Polarwirbel

Grafische Animation des Nordpolarwirbels und der arktischen Oszillation zwischen 24. und 29. Januar 2019: Die Ausdehnung und Ausstülpung führt zu sehr kalten Temperaturen bis in die Mitte Nordamerikas[1]
Lage der nörd- und südlichen Polarzelle sowie weitere Basiselemente der globalen Meteorologie („Wetterküche“)

Polarwirbel (englisch polar vortex) sind Bereiche kalter, rotierender Luft, welche beide Polarregionen der Erde und anderer Himmelskörper umgeben.

Die beiden Polarwirbel der Erde über der Arktis bzw. Antarktis sind großräumige Höhentiefs[2] mit einem Durchmesser von ca. unter 1.000 Kilometern. Beide sind wesentliche Elemente der atmosphärischen Zirkulation und gehören zu den großen Systemen der globalen Telekonnektion; die Basen der beiden Polarwirbel befinden sich in der mittleren und oberen Troposphäre und reichen bis in die Stratosphäre hinauf.

Bei einem Polarwirbel handelt es sich wissenschaftlich um eine kohärente Struktur mit absoluter potenzieller Vortizität, die größer ist als die polare planetare potenzielle Vortizität, und die über oder in der Nähe des Pols zentriert ist.[3] Hierbei lassen sich zwei Arten unterscheiden. Einerseits sind Polarwirbel Strömungen, in denen eine überwiegend zirkumpolare zyklonische Strömung vorliegt.[3] Beispiele hierfür sind die polaren Winterzirkulationen der Stratosphäre von Erde und Titan sowie der unteren Atmosphäre des Mars.[3] Andererseits sind Polarwirbel Strömungen kleineren horizontalen Maßstabs, bei denen die zonalen Asymmetrien groß genug sind, dass eine starke zirkumpolare Strömung fehlt oder von untergeordneter Bedeutung ist.[3] Beispiele hierfür sind die Wirbelhaufen des Jupiter oder troposphärische Polarzyklone im synoptischen Maßstab auf der Erde.[3]

Hintergrund

Polarwirbel entstehen aufgrund der negativen Strahlungsbilanz der Polargebiete als Kaltluftzonen: In der Höhe nimmt der Luftdruck polwärts deutlicher ab, als er bodennah in dieser Richtung zunimmt. Den Druckunterschieden steht die Corioliskraft zirkumpolarer Strömungen entgegen, bodennah schwach ausgeprägt, in der Höhe kräftig ostwärts: Die Winde werden in Bewegungsrichtung nach rechts abgelenkt, in der Folge als polare Ostwinde bezeichnet; am Nordpol dreht sich das Tief also gegen den, am Südpol im Uhrzeigersinn. Polarwirbel treten aufgrund der dann besonders großen Temperaturunterschiede verstärkt im Polarwinter auf; im Sommer schwächen sie sich aufgrund ihrer Abhängigkeit von den Temperaturdifferenzen zwischen dem Äquator und den Polen ab. Die Wirbel sind auch von Jahr zu Jahr unterschiedlich stark ausgeprägt, mit dem AO-Index wird die Stärke des nördlichen angegeben: Wenn der nördliche Wirbel stark und damit gut definiert ist, gibt es einen einzigen Wirbel mit einem Jetstream und die arktische Luft ist gut „gefangen“; ist er wie im Allgemeinen schwächer, teilt er sich in zwei oder mehr kleinere Wirbel, von denen der stärkste in der Nähe von Baffin Island (Kanada) und der andere über dem Nordosten Sibiriens zirkuliert[4]; wenn er sehr schwach ist, wird die Strömung der arktischen Luft unorganisierter, und Massen kalter arktischer Luft können sich Richtung Äquator bewegen, was einen schnellen und starken Temperaturabfall in den entsprechenden Gegenden mit sich bringt.

Die Schnittstelle zwischen der kalten trockenen Luftmasse des Nordpols und den wärmeren und feuchteren Luftmassen weiter südlich definiert die Lage der „Polarfront“, sie hat ihren Mittelpunkt in der Regel bei ca. 60° geographischer Breite;[5] die „Polarzelle“ markiert die zugrundeliegende Hauptzelle des globalen Klimasystems.

