Jetstream

Definition und grundlegende Eigenschaften

Ein Jetstream, auf Deutsch Strahlstrom oder Strahlströmung, ist in der Meteorologie ein sich dynamisch verlagerndes Starkwindfeld. Es tritt meist in der oberen Troposphäre bis zur Tropopause auf. Allgemein handelt es sich um ein atmosphärisches Windband mit nahezu horizontaler Strömungsachse, der Jetachse. Im Strömungszentrum können Windgeschwindigkeiten bis zu 150 m/s beziehungsweise 540 km/h auftreten. Mit zunehmender Entfernung vom Zentrum nimmt die Geschwindigkeit sowohl vertikal als auch horizontal rasch ab.

Jetstreams gehören zu den geostrophischen Winden. Bei ihnen besteht ein Gleichgewicht zwischen der Druckgradientkraft und der Corioliskraft. Sie entstehen durch globale Ausgleichsbewegungen zwischen unterschiedlich warmen Regionen sowie zwischen Hoch- und Tiefdruckgebieten. Als stärkste natürlich auftretende Winde sind sie im Vergleich zu vielen anderen Wettererscheinungen relativ verlässlich und können über mehrere Tage stabil bleiben. Kurzfristig trennen sie warme und kalte Luftmassen; durch Vertikalbewegungen verwirbeln sie diese in bestimmten Bereichen jedoch wieder.

Arten und räumliches Auftreten

Es gibt vier wesentliche Jetstreams, die sich aus zwei Hauptarten auf der Nord- und Südhalbkugel ergeben. Wegen ihrer großen Höhe werden sie mithilfe von isobaren Höhenwetterkarten ausgewertet, meist bezogen auf die 200-hPa-Druckfläche.

• Der polare Strahlstrom (PFJ, Polarfrontjetstream) verläuft je nach Großwetterlage zwischen 40° und 60° geografischer Breite, im Bereich der 249- bis 300-hPa-Isobare und im Zusammenhang mit der Polarfront. Der nördliche PFJ erstreckt sich über Nordamerika, Europa und Asien sowie die dazwischenliegenden Ozeane; der südliche PFJ kreist hauptsächlich über der Antarktis. Im Kernstrom erreicht er 200 bis 500 km/h. Ein bekanntes Maximum von etwa 650 km/h wurde um 1970 in Japan gemessen. Der PFJ ist der wichtigste Jetstream und für das europäische Wetter besonders bedeutend. Er tritt ganzjährig auf, ist im Winter aber meist stärker und liegt tiefer, weil dann die Temperaturunterschiede zwischen Pol und Äquator größer und die Tropopause niedriger sind. Durch dynamische Effekte besteht er nur aus relativ kurzen Bändern von wenigen tausend Kilometern Länge.

• Der subtropische Strahlstrom (STJ, Subtropenjetstream) liegt nahe den Wendekreisen beziehungsweise in den Subtropen zwischen 20° und 30° geografischer Breite und im Bereich der 150- bis 200-hPa-Isobare. Er entsteht an der Obergrenze des absteigenden Astes der Hadley-Zelle über dem subtropischen Hochdruckgürtel aus dem Antipassat. Der STJ ist schwächer als der PFJ und bildet sich häufig nur in den jeweiligen Wintermonaten. Er steht mit der Subtropenfront in Verbindung, die sich im Gegensatz zur Polarfront meist nicht bis zum Boden erstreckt. Der STJ ist in Lage und Stärke beständiger und verläuft geschlossen um den gesamten Globus.

Weitere Formen sind der Tropical Easterly Jet (TEJ), ein Höhenostwind von der tibetischen Hochebene bis zur innertropischen Konvergenzzone und bis in den Norden Afrikas. Seine stärkste Ausprägung erreicht er im Nordsommer während des indischen Sommermonsuns. Low-Altitude-Jets treten in geringer Höhe nahe Wirbelstürmen auf; der Nocturnal Jet ist ein nächtlicher Low-Altitude-Jet. Außerdem gibt es stratosphärische und mesosphärische Jetstreams. Eine Verwirbelung aus PFJ und STJ wird als Supersturm bezeichnet.

