Licht-Reflexionsverhalten der Außenhüllen. Die Seifenblasen ändern ihre Farbe – ein recht spektakuläres, derzeit aber physikalisch-optisch noch unverstandenes Verhalten (aber siehe Salkin et al. 2016).

14.4 Der Untergang der griechischen WiesenInsel Mikro-Mephitos (μικρό μεϕίτος) Weit im Norden Griechenlands, dort wo man eigentlich keine Inseln mehr erwarten würde, wurde das Phänomen einer untergehenden Mikroinsel beobachtet. Auf einer stark von Regen durchnässten Wiese bei Florina waren vor allem die tiefer liegenden Schlenkenbereiche völlig geflutet, während die

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Abb. 14.4  Die Haut einer Seifenblase in einem CO2-Gas-See ist physikalisch verändert. Die verbesserte Haltbarkeit der Haut gestattet nun, dass ein Faulbaumzweig die Seifenblase zwei Mal durchsticht, ohne zu Platzen. Insgesamt blieb diese Seifenblase fast 9 Minuten intakt (© H. Pfanz 2019)

wenige Dezimeter höher liegenden Bereiche über das Wasser ragten. In der Abb. 14.5a–f ist zu erkennen, dass ein ca. 900 cm2 großer, über das Wasser ragender inselartiger Bereich (die Insel μικρό μεϕίτος; Abb. 14.5a) nicht aus pedologischen oder geomorphologischen Gründen über die Umgebung hinausragte, sondern weil dieser Teil vom geogenen CO2-Gas nach oben gebläht wurde. Dies setzt voraus, dass sich die in 5–10 cm Tiefe befindlichen Wurzeln der dort wachsenden Wiesenpflanzen (vor allem Gräser) derartig stark verfilzt hatten, dass ein nahezu gasdichter Wurzelteppich entstanden war, der sogar imstande war, das darunter ausgasende CO2 zurückzustauen. Der Beweis der Gas-Aufblähung dieses Wiesenbereiches wurde dadurch erbracht, dass mithilfe eines Stabes ein kleines Loch in den dichten Wurzelfilz gestochen wurde (Abb. 14.5a). In wenigen Minuten entgaste das angestaute CO2 durch die Öffnung. Das Ausgasen wurde erst dann optisch bemerkbar, als die Stichstelle beim Absinken der Insel unter Wasser gelangte (Abb. 14.5d).

Abb. 14.5  Zeitlicher Ablauf des Schrumpfens einer Wieseninsel in Nord-Griechenland. Links oben: Intaktes System nach einem heftigen Regenguss. Eine kleine Wieseninsel taucht aus der Pfütze auf. Unter dieser Insel drückt geogenes CO2 diesen Teil der Wiese nach oben. Die Aufblähung wird angestochen. Rechts oben: Innerhalb weniger Minuten entweicht das Gas und die Insel geht wegen ihres Eigengewichtes langsam unter. Links unten: Nur noch ein Fünftel der Insel ragt aus dem Wasser. Das Entweichen des Gases ist an den Bläschen im Wasser gut zu erkennen. Rechts unten: Die Entgasung ist fast abgeschlossen (© H. Pfanz 2019)

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14.5 Mofety Guláš Irgendwie wirken Tierleichen nie wirklich photogen. Wenn Tiere aber in einer aquatischen Mofette gelandet und erstickt sind, dann wird dieser negative Effekt noch weiter verstärkt (Abb. 14.6). In der Abbildung sieht man eine kleine Mofettenpfütze, deren Oberfläche sich durch die bodennahe CO2-Ausgasung angetrieben, stetig im Kreise bewegt und gerührt wird. Hierdurch wirkt das Ganze wie ein Kochtopf mit Inhalt. Betrachtet man die erstickten und teilweise von den Faulgasen geblähten Körper, so kann man federlose Vögel, Frösche, Kröten und Nacktschnecken neben vielen Wespen erkennen. Da das Photo im Erlen-Moorbirken-Bruchwald im tschechischen Plesná-Tal entstand, erscheint der Namen Mofety Guláš recht passend.

