Wenn die Hochatmosphäre den Winter steuert - Polarwirbel

Im Winter bildet sich über dem Nordpol in großer Höhe aufgrund fehlender Sonneneinstrahlung der sogenannte Polarwirbel. Dabei handelt es sich um ein hochreichendes Tief, das eine große Rolle in der atmosphärischen Zirkulation spielt und somit einen direkten Einfluss auf unser Wetter hat. Auch über dem Südpol gibt es einen Polarwirbel.

Meteorologen unterscheiden im engeren Sinn zwei Polarwirbel in verschiedenen atmosphärischen Schichten:

Der troposphärische Polarwirbel auf der Nordhalbkugel ist viel ausgedehnter als der stratosphärische Polarwirbel und besteht ganzjährig. Ersterer wird durch die Temperaturunterschiede zwischen der Arktis und den mittleren Breiten angetrieben. Die Höhenwinde entlang dieser Luftmassengrenze sind auch als Jetstream bekannt.

Im Winterhalbjahr ist der stratosphärische Wirbel mit sehr kalter Luft angereichert. Die Temperaturen liegen unter minus 80 Grad. Der Wirbel dreht sich wie ein Strudel direkt über der Arktis. Darunter zieht der viel ausgedehntere troposphärische Polarwirbel seine Bahnen. Beide Wirbel beeinflussen sich gegenseitig. Meist wirkt jedoch der troposphärische auf den stratosphärischen Polarwirbel ein. Dabei kann es zu Abschwächungen oder sogar zur Aufspaltung des kreisrunden stratosphärischen Polarwirbels kommen.

In den Polargebieten verliert die Luft in den Wintermonaten mehr Wärme, als ihr zugeführt wird, denn in den Polarnächten geht die Sonne für einige Zeit nicht mehr auf. Folglich kühlt sich die Luft stärker ab, wird dadurch immer dichter und sinkt wegen der Schwerkraft aus der Höhe ab.

Am Boden formiert sich dadurch ein Hochdruckgebiet, das auch als polares Kältehoch bezeichnet wird. In der Höhe sinkt dagegen der Luftdruck, ein Höhentief entsteht.

Die aus der Höhe absinkende Luft wird fortlaufend durch neue Luft ersetzt, welche aus mittleren Breiten polwärts nachströmt. Überlagert wird das flache Kältehoch von dem hochreichenden Tief, dem troposphärischen Polarwirbel. Darüber rotiert der stratosphärische Polarwirbel.

Ein Polarwirbel kann sich nur bilden, wenn die Troposphäre über den Polen ausreichend auskühlt. Innerhalb beider Polarwirbel über dem Nordpol ist die kalte Luft isoliert. In der Stratosphäre kann der Polarwirbel Temperaturwerte von minus 80 Grad erreichen.

Wegen der Corioliskraft wird an den Rändern des Polarwirbels die Höhenströmung zu Westwinden in den oberen Luftschichten umgelenkt. Kräftige Höhenwinde mit Geschwindigkeiten von mehr als 250 Kilometer pro Stunde begrenzen die isolierten Polarwirbel.

In der unteren Atmosphäre entsprechen diese starken Höhenwinde dem Polarfrontjet. Dieser umgibt die kalte Luft und bildet faktisch eine schützende Barriere um sie herum. Er gilt als Antriebsmotor für die Tiefs in den mittleren Breiten.

Der Polarwirbel über der Antarktis ist wegen der hiesigen Eisoberfläche stärker ausgeprägt als der Polarwirbel über der Arktis. Dort wird er vor allem durch Meeresströme abgeschwächt. Auch hier unterscheidet man zwischen dem troposphärischen und stratosphärischen Wirbel.

Während des polaren Winters werden über der Antarktis um den Wirbel Windgeschwindigkeiten von über 200 Kilometer pro Stunde erreicht. Der Polarwirbel schirmt die sehr kalte Luft von den anderen Luftmassen ab.

Normalerweise dominiert im Winterhalbjahr eine Westwetterlage in Mitteleuropa. Sie bringt viele kräftige Tiefs, die milde Atlantikluft nach Mitteleuropa lenken. Verantwortlich dafür ist der Polarwirbel, der das Wettergeschehen in den unteren Luftschichten beeinflusst.

Ist der Polarwirbel im Winter stark ausgeprägt, so verstärkt dies den Jetstream. Dieser steuert vor allem im Winterhalbjahr die Zugbahn und die Stärke der Tiefdruckgebiete, beeinflusst aber auch die Temperaturverteilung zwischen dem Nordpol und den mittleren Breiten. Da milde Westwinde vom Atlantik her überwiegen, verläuft der Winter in Mitteleuropa in der Regel mild.

Kaltlufteinbrüche mit Schnee und Frost sind dagegen selten. Die Polarluft verbleibt zudem meist nördlich der Tiefdruckgebiete, demnach auch nördlich von Mitteleuropa.