Entstehung durch Druckgradient und Erdrotation

Die wichtigste Energiequelle der atmosphärischen Zirkulation und damit auch der Jetstreams ist die Sonne. Am Äquator ist die Sonneneinstrahlung vergleichsweise stark. Die bodennahe Luft erwärmt sich, besitzt eine geringere Dichte und ist in der Troposphäre lockerer gepackt als die kalte, dichtere Luft an den Polen. Deshalb sinkt der Luftdruck am Äquator langsamer mit der Höhe. Die Troposphäre reicht dort bis ungefähr 18 km, in den gemäßigten Breiten bis etwa 12 km und an den Polen im Mittel nur bis 8 km.

Am Äquator bestehen am Boden ein stabiler Tiefdruckgürtel beziehungsweise die innertropische Konvergenzzone (ITC) und in der Höhe ein Hochdruckgebiet. Über den Polen herrschen am Boden stabile Hochdruckgebiete und in der Höhe ein Höhentief. Die Unterschiede zwischen Äquator und Polen entstehen durch die verschiedenen Einfallswinkel der Sonnenstrahlung und sind daher thermisch bedingt.

Die Druckgradientkraft, auch Gradientkraft oder Druckgradientkraft genannt, wirkt als Ausgleichskraft zwischen Hoch- und Tiefdruckgebieten. Höhenluft bewegt sich vom Höhenhoch am Äquator in Richtung des Höhentiefs an den Polen, also vom höheren zum niedrigeren Druck. Je größer die Druck- und Temperaturunterschiede sind, desto stärker sind Druckgradientkraft und Wind. Mit der Höhe zunehmende Druckunterschiede können sich in der reibungsarmen freien Atmosphäre zu starken Strömungen entwickeln. In der Nähe der Tropopause und in der Stratosphäre nehmen die Druckunterschiede wieder stark ab. Deshalb entstehen Jetstreams besonders an scharfen Luftmassengrenzen und sind vertikal auf einen begrenzten Bereich beschränkt.

Die Erdrotation lenkt die polwärts strömende Luft durch die Corioliskraft ab. Auf der Nordhalbkugel erfolgt die Ablenkung nach rechts, auf der Südhalbkugel nach links. Für polwärts strömende Luft bedeutet dies auf beiden Halbkugeln eine Ablenkung nach Osten; aus den polwärts gerichteten Gradientenwinden werden ostwärts strömende Jetstreams. Die horizontale Corioliskraft ist am Äquator null und nimmt zu den Polen hin zu. Ihre vertikale Komponente beeinflusst auf- und absteigende Luft: Aufsteigende Luft wird nach Westen, absteigende nach Osten abgelenkt. Diese Komponente nimmt vom Äquator zu den Polen ab und ist an den Polen null.

Entdeckung und meteorologische Bedeutung

Im späten 19. Jahrhundert schloss man aus hochgelegenen Wolkenformationen auf starke Höhenwinde, erkannte deren Regelmäßigkeit aber zunächst nicht. Der japanische Meteorologe Oishi Wasaburo untersuchte sie 1924 genau. Johannes Georgi entdeckte 1926 und 1927 bei Ballonsondierungen an der Nordspitze Islands in 10 bis 15 km Höhe starke Höhenwinde, die sich nicht unmittelbar aus dem Bodendruckfeld erklären ließen.

In den 1930er Jahren wurden internationale Vertikalsondierungen durchgeführt. Richard Scherhag erstellte ab 1935 regelmäßig Höhenwetterkarten und berechnete 1937 für 5000 m Höhe einen Gradientwind von 275 km/h. Deutsche Wetterflieger maßen am 20. Februar 1937 bei einem Flug von Frankfurt am Main in den Jetstream eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit von 280 km/h; die Heinkel He 46 flog oberhalb von 5500 m rückwärts von Mainz bis Frankfurt. Heinrich Seilkopf verwendete 1939 den Begriff „Strahlströmung“ für eine Schicht maximaler Windgeschwindigkeit nahe der Tropopause. 1942 wies Sverre Petterssen den Jetstream ebenfalls nach und untersuchte seine Entstehungsmechanismen. Jacob Bjerknes verwendete 1943 bei einem Vortrag in England den Begriff Jetstream. Carl-Gustaf Rossby förderte während des Zweiten Weltkriegs die Ausbildung von etwa 8000 Wetterberatern und arbeitete intensiv an der Erforschung und Vorhersage der Verlagerung des Jetstreams.