Abb. 14.6  In einem Mofettentümpel erstickte und teilweise von den Faulgasen geblähte Körper von Vögeln, Fröschen, Kröten und Nacktschnecken im Erlen-­ Moorbirken-Bruchwald Bublák (© H. Pfanz 2019)

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14.6 Blässhühner, Wildschweine und Wapitihirsche Kohlendioxid verjagt Tiere und Kohlendioxid tötet Tiere. Aber offensichtlich gibt es auch Situationen, in denen gasförmiges CO2 Tiere geradezu magisch anzieht. So kann man im tschechischen Naturschutzgebiet Soos frisch genutzte Wildschweinsuhlen finden, in denen es wegen des aufsteigenden Gases blubbert und schäumt (Abb. 14.7a). Kommen die Wildschweine (Sus scrofa) absichtlich an diese Stellen, weil das saure Wasser hilft, blutsaugende Parasiten im Pelz der Tiere zu vertreiben? Genießen die Schweine die sauren Quellen etwa genauso wie damals die alten Römer? Oder hat das alles nicht viel mit den Ausgasungen zu tun und es lässt sich hier nur leichter im schlammigen Untergrund graben? Aktives Besuchen und ausgiebiges Wälzen auf derartigen Ausgasungen oder an heißen Quellen kennt man im Yellowstone Nationalpark durchaus von Bisons und Wapitis. Ähnlich unklar ist die Situation am Ostufer des Laacher Sees, wo häufig Blässhühner (Fulica atra) beobachtet werden können, die zielstrebig auf die an die Wasseroberfläche perlenden CO2-Bläschen zuschwimmen und ab und an spielerisch danach picken (Abb. 14.7b). Absicht oder Zufall? Von

Abb. 14.7  Wildschwein-Jacuzzi im Naturschutzgebiet Soos (a). Blässhühner die spielerisch nach CO2-Bläschen picken; Laacher See Ostufer (b). Wapiti-Hirsche trinken aus den perlenden Wasserpfützen bei Mammoth Hotsprings in Yellowstone-Nationalpark (c) (© H. Pfanz 2019)

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Papageien und Rabenvögeln ist bewusstes Spielen bekannt; sollten Rallenvögel ähnliches tun? Nur ausführliche Beobachtungen durch Verhaltensforscher könnten hier Klarheit schaffen. Im Yellowstone Nationalpark trinken Wapitihirsche (Cervus elaphus ssp. canadensis) gerne aus den blubbernden, leicht säuerlichen Terrassentränken bei Mammoth Hotsprings. Die an Menschen gewöhnten Wapitis lassen sich beim Trinken und Zertrampeln der geschützten Sinterterrassen leicht beobachten (Abb. 14.7c). Der CO2- und Fluoridgehalt (aber auch der Silikatgehalt) des Wassers ist sehr hoch. Der häufige Konsum bestimmter Yellowstone-Wässer ist daher für die Wapitis alles andere als gesund und führt zu Zahnfluoridosen. Der Gesundheitszustand der Zähne der Yellowstone-Wapitis ist daher teils alarmierend. Einige ältere Tiere sterben daher verfrüht den Hungertod, da ihr Herbivoren-Gebiss durch Zahnverlust funktionslos geworden ist (Garrott et al. 2002, 2008).

14.7 Die Mais La Ola – Welle Im Norden Sloweniens grenzen Maisfelder sehr nahe an eine Wiesenmofette. Ein Teil der Gesamtmofette wurde von dem Besitzer gepflügt und jedes Jahr werden bestimmte Feldfrüchte angebaut. Da es auch im Boden unter diesen Feldfrüchten unterschiedlich starke CO2-Entgasungen gibt, wachsen die Pflanzen unterschiedlich gut. Mais verträgt höhere CO2-Ausgasungen nicht gut (vgl. Vodnik et al. 2005). Die negativen Wirkungen sind gut an dem reduzierten Längenwuchs und auch am leicht chlorotischen Charakter der Pflanzen zu erkennen (Abb. 14.8). Mit etwas Phantasie kann man eine La Ola-Welle (eigentlich ein Pleonasmus) erkennen, wie sie auch in Sportstadien durch Zuschauer ausgeübt wird.