Der Einschluss der polaren Luftmassen im Auge der Polarwirbel ist eine Ursache der Entstehung von polaren Ozonlöchern, eine andere sind die sehr tiefen Temperaturen insbesondere hoch über dem Kontinent Antarktika.

Varianz der monatlichen Basiswerte für A- und AAO (NOAA; 1950–2000)[6]

Dynamik und Potential der Polarwirbel, das Maß ihrer Ausprägung und der damit möglichen Bewegungsmuster (-> Rossby-Wellen) werden mittels des „AO“- (-> Arktische Oszillation) bzw. „AAO“-Indexes (-> Antarktische Oszillation) berechnet und ausgedrückt; aus ihnen lassen sich Wahrscheinlichkeiten entsprechender groß- und kleinformatiger Wettereinflüsse ableiten.

Arktische Oszillation

Die Arktische Oszillation (AO, engl. auch Northern Hemispheric Annular Mode (NAM)) ist Ausdruck des Luftdruckgegensatzes zwischen den arktischen und den mittleren Breiten auf der Nordhemisphäre: Die längerfristige statische Hauptlage des nördlichen Polarwirbels ist direkt über dem Nordpolarmeer, mit einer Tendenz zu Islandtiefs. Er hat aber aufgrund der ungleichmäßigen Verteilung warmer Wasserflächen und kalter Landmassen oft zwei verlagerte Zentren: Eines über Nordostsibirien und eines über Nordostkanada[7] – und wird im Frühjahr schneller als die AAO zerstört. Außerdem kann sich der Wirbel dann zeitweise in meist vier Kerne aufspalten, die kleeblattartig um einen vergleichsweise milden Pol liegen. Das tritt typischerweise bei stark schwingendem Jetstream auf und führt zu Extremwetterlagen der ganzen Nordhalbkugel (Polar vortex split).

Durchschnittlich alle zwei Jahre tritt im Winter der Nordhalbkugel das Phänomen einer plötzlichen Stratosphärenerwärmung auf, das mit einem Zusammenbruch des arktischen Polarwirbels verbunden ist.

Antarktische Oszillation

Die Antarktische Oszillation der Südhalbkugel (AAO) ist stärker und langlebiger als die AO, weil die „Roaring Forties“ kaum durch Landmassen gebremst werden; sie ist in der Nähe des Ross-Schelfeis-Rands nahe 160° westlicher Länge zu finden. Ist der Südpolarwirbel stark ausgeprägt, wird auch der Westwind der mittleren Breitengrade (Winde an der Erdoberfläche zwischen 30° und 60° westlicher Breite) stärker und anhaltender. Ist dieser Polarwirbel schwächer, können Hochdruckzonen der mittleren Breiten polwärts sowie den Polarwirbel, Jetstream und die Polarfront äquatorwärts drücken: Der Jetstream „verbiegt“ sich und weicht nach Süden ab; dadurch kommt kalte, trockene Luft schnell mit der warmen, feuchten Luft der mittleren Breiten in Kontakt, was zu einem raschen und dramatischen Wetterwechsel führt, der als „Kältewelle“ bekannt ist.[8]

Polarwirbel auf anderen Planeten

Polarwirbel auf dem Mars-Nordpol:
In einer Höhe von etwa 1.600 km über der Marsoberfläche;
rechts oberhalb des Zyklons die entsprechende Eiskappe
(Weltraumteleskop Hubble,
20. Februar 2007)[9]

Auch von anderen astronomischen Körpern (Planeten) sind polare Wirbel bekannt, darunter Jupiter, Mars, Saturn, Saturns größtem Mond Titan sowie von der Venus, hier sogar ein Doppelwirbel, d. h. zwei Polarwirbel an einem Pol.[10]

Der Polarwirbel über dem Saturn-Südpol ist der einzige bekannte heiße solcher Wirbel in unserem Sonnensystem.[11]