Jetstreams beeinflussen die Luftdruckverteilung, die Wind- und Luftdruckgürtel sowie den globalen Wärmeübergang zwischen Tropen und Polen. An der Polarfront führen große Temperaturunterschiede und Hindernisse wie Himalaya und Rocky Mountains zu mäandernden Rossby-Wellen. Der Jetstream liegt dabei zwischen warmer Luft der mittleren Breiten und kalter Luft höherer Breiten. In den Wellentälern, den Trögen, können dynamische Tiefdruckgebiete in Richtung Pol ausscheren; unter den Wellenbergen, den Rücken, können Hochdruckgebiete in Richtung Äquator ausscheren. Diese Wellen sind auf der Nordhalbkugel wegen großer Gebirge stärker ausgeprägt.

Im Sommer können sich die Rossby-Wellen des Polarfrontjets stabilisieren. Ihre südliches Vordringen sowie Anzahl und Form bestimmen dann wesentlich die Wetterlage in Mitteleuropa. Als mögliche Ursache zunehmender Wetterextreme wurde 2014 ein Resonanzmechanismus diskutiert, der Wellen in den mittleren Breiten festhält und verstärkt. Genannt werden unter anderem die Omegalage von 2010 mit Überschwemmungen in Pakistan und Mitteleuropa, Ernteeinbußen und Waldbrände um Moskau. Klimamodelle stellen außerdem Zusammenhänge zwischen einer Abschwächung und Verwirbelung des Jetstreams, Kälteeinbrüchen in den USA und lang anhaltenden Hitzeperioden in Europa her. Ob ein abgeschwächter oder instabiler Jetstream längere Zeit ortsfeste Hoch- und Tiefdruckgebiete verursacht, wird jedoch als Frage von Kausalität oder Korrelation diskutiert. Auch ein Doppel-Jet über Süd- und Nordeurasien wird als mögliche Ursache europäischer Hitzewellen genannt. Zudem wird die menschengemachte Beeinflussung der Ozonschicht als weiterer Einfluss erwähnt.

Bedeutung für Luftfahrt, Astronomie und Energiegewinnung

Im Linienflugverkehr über große Entfernungen, etwa zwischen Nordamerika und Europa, werden Jetstreams als Rückenwind genutzt und als Gegenwind möglichst vermieden. Flughöhen und Routen werden deshalb an ihren Verlauf angepasst. In Höhen von 10 bis 12 km können Routen weit abseits der direkten Luftlinie beziehungsweise der Orthodrome, also des Großkreises, sinnvoll sein und mehrere Stunden Zeit sparen. Das stellt zusätzliche Anforderungen an Navigation und Flugsicherung. Gegenwind kann die Geschwindigkeit über der Erdoberfläche stark verringern. Werden solche Winde bei einfacher Koppelnavigation ohne Trägheitsnavigationssystem und bei schlechter Sicht nicht berücksichtigt, sind grobe Fehleinschätzungen der Position möglich. Beim Flugunfall der Star Dust 1947 ging das Flugzeug bei der Andenüberquerung zu früh in den Sinkflug und prallte gegen einen Berghang.

Auch Ballonfahrten können Jetstreams nutzen. Ende des Zweiten Weltkriegs setzte Japan mit Sprengstoff beladene Ballons gegen das amerikanische Festland ein, allerdings ohne größere Erfolge. Bei der ersten Ballon-Weltumrundung 1999 nutzten Bertrand Piccard und Brian Jones die Höhenwinde; anhand von Wetterdaten und mit Unterstützung von Bodenstationen wurde eine passende Route abseits des Äquators gewählt. Jetstreams gehen außerdem mit Gebieten verstärkter Turbulenz einher, die bei Flügen berücksichtigt werden müssen.

In der Astronomie beeinflusst der Jetstream das Seeing, also die durch die Atmosphäre verursachte Einschränkung der Bildqualität bei visueller Beobachtung und Astrofotografie. Geschwindigkeitsunterschiede zwischen dem Jetstream und tieferen Luftschichten erzeugen Turbulenzen. Diese verändern den optischen Brechungsindex der Luft schnell und verschlechtern dadurch die Abbildung.

Die Nutzung von Jetstreams als Primärquelle erneuerbarer Energie durch Flugwindkraftwerke befindet sich bisher nur im Forschungs- und Entwicklungsstadium.

Jetstreams auf anderen Planeten

Mithilfe des Very Large Telescope maßen das Max-Planck-Institut für Astronomie und die Europäische Südsternwarte am Äquator des Exoplaneten WASP-127b Luftströme von etwa 33.000 km/h. Damit wurde eine zuvor nicht gemessene Windgeschwindigkeit erreicht. Der vorherige Rekord lag bei etwa 1800 km/h und wurde auf dem Neptun gemessen.