14.8 CO2 macht dick Ghrelin (growth hormone release inducing) ist ein Hormon, welches offensichtlich den Appetit anregt. Es wird sowohl in der Bauchspeicheldrüse als auch in der Magenschleimhaut produziert (Zhang et al. 2005). Nun haben Eweis et al. (2017) in Experimenten mit Ratten zeigen können, dass im Gegensatz zu mit Leitungswasser ernährten Tieren, diejenigen, die mit Kohlensäure versetztem Wasser ernährt wurden, deutlich dicker wurden. Erklärt wird die bis dato aber noch dünne Faktenlage mit der Stimulation des Hormons Ghrelin durch die Kohlensäure. Ob die Mineralwasserproduzenten diese Erkenntisse gerne anerkennen werden, bleibt abzuwarten.

14  Mofexotisches und Mofetto-Pareidolie     183

Abb. 14.8  Maispflanzen wachsen wellenförmig auf einem slowenischen Acker. Der Grund ist eine starke CO2-Ausgasung im Wurzelraum der schlecht wachsenden Pflanzen (© H. Pfanz 2019)

14.9 CO2 macht sexy In der Solfatara von Pozzuoli werden täglich mehrere Tonnen Vulkangas (H2O, CO2, H2S u. a.) emittiert. Aus nicht ganz nachvollziehbaren Quellen heißt es aber nun, dass eine bestimmte Mischung aus Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid aphrodisierende Wirkung haben soll (siehe Informationstafel in Abb. 14.9). Laut unbestätigten Angaben von Touristenführern pilgern so täglich hunderte leidgeplagte Männer in die Solfatara, um durch intensives Einatmen der (eigentlich toxischen) Dämpfe noch zu unerwarteten Liebesfreuden zu gelangen (Abb. 14.9).

14.10 Der Papst und die Mofetten In der Nähe Roms in den Albaner Bergen, dort, wo auch der Papst sein Sommerdomizil (Castelgandolfo) hat, ist das Wohnen ebenfalls nicht ungefährlich (Funiciello et al. 2002). Rund um die bekannten

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Abb. 14.9  Erklärendes und werbendes Hinweisschild auf die wirkungsvollen Gase im Bereich der Solfatara in Pozzuoli

Kraterseen Bolsena, Vico, Albano, Bracciano, Nemi und Averno, gast teilweise heftigst CO2 aus, ein Zeichen des dort noch immer vorhandenen vulkanischen Potentials. Wegen der Instabilität der Seen und der jährlichen Durchmischung des Seekörpers ist eine Tragödie wie beim Nyos-See wohl so nicht zu erwarten. Trotzdem wird in dieser Region jährlich von Todesfällen bei Brunnenbohrungen und Kellerausschachtungen berichtet (Carapezza und Tarchini 2007; Carapezza et al. 2008).

14.11 Blasphemisches Kohlendioxid Ist Jesus von Nazareth wirklich am Kreuz gestorben? Oder war Jesus gar nicht tot, als man ihn vom Kreuz abnahm? Es mehren sich die medizinisch begründeten Anzeichen, dass Kreuzigung und Grablegung wirklich Bibelnah, so wie im Johannes-Evangelium beschrieben, abgelaufen sein könnten. Mit der einen Ausnahme: Jesus war möglicherweise nicht wirklich tot, als er von seinen Angehörigen und Freunden vom Kreuz abgenommen und in die kühle Grabeshöhle getragen wurde (Ledochowski und Fuchs 2012, 2014).

14  Mofexotisches und Mofetto-Pareidolie     185

Man spekuliert, dass Jesus wegen der Art der Kreuzigung und der davor stattgefundenen Folterungen einen Pleura-Erguss bekommen hatte. Ein Pleura-Erguss führt einerseits zu Hypoxie (Sauerstoffarmut), andererseits naturgemäß zu einer Hypercapnie (Kohlendioxidanreicherung im Blut; Edwards et al. 1986); beides zieht nach einiger Zeit den Erstickungstod nach sich. Ledochowski und Fuchs beschreiben dies in ihrem Kapitel als „Kohlenstoffdioxid-Narkose führt am Kreuz zum Tod“ (2014, S. 126). Nun ist bekannt, dass die Angehörigen von Jesus (u. a. Joseph von Arimathäa) die Soldaten wegen des bevorstehenden Passahfestes baten, Jesus etwas früher vom Kreuz nehmen zu dürfen. Ein römischer Soldat namens Longinus hatte darauf, um den Tod festzustellen, mit einer Lanze in den leblosen Körper gestochen. Aus medizinischer Sicht wird dieser Stich (aus dessen Wunde dann Wasser und Blut flossen) nun als lebensrettende Entlastungspunktion gesehen. Genauso wie es bei Unfallopfern mit diesen Symptomen von Notärzten durchgeführt wird (Woodrow 2013). Durch diese lebensrettende Punktion wäre es dann bei Jesus nicht zu einem finalen, hypoxischen resp. hypercapnischen Exitus gekommen. Mit diversen lindernden Kräutern und Salben gepflegt, hätte sich Jesus in der kühlen Höhle von dem Kreuzigungsschock erholen können.