Der Polarwirbel kann in regelmäßigen Abständen von 2 bis 3 Jahren spürbar geschwächt werden. Dies geschieht dann, wenn warme Luft in den Polarwirbel eindringt und ihn dann sogar teilt. Zugleich kehren sich die Strömungsverhältnisse um, die Westwinde können sich in Ostwinde verwandeln.

So kann bei einem schwachen Polarwirbel das Wetter auf der Nordhalbkugel aus dem Takt geraten, wie es in den vergangenen Jahren immer mal wieder zu beobachten war. Bei einem schwachen Wirbel sind auch die Tiefs schwächer ausgeprägt. Stattdessen dominieren Hochdruckgebiete und Polarluft kann leichter nach Süden strömen.

Sobald sich ein umfangreiches Hoch von Island bis Sibirien etabliert hat, ist der Weg frei für Polarluft aus Osteuropa, die dann Deutschland fluten kann. Überdies tummeln sich im Mittelmeerraum mehr Tiefdruckgebiete als im Durchschnitt, weil deren Entstehung durch die Polarluft angefacht wird. Die eisige Luft streicht über das noch verhältnismäßig warme Wasser und es entstehen mächtige Schauer- und Gewitterwolken.

Ein schwacher Polarwirbel blockiert in der Regel Westwetterlagen. Deshalb überwiegen in den unteren Luftschichten östliche bis nördliche Winde. Allerdings kann auch das Wettergeschehen am Boden die Troposphäre aus dem Takt bringen. Damit stellt sich die Frage: Was war zuerst da - die Henne oder das Ei?

Wenn im Oktober in Sibirien schon ungewöhnlich viel Schnee fällt, sinken die Temperaturen über den ausgedehnten Schneeflächen rasch. Die schon tief stehende Sonne vermag die Erdoberfläche in den höheren Breiten kaum noch zu erwärmen.

Es baut sich ein umfangreiches Kältehoch auf, welches sich immer weiter verstärkt und die von Westen kommenden Tiefs auf eine nördlichere oder südlichere Bahn zwingt. Ebenso muss der Jetstream ausweichen, daher beginnt er zu mäandrieren. Schlimmstenfalls bilden sich dann langgezogene Wellen. Diese wiederum pflanzen sich nach oben bis zur Stratosphäre fort und versetzen den Polarwirbel in Schwingung.

Die Windgeschwindigkeiten nehmen daraufhin stetig ab, bis nach etwa zwei bis drei Monaten die kräftigen Höhenwinde um den Polarwirbel so abgebremst werden, dass über der Polarregion Warmluft in die Stratosphäre vorstoßen kann.

Statistisch gesehen lässt sich ein plötzlicher Temperaturanstieg in der Atmosphäre über dem Nordpol alle zwei Jahre feststellen. In kurzer Zeit kann es mitten im Winter vorkommen, dass die Temperatur über dem Nordpol von minus 80 auf minus 30 Grad ansteigt. Man beobachtet hierbei die Temperaturunterschiede zwischen dem Nordpol und dem 60. Breitengrad. Dabei kann der Wind seine Richtung ändern.

Bei diesem Ereignis steigt die Temperatur in der oberen Stratosphäre über den Polen markant an. Wissenschaftler haben hier einen Temperatursprung von mindestens 25 Grad innerhalb einer Woche in einer beliebigen Stratosphärenschicht der Winterhemisphäre festgelegt. Wenn an mindestens vier aufeinanderfolgenden Tagen eine höhere Temperatur am Nordpol als am 60. Breitengrad registriert wird, dann spricht man von einem minor stratospheric warming. Der Temperaturanstieg löst keine komplette Windumkehr aus.

Die Westwinde, die uns milde Wetterlagen bescheren, werden zwar abgebremst, schlafen jedoch nicht komplett ein. Das heißt, es sind Kälteperioden mit Dauerfrost und Schnee wahrscheinlich. Wenn solch eine Kälteperiode vorkommt, dann ist sie nicht von langer Dauer. Ein Minor-Warming kommt im Verlauf des Winters häufiger vor und hat aber nur selten Einfluss auf den Polarwirbel und dessen Struktur.

Ein Major Warming folgt immer einem Minor Warming. Hierbei ist der Temperatursprung besonders markant. Er muss mindestens 50 Grad betragen. In der polaren Stratosphäre ist es dann deutlich wärmer als am 60. Breitengrad. Zudem dreht der Westwind des Polarwirbels bei 60° Nord komplett auf Ostwind. Wissenschaftler sprechen hierbei von einem "major sudden stratospheric warming", kurz auch Major Warming oder einer markanten plötzlichen Stratosphärenerwärmung.

Die Windumkehr stellt in der Stratosphäre eine gestörte Zirkulation dar. Dort, wo sich zuvor der Polarwirbel positioniert hat, kann sich vorübergehend ein Hoch ausbilden.

