Stratosphärenanalyse – Theorie

Die Stratosphäre im Winter: Mächtige winterliche Westwinde & ein starker Polarwirbel
Im Winter ist die Stratosphäre über den mittleren und nördlichen Breiten besonders kalt und stark westwinddominiert: Über der gesamten NHK wehen starke winterliche Westwinde und der stratosphärische Polarwirbel erlebt mit der bis in die Troposphäre herunter reichenden Polarfront seine Reifephase aufgrund maximaler Temperaturgegensätze zwischen Nordpol, mittleren Breiten und dem Äquator. Ist der Polarwirbel intakt, weht er also recht zonal von West nach Ost, so ist auch in der Troposphäre mit einer starken Westdrift und in der oberen Troposphäre mit einem starken Polarjet (oder Jetstream, hier: Polarfrontjetstream) zu rechnen, wie die Abbildung für die Troposphäre vereinfacht zeigt:


(Wettersituation in der Troposphäre bei intaktem, stratosphärischen Polarwirbel: Quelle)

Wird der Polarwirbel in der Stratosphäre allerdings gestört und beginnt zu wellen, so beginnt in der oberen Troposphäre der Polarjet ebenfalls zu mäandrieren (Rossbywelle), was oftmals eisige Kaltluftausbrüche weit nach Süden ermöglicht:


Die sogenannten “Plötzlichen Stratosphärenerwärmungen” können eine solche Störung initiieren. “Ursachen der Stratosphärenerwärmungen sind Zirkulationsstörungen durch planetarische Wellen. Diese werden unter anderem an den großen Gebirgszügen der Nordhemisphäre angeregt und breiten sich durch die Troposphäre bis in die Stratosphäre aus. Dort haben sie aufgrund der abnehmenden Luftdichte deutlich größere Amplituden. Lokale Instabilitäten führen zur Dissipation der Wellenenergie (McIntyre und Palmer, 1983), welche die Erwärmung der Stratosphäre zur Folge hat” (MÜLLER 2001).
Ist die Störung der Zirkulation aufgrund von Temperatur- und Druckanomalien in der Stratosphäre besonders markant, kommt es in der Folge oft zu einer Teilung des Polarwirbels in zwei oder drei eigenständige Wirbel (Dipol / Tripolzirkulation) und es braucht Wochen oder gar Monate, bis sie sich wieder vereint haben. Auch in diesem Fall gilt: Ist dieser stratosphärische Tripol-Zustand erreicht, können die eigenständig zirkulierenden Kaltluftblasen in der Troposphäre ihr Unwesen treiben, was oft markante winterliche Wetterlagen mit Schneestürmen zur Folge hat:


Forscher haben durch komplizierte Wechselwirkungen zwischen der Sonnenaktivität und der Stärke des Polarwirbels herausgefunden, dass in Sonnenminima oftmals der Typ einer gestörten Zirkulation vorliegt. Dies erklärt zusätzlich zu einer globalen Abkühlung auch die markant eisigen Winter während Sonnenminima bzw. kleiner Eiszeiten in Eurasien und Nordamerika.

 

Die Stratosphäre im Frühjahr: Das Final Warming zw. März und Mai lässt den Polarwirbel zusammenbrechen
Nähert sich die Sonne im Jahresverlauf dem nördlichen Wendekreis, so wird die Stratosphäre in den mittleren und hohen Breiten besonders stark erwärmt. Diese Erwärmung ist unter dem Begriff “Final Warming” bekannt. Dabei steht das Final Warming nicht im Zusammenhang mit den Plötzlichen Stratosphärenerwärmungen, weil sich diese, im Winter auftretenden Plötzlichen Erwärmungen, abrupt ereignen. Dabei übersteigt ein Major-Warming mit mindestens 50 Grad Temperaturerhöhung in nur wenigen Tagen den Temperaturanstieg des Final Warmings in Umfang und Schnelligkeit erheblich! Das Final Warming bezeichnet also eine relativ langsame Erwärmung der Stratosphäre Ausgangs des Winters zwischen März und Mai. Dabei bricht der Polarwirbel vor allem in den mittleren und hohen Stockwerken zusammen und zieht eine komplette Strömungsumkehr nach sich: Während in den Wintermonaten starke Westwinde die gesamte stratosphärische NHK dominieren, so kippt diese Zirkulation als Ergebnis des Final Warmings innerhalb weniger Wochen in eine mächtige sommerliche Ostwindzirkulation um. Unten, in 100 hPa, bleiben allerdings die nur noch schwach und weit nach Norden verschobenen Reste des winterlichen Polarwirbels meist den ganzen Sommer über erhalten.