14.12 Pareidolie Ein menschliches Antlitz in einem Stein oder einer Wolke, eine Krokodilsgestalt in einer abgefallenen Kiefernborke oder ein Gnom im Bodennebel. Nicht selten kann man bekannte organismische Formen oder vermeintlich menschliche Gesichtszüge in totem oder lebendem Material erkennen. Das Phänomen ist unter dem Namen Pareidolie (Trugbilder, Nebenbilder) bekannt. Und natürlich gibt es Pareidolie auch in der Mofettenforschung.

14.12.1 Mephitic Devilspotting Seit der ersten Auflage dieses Buches sind mehrere Mofettenteufel sowie mephitische Zwergen- und Elfenderivate in und an Mofetten beobachtet worden. Beherrscht man die Technik des „Mephitic Devilspottings“, dann kann man an vielen Mofettenstandorten diverse pareidolisch getarnte, mephitische Geister, zumindest für kurze Zeit, ausmachen. Doch sie geben sich nur dem mephitisch-überzeugten Menschen zu erkennen.

Abb. 14.10  Pareidolische Phänomene. (a) der berühmte Mofettenteufel des Laacher Sees (Diavolo eu-mephitico ssp. maria-lacensis); (b) nordgriechischer Mofetten-Gnom hinter einem Wasserschleier; (c) französische Sprudel-Fee im Zentralmassiv; (d) tschechischer Bodengeist im Naturschutzgebiet Soos. (e) die berühmte Mofetten-Eule (Athene mofettae-spumam) kommt endemisch nur am Podhorní Vrh vor (© H. Pfanz 2019)

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Einige solcher pareidolischen Erscheinungen sind beispielhaft in Abb. 14.10 dargestellt. Der echte Mofettenteufel (Diavolo eu-mephitico ssp. maria-lacensis) kommt endemisch nur im Laacher See vor und lässt sich daher auch nur dort beobachten. Blickt man lange genug auf die sich durch die CO2-­ Bläschen kräuselnde Wasseroberfläche, dann wird man gelegentlich unheimliche Gestalten erkennen, die sich als Mofettenwolf (Lupus mephiticus) oder eben als Mofettenteufel zu erkennen geben (Abb. 14.10a). Doch auch anderswo in und außerhalb Europas konnten solche Erscheinungen gefunden und beschrieben werden. In Nordgriechenland versteckte sich beispielsweise ein Mofetten-Gnom hinter einem wässrigen Mofettenschleier (Abb. 14.10b), während im französichen Massif Central eine frostig-gläserne Mofetten-Fee im Abendlicht tanzte (Abb. 14.10c). Im tschechischen Naturschutzgebiet Soos expirierte ein schlecht gelaunter 14.10d). Die berühmte Schlamm-Gnom tödliches CO2-Gas (Abb.  Mofetteneule kommt nur im Gebiet des tschechischen Podhorny Vrh vor; sie ist recht scheu und kann nur ab und an gut beobachtet werden (Abb. 14.10e).