Siehe auch

Commons: Polarwirbel – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. ↑ Arctic Weather Plunges into North America. 29. Januar 2019, abgerufen am 7. April 2020 (englisch).
  2. ↑ AMetSoc: Polar vortex. In: Glossary. Abgerufen am 18. August 2014.
  3. ↑ a b c d e Mitchell, D.M. et al. 2021. Polar vortices in planetary atmospheres. Reviews of Geophysics. doi:10.1029/2020RG000723
  4. ↑ Polarwirbel. In: Glossar der Meteorologie. American Meteorological Society, Juni 2000, abgerufen am 15. Juni 2008.
  5. ↑ Halldór Björnsson:Global circulation. (Memento vom 24. Mai 2012 im Webarchiv archive.today) Veðurstofa Íslands. Abgerufen am 15. Juni 2008 (englisch).
  6. ↑ Teleconnection Pattern Calculation Procedures: 2. North Atlantic Oscillation / Pacific - North American pattern (NAO/PNA). cpc.ncep.noaa.gov > Monitoring Weather & Climate > Teleconnections;
    und Technique for Identifying the Northern Hemisphere Teleconnection Patterns. cpc.ncep.noaa.gov > Monitoring and Data > Oceanic & Atmospheric Data > Northern Hemisphere Teleconnection Patterns (beide abgerufen am 25. November 2017; englisch)
  7. ↑ Polartief. In: Spektrum Akademischer Verlag: Lexikon der Geographie, 2001.
  8. ↑ Stratospheric polar vortex influences winter cold, researchers say. Abgerufen am 10. April 2020 (englisch).
  9. ↑ photojournal.jpl.nasa.gov (7. April 2020; englisch)
  10. ↑ Double vortex at Venus South Pole unveiled! In: European Space Agency. Abgerufen am 11. September 2018 (britisches Englisch). 
  11. ↑ Saturn's Bull's-Eye Marks Its Hot Spot. NASA, 2005, abgerufen am 8. Januar 2014 (englisch).

Auf dieser Seite verwendete Medien

Earth Global Circulation - de.svg
Autor/Urheber: , Lizenz: CC BY-SA 3.0
Globale Zirkulation der Erdatmosphäre mit Hadley-Zelle, Ferrell-Zelle und Polarzelle
North america polar vortex january 2019.webm
A video file showing the polar vortex that affected North American from January 24 to 29, 2019, shwoing the near-surface temperatures of the globe.
Mars cyclone.jpg
Original Caption Released with Image:

[left]: Here is the discovery image of the Martian polar storm as seen in blue light (410 nm). The storm is located near 65 deg. N latitude and 85 deg. W longitude, and is more than 1000 miles (1600 km) across. The residual north polar water ice cap is at the top of the image. A belt of clouds like that seen in previous telescopic observations during this Martian season can also be seen in the planet's equatorial regions and northern mid-latitudes, as well as in the southern polar regions. The volcano Ascraeus Mons can be seen as a dark spot poking above the cloud deck near the western (morning) limb. This extinct volcano towers nearly 16 miles (25 km) above the surrounding plains and is about 250 miles (400 km) across.

[upper right]: This is a color polar view of the north polar region, showing the location of the storm relative to the classical bright and dark features in this area. The color composite data (410, 502, and 673 nm) indicate that the storm is fairly dust-free and therefore likely composed mostly of water ice clouds. The bright surface region beneath the eye of the storm can be seen clearly. This map covers the region north of 45 degrees latitude and is oriented with 0 degrees longitude at the bottom.

[lower right]: This is an enhanced orthographic view of the storm centered on 65 deg. N latitude, 85 deg. W longitude. The image has been processed to bring out additional detail in the storm's spiral cloud structures.

The pictures were taken on April 27, 1999 with the NASA Hubble Space Telescope's Wide Field and Planetary Camera 2
Nao+ao~variance.gif
Variance of monthly mean AO and NAO indices (CDAS RPCA/EOF analysis, 1950-2000), see NOAA-CPC: Teleconnection Pattern Calculation Procedures