Die Stratosphäre im Sommer:  Ostwinde dominieren die NHK, der Polarwirbel existiert nur noch im 100 hPa-Niveau / ganz unten

In den Sommermonaten erreicht die stratosphärische Erwärmung auf der NHK ihren Höhepunkt und der Temperaturgradient zwischen Nordpol und Äquator ist sehr gering. Der Polarwirbel dreht in dieser Zeit als Relikt des Winters nur noch im 100 hPa-Niveau, also an der Unterseite der Stratosphäre, seine Kreise und ist zudem dabei sehr schwach ausgeprägt. In den höheren Stratosphärenschichten ist er jetzt nicht mehr aktiv: Das mächtige polare Tief mit seiner winterlichen Westwindzirkulation durch die gesamte Stratosphäre, hat einem mächtigen polaren Hoch mit markanten sommerlichen Ostwinden Platz gemacht. Auch diese Entwicklung der Stratosphäre findet Ausdruck in der Troposphäre, da der Polarjet als schwache zirkumpolare Strömung jetzt weit nach Norden verschoben ist:

Die Stratosphäre im Herbst: Die Reaktivierung des Polarwirbels durch rasche Abkühlung
Die Reaktivierung des stratosphärischen Polarwirbels beginnt bereits ab Anfang August als Response auf die dann schon wieder negative Strahlungsbilanz (OLR  > ISR) über der Arktis. Dabei verschärft sich der horizontale (Äquator -> Pol) und der vertikale  (1013 hPa -> 1 hPa) Temperaturgradient. In der Folge brechen die mächtigen sommerlichen, stratosphärischen Ostwinde bereits Anfang / Mitte September zusammen und kehren sich in ebenso mächtige winterliche Westwinde um. Das Ergebnis ist ein in der Regel aktiver, winterlicher Polarwirbel  sowie eine komplett westwinddominierte Stratosphäre. Etwa ab Oktober / November hat die Stratosphäre ihre Winterzirkulation erreicht und übt besonders dann einen Einfluss auf unser Wetter aus. Die Dynamik der Stratosphäre steht somit in sehr enger Verbindung mit der Dynamik der Troposphäre und somit auch mit unserem täglichen Wetter (everything is linked in nature). Vergleicht man mit dem Kartenpool die Entwicklungen in 16, 30 und 45 km Höhe, so wird man erkennen, dass tiefes Geopotenzial von unten nach oben vorankommt und die sommerliche Hochdruckdominanz nach und nach verdrängen wird. Die Abkühlung der Stratosphäre wird im Januar ihr Maximum erreichen, solange es nicht zu einer Plötzlichen Stratosphärenerwärmung kommt.


Die Gesamtansicht der thermischen Schichtung im Jahresverlauf
Die Karten der Gesamtansicht der thermischen Schichtung im Jahresverlauf zeigen markante Temperaturveränderungen vom Äquator (0°) zum Nordpol (90°) und zudem vom Bodenniveau (1013 hPa) bis zur Oberkante der Stratosphäre (50 km, 1 hPa) für die NHK. Besonders imposant ist der Temperaturanstieg im Frühjahr (März – Mai: Final Warming) / Abfall im Herbst (September – November: Herbstabkühlung) in der gesamten Stratosphäre bis 1 hPa in den mittleren und hohen Breiten ab etwa 50° Nord. In den Karten erkennen wir in 50 km vor allem die Erwärmung zu den Äquinoktien über dem Äquator, wenn dort zum 21. März und zum 23. September die Sonne senkrecht steht und die maximale Strahlungsmenge die Stratosphäre durch das Ozon entsprechend erwärmt. Ferner erkennen wir in der ersten Jahreshälfte, wie sich der Wärmepol der Stratosphäre in 50 km (1hPa) von der SHK über den Äquator auf die NHK schiebt. In der zweiten Jahreshälfte schiebt sich der Wärmepol in 50 km Höhe vom Nordpol über den Äquator wieder auf die SHK zurück. Damit folgt die maximale Erwärmung der Stratosphäre dem Sonnenstand. Die rasche Erwärmung / Abkühlung der hohen Breiten bzw. des Nordpols (80-90°) beginnt besonders ab Ende März / Ende September und folgt ebenso der Einstrahlung, welche ab Ende März / Ende September für 6 volle Monate 100% erreicht / gegen Null sinkt (Polartag / Polarnacht). Grund für die recht starke Erwärmung in großer Höhe bei Sonneneinstrahlung sind maximale Werte der Ozon-Moleküle in etwa 40km Höhe, welche durch Absorption kurzwelliger Sonnenstrahlung (UV) die Stratosphäre bis 50 km erwärmen (die maximale Ozondichte (Ozon-Moleküle / Luftvolumen) liegt in etwa 25km Höhe).
Auch das Bodenniveau zeigt im Jahresverlauf eine Erwärmung und Abkühlung: Erreicht die 0-Grad-Isotherme Anfang Januar noch 55° nördliche Breite, so hat sie sich bereits bis Juli auf über 80° nach Norden verschoben, bevor sie im Winter wieder nach Süden vordringt.
Ganzjährig nahezu unverändert bleiben die Temperaturen mit etwa minus 70 bis minus 80 Grad nur über dem Äquator in geringer Höhe der Stratosphäre (16 bis 21 Kilometer).