15 Nachwort: Schutz von Mofetten

Die weltweite Seltenheit von Mofetten und auch ihre Eigenart als ungemein spannender Extremstandort für jedwede Organismen, gebieten den strikten Schutz dieser Stellen als Bio-und Geotope. Der ungeregelte Besuch solcher Stellen durch unbegleitete Touristen aber auch das teilweise hemmungslose Vorgehen von Wissenschaftlern haben diesen Kleinodien der Biogeologie schon deutlich geschadet. Am Laacher See werden in naturgeschützten Bereichen Hänge niedergetrampelt, Seeufer zerstört sowie illegal gezeltet, defäkiert, gebadet und Boot gefahren. Im Yellowstone Nationalpark und auch in den großartigen Geo-Parks auf Neuseeland werden Mofetten und Geysire mutwillig durch Verstopfen zerstört. Saure CO2-Brunnen werden weltweit von abergläubischen Touristen mit Münzen gefüllt. Diese verrosten dann im sauren Wasser und verändern den Chemismus und die biologische Besiedelung. In Tschechien aber auch Slowenien werden Mofettenstandorte unkontrolliert beprobt und dadurch bewusst oder unbewusst verändert. Wünschenswert wäre der spezielle Schutz aller Mofettenstandorte zumindest in Europa. Ob dieses Ziel jemals auch nur ansatzweise verwirklicht werden wird, bleibt hoffend abzuwarten.

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Stichwortverzeichnis

A

Aaskäfer 97 Abscheidehäuschen 135 Absorption von Wärmestrahlung 49 Absorptionsverhalten 49 Abwasseraufbereitung 130 Acetogenese 86 Acheron 153 Acidithiobacillus 85 Acidum mephiticum 44 Aër fixus 44 Aërenchym 71 Aërobier 91 Agnano-See 107 Agrostis canina ssp. monteluccii 70 Alkalisierung 45 Alopecurus geniculatus 67 Anhydrid der Kohlensäure 124 Anoxie 54 Ansäuerung des Blutes 19 Ansäurung 45 Aragonit-Höhle 50 Ascomycete 88 Astrobiologie 86 Averno, Lago 93 Azidifizierung 46

Azonalität 64 Azoren 79 B

Bad Pyrmont 116 Bäderdreieck 145 Bakterienfilm 86 Bakterium anaerobes autotrophes 86 Methan-erzeugendes 86 Balneologie 138 Bayer-Höhle 170 Bayer-Loch 147, 170 Bicarbonat 45 Bier 48 Bioindikator 59 Birnenmofette 78 Blässhuhn 181 Blattfläche 63 Bleiweiß 132 Blutsauger 98 Boden 119 Boden-Hefe 88 Bodenatmung 34 Bodengaskonzentration 62

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2019 H. Pfanz, Kalter Atem schlafender Vulkane, https://doi.org/10.1007/978-3-662-60340-6

215

216     Stichwortverzeichnis

Bodeninsekt 34 Bodenmonolith 122 Bodenorganismus 34 Bodenpilz 34, 88 Bodensenke 50 Bodenwurm 34 Bogen, zirkumpazifischer 39 Borstgras 69 Börstinger Bläser 135 Brachycera 97 Brubbel 141 Bühnennebel 132 Büschelschön 62 C

Caldara di Manziana 154 Caldera von Long Valley 60 Calliphoride 97 Campi Flegrei 143 Candida spec. 88 Carabide 99 Carbonat 28, 45 Carboxylierungskapazität 64 Carex 18 acutiformis 73, 74 nigra 69 Castelgandolfo 183 Cerberus 154 Chemokline 86 Chemosynthese 11 Chimaera 157, 158 Chloroflexi 86 Chlorophyllgehalt 62 Chlorose 72 Clio pyramidata 46 CO2 50 CO2-Ausgasung 16 CO2-Emission, anthropogene 118 CO2-Freisetzung, vulkanische 118 CO2-Gasbläschen 181 CO2-Gas-See 50, 160 CO2-Geruch 98

CO2-Gewinnung 135 CO2-Katastrophe 159 CO2-Kompensationspunkt 64 CO2-Konzentration, atmosphärische 111 CO2-Lösung, übersättigte 48 CO2-Pufferung 45 CO2-Schlenken 111 CO2-Tagesgang 112 CO2-Trockenbad 139 Coleoptera 96 Collembole 100 Coniochaeta fodinicola 88 Cratoneuron 28 Cryptococcus terricola 88 victoriae 88 Culicidae 98 Cyperus esculentus 81 Cystofilobasidium capitatum 88 D

Dampfaustritt 5 Deschampsia cespitosa 67, 69 Deutsche Weidelgras 82 Diavolo eu-mephitico ssp. maria-lacensis 187 Diffusion, erleichterte 120 Diptera 96 Djeng-Plateau 161 Drehkiefer 60, 78 Dunsthöhle 116 E