Major Warmings lassen die Windmuster in der darunterliegenden Wetterschicht, hier insbesondere den Jetstream, stärker mäandrieren, sodass sich blockierende Wetterlagen häufen. Die Westströmung wird stark nach Süden oder Norden umgelenkt, stattdessen kann Polarluft aus Norden oder Nordosten zu uns fließen.

Beim Final Warming erwärmt sich die Stratosphäre am Ende des Winters nachhaltig, dies geschieht zwischen März und Mai. Der Polarwirbel bricht unwiderruflich zusammen und formiert sich erst wieder zu Beginn des nächsten Winters.

Nach einem major sudden stratospheric warming teilt sich der Polarwirbel nicht selten in zwei, manchmal auch in drei einzelne Zellen auf. Diese Zellen fangen an zu taumeln und werden häufig in südlichere Breiten abgedrängt. Dadurch ändern sich die Strömungsverhältnisse über dem Nordpol. Diesen Vorgang bezeichnet man als Polarwirbel-Split.

Folglich verringert sich der Temperaturgegensatz zwischen der Arktis und den weiter südlich liegenden Regionen, der "Motor" des Polarwirbels säuft quasi ab. Der Jetstream hat dadurch keinen Antrieb mehr und schlingert nachfolgend immer mehr.

Diese veränderten Strömungsverhältnisse können sich zeitverzögert auch in der unteren Atmosphäre durchsetzen. Mit großer Wahrscheinlichkeit breitet sich dann sehr kalte Luft aus nördlichen Breiten bis nach Südeuropa oder Nordafrika aus. Dabei kann ein solcher Split mit spektakulären Kälteeinbrüchen in Europa samt schweren Schneestürmen und klirrendem Frost einhergehen.

Zuletzt passierte das im Rekord-Dezember 2010, im eiskalten Februar 2012, im Schneesturm-März 2013 und im Februar 2021.

Da sich wärmere Wasserflächen und kältere Landmassen auf der Nordhalbkugel ungleich verteilen, hat der nördliche Polarwirbel im Winter oft zwei Zentren - eines über Nordostsibirien und eines über dem Nordosten Kanadas.

Wissenschaftler haben bislang die genaue Ursache für die plötzliche Erwärmung beim Berliner Phänomen noch nicht herausgefunden. Sie vermuten, dass die Klima-Anomalie La Niña, dem Counterpart des El-Niños, daran beteiligt ist.

Es gibt aber Anzeichen, dass das Phänomen aufgrund der Erderwärmung in letzter Zeit häufiger auftritt. Das könnte vor allem an den Veränderungen rund um den Nordpol liegen.

Schmilzt das Meereis nördlich von Skandinavien und Russland, gibt der dann offene Ozean mehr Wärme in die Luft ab. Das wiederum beeinflusst die Stratosphäre und bringt dadurch die Polarwinde durcheinander. Klimamodelle zeigen, dass der damit verbundene Wärmeeinstrom in die Atmosphäre die plötzliche Temperaturerhöhung in der Stratosphäre fördert.

Die Folge ist, dass trotz Erderwärmung in Europa oder Nordamerika immer noch massive Wintereinbrüche möglich sind.

Wenn im Winter der Polarwirbel stark ausgeprägt ist, dann herrscht in der arktischen Stratosphäre oberhalb von 20 Kilometern Höhe extreme Kälte.

Das liegt daran, dass er an seinem ringförmigen Rand immer wieder starke Tiefs mit dem Jetstream nach Osten lenkt. Sie versperren warmen Luftmassen aus dem Süden den Weg in die Arktis. Deshalb kann sich die Luft in der Stratosphäre dort stärker abkühlen als in Jahren mit schwächerem Polarwirbel.

Ein in der Höhe derart eisiges Polartief hat jedoch Folgen für die in der unteren Stratosphäre liegende Ozonschicht. Denn in besonders kalten Wintern bilden sich in der unteren Stratosphäre vermehrt sogenannte Polare Stratosphärische Wolken (PSC). Diese setzen wiederum chemische Prozesse in Gang, die das Ozon angreifen und teilweise zerstören. Sie verursachen dadurch einen starken Ozonschwund, sodass ein Loch in der Ozonschicht der Arktis zurückbleibt.

Forscher kommen zu dem Schluss, dass der Ozonschwund über den Polargebieten letztlich auch eine Folge des Klimawandels sei, weil dieser die Ausprägung starker winterlicher Polarwirbel begünstige. Sie lassen allerdings offen, wie diese Einschätzung mit anderen wissenschaftlichen Erkenntnissen zusammenpasst.

Anderen Studien zufolge hat der Klimawandel nämlich einen gegenteiligen Effekt: Er schwächt den Jetstream und damit auch den Polarwirbel zugunsten häufigerer Extremwetterlagen langfristig eher ab.

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