Two years of moisture monitoring using microwave sensors in the medieval cave town of Uplistsikhe, Georgia

石の奥深く、目から隠れた場所で、時間との絶え間ない静かな戦いが繰り広げられている。これは岩石の水分が紡ぐ物語であり、古代の構造物の運命を形作る、静かではあるが強力な力についての物語である。水は単に表面に留まる液体ではない。それは石の微細な孔へと浸透し、温度や湿度の変化とともに膨張と収縮を繰り返す、動的な媒介者である。この水分が岩石の中を出入りするとき、石を剥離させ、崩壊させ、最終的には粉砕させる化学反応と物理的なストレスを引き起こす。中世の城郭から古代の洞窟都市に至るまで、世界の文化遺産にとって、この水がどこから来てどのように移動しているのかを理解することは、これらのかけがえのない宝物を救うための鍵となる。湿気の源を知ることなしには、遺跡を保存しようとするあらゆる試みはしばしば推測に過ぎず、その誤った推測は時に、善意による処置よりも大きな害をもたらすことがある。

ジョージアの中心部にある中世の洞窟都市、ウプリシツヘは、この闘いの劇的な例として立っている。柔らかい黄色の砂岩の巨大な崖に直接刻まれたこの町は、中世盛期には繁栄した中心地であったが、数世紀前に放棄された。今日、その部屋や回廊は、あらゆる石に見られるような劣化に苦しんでいる。表面は薄い層となって剥がれ落ち、岩石は粒状の粉末へと変わりつつある。科学者たちは、その原因が石の中の変動する湿度であると長年疑ってきたが、これらの深い洞窟の奥深くまで水が到達する正確な経路は謎のまま残されていた。これを解決するため、ドイツ、オーストリア、そしてジョージアの研究チームは、石そのものの声を聞くことにした。彼らは、町の中で最も重要な2つの洞窟、すなわち「グランドホール」と「ロングホール」の中に、水分レベルを2年間にわたって継続的に監視するための特殊なセンサーネットワークを設置した。

彼らが使用した技術はマイクロ波センシングの一種であり、エネルギーのパルスを岩石に送り込み、どれだけ跳ね返ってくるかを測定するという手法である。水は乾燥した石とは異なるエネルギー保持特性を持っているため、センサーは壁をドリルで削ったり損傷を与えたりすることなく、水分がどれだけ存在するかを正確に検知できる。研究チームは合計8つのセンサーを設置し、いくつかは床の近くに、いくつかは天井の近くに、また、いくつかは洞窟の深部に、そしていくつかは洞窟のすぐ外側に配置した。測定の正確性を確保するため、研究者たちはまず、現場で見つかったものと同じ種類の砂岩の大きなブロックを研究所に持ち込んだ。そこで、石を完全に乾燥させた後に水に浸し、電子信号を正確な含水率の測定値へと変換するためのキャリブレーション（校正）を行った。また、温度変化がセンサーを欺く可能性があることを考慮し、岩石の熱や冷たさに基づいてデータを調整する方法も開発した。

機器が稼働し始めると、センサーは石の内部における複雑で驚くべき光景を明らかにし始めた。データは明確な季節のリズムを示した。岩石は概して夏季に湿り気が多く、冬季に乾燥する傾向があった。これは、雨が多い季節に石が最も濡れると予想される一般的な感覚とは逆であり、夏の暑さが空気中から岩石へと水分を運び込むか、あるいは地面から水を吸い上げているようであった。研究者たちは、石が異なる天候イベントに対して明確に反応することを発見した。激しい雨が降ると、ロングホールの露出した外壁にあるセンサーは即座に反応し、雨が表面に当たると水分レベルが急上昇した。しかし、グランドホールの奥深くにあるセンサーは、即座には反応しなかった。代わりに、嵐の後に水分量が増加するまでに数日かかることもあり、遅延した反応を示した。この遅延は、水が単に表面に留まっているのではなく、上部から岩石を通じてゆっくりと浸透し、洞窟の天井を通り抜けてようやくセンサーに到達していることを示唆していた。

この研究はまた、水が単一の経路ではなく、複数の異なる経路を通って到達していることも明らかにした。あるケースでは、水分は空気中の水蒸気がより冷たい岩の表面に沈着する「結露」によって引き起こされているようであった。また別のケース、特にグランドホールの床付近では、水分レベルが上昇する様子から、水が下の地面から吸い上げられていることが示唆された。これは「毛細管現象による上昇」として知られるプロセスであり、周囲の丘陵地の地下水位が豪雨後に上昇したことによって引き起こされたと考えられる。研究者たちは、岩石が静止した物体ではなく、湿潤な時期には水を吸収し、乾燥した時期には放出するという、呼吸をする「生きているシステム」であることを観察した。この日々の湿潤と乾燥のサイクルは、研究チームが「蒸発ポンプ作用」と呼んだものであり、日中の太陽による表面の加熱と、夜間の岩石の冷却によって駆動されていた。

おそらく最も重要な発見は、この遺跡の保存には単一の解決策は存在しないということである。グランドホールとロングホールへの水の入り方はそれぞれ異なり（空から来るもの、地面から来るもの、そして空気から来るもの）、ある洞窟に有効な方法が別の洞果には通用しない可能性があるからである。研究者たちは、防水コーティング剤で洞窟を密封しようとする試みは、内部に水分を閉じ込めてしまい、かえって劣化を加速させるため、間違いである可能性が高いと結論付けた。代わりに、雨水を洞窟の入り口から遠ざける、あるいは丘陵地の地下水位を下げて上方への水分の引き上げを抑えるなど、水が入ってくる箇所で管理することが最善のアプローチである。2年間にわたるモニタリングは、古代の遺跡の隠された水文学に関する稀有で詳細な視点を提供し、石を救うためには、まずその中で動いている目に見えない水を理解しなければならないということを証明した。