Echidna 157 Echinochloa crus-galli 62 Edaphon 34 Eifel 146 Eingang zur Anderswelt 154 zur Unterwelt 143, 154

Stichwortverzeichnis    217

Eintagsküken, männliches 107 Eisdecke 174 Eisen(III)-oxidhydrat 26 Eisenhydroxid 27 Eisenocker 26 Eisenoxid 27 Ekto-Parasit 99 Elogiae Defunctorum 170 Aufschlussreiches 170 Entkalkung von Wasser 28 Entkorken 48 Entseuchung von Futtermitteln 130 Erdmandel 81 Erdtemperatur, mittlere 118 Eriophorum 64 Erstickung 51 Espen 78 Evaporation 116 Ewiges Feuer 9 Exhalation 16 F

Fadenwürmer 100 Falliopa dumetorum 66 Falschfarbendarstellung 82, 84 Farben-und Arzneiherstellung 130 Feldschwirle 97 Feuerlöschen 52 Filipendula ulmaria 67 Firmicutes 86 Flächendarstellung 121 Fledermaus 104 Fleischfliege 97 Florina 177 Folsomia hissarica 101 mofettophila 101 Franzensbad 145 Fruchtfliege 97 Fulica atra 181 Fumarole 5

G

Gärkeller 160 Gärkontrolle 160 Gas mephiticum 44 mephitisches 44 narkotisierendes 107 vinosum 44 weinigtes 44 wildes 44 Gas-See 107, 116, 117 Gaskanal 120 Geburtsvorgang 54 Geo-Bio-Mythologie 151 Geo-Biotop 141 Geo-Mythologie 151 Geotop 141 Geschlechtsumwandlung 101 Gestreiften Stinktiers 15 Gewinnung von CO2-Gas 134 Gewöhnliches Schilfrohr 112 Geysir 6 Ghrelin 182 Gleyboden 119 Glomeromycota 89 Goldfliege 97 Gott Vulcanus 152 Göttin Mefitis 14 Großen Wiesenknopf 105 Grotta del Cane 107, 144 Grotte du Chien 108 Gynäkologe 54 H

Habitat, sauerstoffarmes 57 Hades 153, 155 Hades-Sanktuarium 157 Haltbarmachung von Lebensmitteln 130 Haltbarmachung von Nahrungsmitteln 132 Hämoglobin 102

218     Stichwortverzeichnis

Sauerstoff-bindendes 91 Hedera helix 66 Hefe 88 Hefepilz 53, 88 Heißwassergeysir 7 Helium-Isotop 40 Helophyt 70 Hemiptera 96 Henderson-Hasselbalch-Gleichung 45 Herkulaneum 160 Herzrasen 54 Hexaplex trunculus 46 Hieracium pilosella 65 Hierapolis 30, 155, 157 Hirnschaden 92 Hochmoor 31 Höllenhund Kerberos 153, 157 Holomixis 163 Holzbirne 76 Horseshoe-Lake 60, 161 Humusauflage 126 Humusgehalt 126, 127 Hund 107 Hundsgrotte 107, 108 Hydra 157 Hydrogencarbonat 29, 45 Hymenoptera 96 Hyperkapnie 54, 55, 102, 133, 185 Hyperventilieren 54 Hypoxie 54, 185 I

Infrarotstrahlung 18, 111 Intraplattengrenze 39 Irrlichter 10 J

Jahrringanalyse 78 Jesuiten-Villa 164, 166 Jesus von Nazareth 184 Juncus 18

K

Kalktuff 28 Kaltwassergeysir 25 Kanarienvogel 160 Karlsbad 145 Katastrophe 163 Klippenschwalben 104 Kohlendioxid 43 Kohlendioxid-See 160 Kohlendioxidanreicherung im Blut 185 Kohlendioxyd 43 Kohlensäure 28 Kohlensäureausbruch 55 Kohlensäuregewinnung 131 Kohlensäureindustrie 131 Kohlenstoff, fossiler 136 Kohlenstoffdioxid 43 Kohlenstoffdioxid-Narkose 185 Kohlenstoffdioxyd 43 Kohlenstoffgehalt 127 Kohlenstoffkreislauf, globaler 135 Kohlenstoffreservoir, globales 39 Kopfschmerz 53 L

La-Ola-Welle 182 Laacher See 94, 141, 148, 161 Lanius collurio 23 Laufkäfer 99 Lebensmittelkühlung 132 Leiche, tierische 67 Locustella naevia 97 Lolium perenne 82 Lucilia 97 Luft fixe 44 künstliche 44 Luftgewebe 71 Luftsäure 44 Lupus mephiticus 187

Stichwortverzeichnis    219 M

Mädesüß 67 MAK-Wert (maximale Arbeitsplatzkonzentration) 53 Mammoth 60, 161 Mangel an Nährstoffen 72 Mangelwuchs 72 Mannbarkeitsalter 78 Mantus 154 Marienbad 145 Maulwurf 91, 101 Maulwurfshaufen 102 Maulwurfshügel 36 Mausohr 65 Mazukus 164 Mefite d’Ansanto 143 mefitis 14 Mephitic Devilspottings 185 Mephitis 14, 143 acidula 44 mephitis 15 vinosa 44 Mesaphorura macrochaeta 101 Methanausgasung 8, 10 Methanfreisetzung 8 Methanogenese 86 Methanomicrobia 86 Mikro-Mephistos 177 Mikroklima 112 Mineral- und Heilquelle 130 Mineralquelle 26 Mineralstoffgehalt 126 Mineralwasser 26, 130 Mofette 16 mobile 31 nasse 23 trockene 23 Mofetten-Tourismus 144 Mofettenboden 58 anoxischer 119 hypoxischer 119 Mofetteneule 187 Mofettengeräusch 37

Mofettenleiche 95 Mofettenschlenke 68 Mofettenspezialist 92 Mofettenteufel 185 Mofettentier 19 Mofettenwolf 187 Mofettophilie 67, 73 botanische 73 Mofettophobie 73 Mofety Guláš 180 Molekulargewicht 50 Mönch 164 Monoun-See 161 Moor, degradiertes 31 Moorboden 57 Mozart 108 Mrakia spec. 88 Mücke, hämatophage 98 Mucor hiemalis 88 mucedo 88 Mülldeponie 8 Mycobotryomyces spec. 88 Mykorrhizapilz 88 N

Nährelemente 72 Nährstoffaufnahme 78 Namedy 141 Nanoklima 112 Nardus-Mofette 82 Nardus stricta 69 Natriumbicarbonat 132 Naturphänomen Dunsthöhle 141 Naturschutzgebiet Soos 181 Nematode 100 Neonectria spec. 88 Neuntöter 23 Normalisierter Differenzieller Vegetations-Index (NDVI) 82 Nutzung von Mofetten 129 Nyiragongo 164

220     Stichwortverzeichnis

Nyos-Katastrophe 148 Nyos-See 161 O

Obolus 153 Occultifur mephitis 88 Ocker-Ablagerung 27 Orakel 154 von Delphi 152 Osilinus turbinata 46 Osteifel 40 P

Palustriella 28 Pamukkale 30, 154 Papst 183 Pareidolie 185 pars per millione 53 Patella caerulea 46 Peelrandsprung 33 Peinomorphose 72 Penicillium glandicola 88 vancouverense 88 Petrochelidon pyrrhonota 104 Pflanzenart CO2-meidende 74 hoch-CO2-liebende 74 kleinwüchsige 61 mofettophile 74 mofettophobe 74 Pflanzendüngung 133 Pflanzenhöhe 63 Pflanzenwachstum 72 pH-Wert 45, 124 der Böden 125 Phacelia tanacetifolia 62 Phlegräischen Felder 93, 144 Phleum pratense 62, 67 Photosynthese 11, 58 Photosyntheseleistung 58

Phragmites 18 australis 58, 71, 112 Phyto-Geoindikation 36 Pilz 85, 87 Pinus contorta 60, 78 Pipistrellus kuhlii 104 pK-Wert 45 Plattengrenze, kontinentale 39 Plesná-Tal 82 Pleuraerguss 185 Pluto 153 Plutonium 155 Poa trivialis 33 Pockmarks 10 Pompeji 160 Populus tremula 78 Portulaca oleracea 81 Portulak 81 Posidonia 24 oceanica 46 Prokaryote 86 Pseudogleyboden 119 Pufferfähigkeit 125 Pufferkapazität 124 Pufferung 46 des Bodens 125 Pyro-Rauchtöpfen 51 Pyrus pyraster 76 Pythia 152 Q

Quellgas-Therapie 139 Quellkohlensäure 131 R

Rasenschmiele 67, 69 Rattenbekämpfung 132 Regen, suarer 125 Regenwasser 46 Reisanbau 8 Rhizosphäre 72

Stichwortverzeichnis    221

Rispengras 33 Roermond 33 Röhrenwurm 12 Rost-Versinterung 27 Rubus fruticosus 66 S

Saccharomyces cerevisiae 53 Sanguisorba officinalis 105 Santuario di Mefite 151 Sarkophagide 97 Säuerling 26 Sauerluft 44 Sauerstoffarmut 59, 185 Sauerstoffgehalt des Bodens 34 Sauerstoffkonzentration 92, 120, 123 Sauerstoffmangel 19, 51, 92, 156 Sauerstoffverhältnis 123 Säugetierattrappe 99 Saurer Regen 46 Säurewirkung 45 Schädlingsbekämpfung 133 Schichtung des Gas, stratifizierte 51 Schilfpflanzen 58 Schilfrohr 71 Schimmelpilz 88 Schlagwetter 161 Schlenken 79, 99 Schmeißfliege 97 Schockfrosten 132 Schutz 189 Schwarze oder Weiße Raucher 11 Sehstörung 54 Seifenblasen 176 Sektflasche 48 Serinus canaria 160 Sexen 107 Silphidae 97 Simulidae 98 Solfatar 4, 144 Solfatara bei Pozzuoli 152

Soos 145 Soos-Reservat 27 Sousaki-Vulkan 50 specus dicta Bavarica 170 Sphinx 157 Springschwanz 100 Sprudel 25 Stechmücke 98 Steinerne Rinne 30 Stickgrotte 94 Stickloch 147 Stomatadichte 63 Störung in Eisschichten 37 tektonische 36 stress avoidance 66 Styx 153 Sulfid-Copepode 12 Sulfid-Wurm 12 Sulze, kochende 135 Sumpfgas 10 Sumpfpflanze 60, 70 Sumpf-Segge 73, 74 Sus scrofa 105, 181 Symphoricarpos albus 74 T

Tabanidae 98 Tal-Mofette 52 Talpa europaea 102 Tauchgang 54 Temperaturinversion 113 Temperaturveränderung, diurnale 111 Terme del Bullicame 30 Thanatocoenose 94 Thermalgebiet 81 Thermoosmose 70 Tiefseeschnecke 11 Tiere 92 Totengott Hades 152 Tötungsverfahren 106 Toxizität von Kohlendioxid 53

222     Stichwortverzeichnis

Toxizitätsstufe 54 Transekt, lineares 120 Travertin 28 Travertinblock 175 Treibhauseffekt 111, 118, 135 anthropogener 49 natürlicher 49 Trichosporon dulcitum 88 middlehovenii 88 Trockeneis 132 Tropfsteinhöhle 28 Trugbilder 185 Tuffsteinwand 30 Tullbergia simplex 101 Twain, Mark 108 Typhon 157 U

Umbelopsis 87 V

Vegetationsindex 82 Venturi-Ventilation 71, 121 Verdrängung von Sauerstoff 52, 133 Vergilbung 72 Verkalkung 29 Versinterung 28 Verwerfungszone 33 Verwirrtheit 54 Villa trans lacum 164 Vinca minor 74 Vogelmofette 96 von Goethe, Johann Wolfgang 107, 142

von Humboldt, Alexander 94 Vulkaneifel 146 W

Wachstum, azonales 64 Wallender Born (Brubbel) 26 Wasserfall bei Nohn 28 Wasserhärte 29 Wasserlöslichkeit 45 Weiße Schneebeere 74 Weißrandfledermaus 104 Wetter, mattes 161 Wiederkäuer 8 Wiesenmofette 61 Wiesensegge 69 Wildschwein 105, 181 Wildschweinsuhle 181 Wirkung, aphrodisierende 183 Wolkenbildung 115 Wolkenschleier 115 Wollgras 64 Wuchs 61 Wundverschluss 140 Wurzelfilz 178 Wurzeltiefe 120 Y

Yellowstone Nationalpark 79, 182 Z

Zeigerpflanze 58 mofettophile 36 mofettophobe 36 Zygomycete 88