Polarwirbel

Grundidee und Bedeutung

Polarwirbel sind Bereiche kalter, rotierender Luft, die die Polarregionen der Erde und anderer Himmelskörper umgeben. Auf der Erde gibt es einen Polarwirbel über der Arktis und einen über der Antarktis. Beide sind großräumige Höhentiefs mit einem Durchmesser von ungefähr unter 1000 Kilometern. Ihre Basis liegt in der mittleren und oberen Troposphäre, sie reichen bis in die Stratosphäre hinauf.

Polarwirbel sind wichtige Bestandteile der atmosphärischen Zirkulation. Sie gehören zu den großen Systemen der globalen Telekonnektion, also zu Wettermustern, deren Veränderungen auch weit entfernte Regionen beeinflussen können. Besonders wichtig ist, wie stark ein Polarwirbel ausgeprägt ist: Ein starker Wirbel hält kalte Polarluft eher eingeschlossen, ein schwacher oder gestörter Wirbel kann Kaltluftausbrüche in Richtung niedrigerer Breiten begünstigen.

Entstehung und Aufbau

Polarwirbel entstehen, weil die Polargebiete eine negative Strahlungsbilanz haben: Sie verlieren mehr Energie durch Strahlung, als sie aufnehmen. Dadurch bilden sich Kaltluftzonen. In größerer Höhe nimmt der Luftdruck in Richtung Pol stärker ab, als er bodennah in diese Richtung zunimmt.

Den dadurch entstehenden Druckunterschieden wirkt die Corioliskraft entgegen. Sie lenkt bewegte Luft auf der Nordhalbkugel nach rechts ab. Daraus entstehen zirkumpolare Strömungen, die bodennah schwach, in der Höhe aber kräftig ostwärts gerichtet sind. Am Nordpol dreht sich das Tief gegen den Uhrzeigersinn, am Südpol im Uhrzeigersinn.

Polarwirbel sind im Polarwinter besonders stark, weil dann die Temperaturunterschiede zwischen Äquator und Polen groß sind. Im Sommer werden sie schwächer, da sie von diesen Temperaturdifferenzen abhängen. Die Grenzzone zwischen kalter, trockener Polarluft und wärmeren, feuchteren Luftmassen weiter südlich heißt Polarfront. Sie liegt meist ungefähr bei 60° geographischer Breite. Die Polarzelle bezeichnet die dazugehörige Hauptzelle im globalen Klimasystem.

Wissenschaftliche Einordnung

Wissenschaftlich wird ein Polarwirbel als kohärente Struktur mit absoluter potenzieller Vortizität beschrieben, die größer ist als die polare planetare potenzielle Vortizität und über oder nahe dem Pol zentriert ist. Vortizität bezeichnet dabei die Wirbelstärke einer Luftströmung.

Es werden zwei Arten unterschieden. Die erste Art sind Strömungen mit überwiegend zirkumpolarer zyklonischer Bewegung, also kreisender Tiefdruckströmung um den Pol. Beispiele sind die polaren Winterzirkulationen der Stratosphäre auf Erde und Titan sowie der unteren Atmosphäre des Mars.

Die zweite Art sind Polarwirbel kleineren horizontalen Maßstabs. Bei ihnen sind die Unterschiede entlang der Breitenkreise so groß, dass eine starke geschlossene zirkumpolare Strömung fehlt oder nur eine untergeordnete Rolle spielt. Beispiele sind Wirbelhaufen auf Jupiter und troposphärische Polarzyklone im synoptischen Maßstab auf der Erde.

Stärke, Wetterwirkung und Ozon

Die Stärke des nördlichen Polarwirbels wird mit dem AO-Index beschrieben. Ein starker, gut definierter nördlicher Wirbel bildet meist einen einzigen Wirbel mit einem Jetstream; die arktische Luft bleibt dann gut „gefangen“. Ist der Wirbel schwächer, teilt er sich oft in zwei oder mehr kleinere Wirbel. Der stärkste liegt dann häufig nahe Baffin Island in Kanada, ein weiterer über dem Nordosten Sibiriens. Ist der Wirbel sehr schwach, wird die Strömung arktischer Luft unorganisierter. Dann können kalte Luftmassen in Richtung Äquator vordringen und in betroffenen Regionen einen schnellen, starken Temperaturabfall verursachen.

Die Dynamik und das Potenzial der Polarwirbel sowie mögliche Bewegungsmuster wie Rossby-Wellen werden über den AO-Index für die Arktis und den AAO-Index für die Antarktis berechnet und ausgedrückt. Daraus lassen sich Wahrscheinlichkeiten für groß- und kleinräumige Wettereinflüsse ableiten.

Der Einschluss polarer Luftmassen im Auge der Polarwirbel trägt zur Entstehung polarer Ozonlöcher bei. Eine weitere Ursache sind die sehr tiefen Temperaturen, besonders hoch über dem Kontinent Antarktika.

Arktische und antarktische Oszillation

Die Arktische Oszillation, kurz AO, beschreibt den Luftdruckgegensatz zwischen der Arktis und den mittleren Breiten der Nordhalbkugel. Sie wird auch Northern Hemispheric Annular Mode (NAM) genannt. Die längerfristige Hauptlage des nördlichen Polarwirbels liegt direkt über dem Nordpolarmeer, mit einer Tendenz zu Islandtiefs. Wegen der ungleichmäßigen Verteilung warmer Wasserflächen und kalter Landmassen besitzt er aber oft zwei verlagerte Zentren: eines über Nordostsibirien und eines über Nordostkanada.

Im Frühjahr wird der arktische Polarwirbel schneller zerstört als der antarktische. Er kann sich dann zeitweise in meist vier Kerne aufspalten, die kleeblattartig um einen vergleichsweise milden Pol liegen. Das geschieht typischerweise bei stark schwingendem Jetstream und kann Extremwetterlagen auf der ganzen Nordhalbkugel verursachen. Durchschnittlich alle zwei Jahre tritt im Winter der Nordhalbkugel eine plötzliche Stratosphärenerwärmung auf, die mit einem Zusammenbruch des arktischen Polarwirbels verbunden ist.

Die Antarktische Oszillation, kurz AAO, ist stärker und langlebiger als die AO. Der Grund ist, dass die „Roaring Forties“ kaum durch Landmassen gebremst werden. Der Südpolarwirbel liegt in der Nähe des Rands des Ross-Schelfeises bei etwa 160° westlicher Länge. Ist er stark ausgeprägt, wird auch der Westwind der mittleren Breiten stärker und anhaltender. Ist er schwächer, können Hochdruckzonen der mittleren Breiten polwärts drücken und Polarwirbel, Jetstream und Polarfront äquatorwärts verschieben. Der Jetstream verbiegt sich dann und weicht nach Süden ab. Dadurch kann kalte, trockene Luft rasch auf warme, feuchte Luft der mittleren Breiten treffen; der daraus folgende schnelle und deutliche Wetterwechsel wird als Kältewelle bezeichnet.

Andere Himmelskörper

Polarwirbel kommen nicht nur auf der Erde vor. Sie sind auch von anderen astronomischen Körpern bekannt, darunter Jupiter, Mars, Saturn, Saturns größter Mond Titan und Venus.

Auf der Venus gibt es sogar einen Doppelwirbel, also zwei Polarwirbel an einem Pol. Der Polarwirbel über dem Südpol des Saturn ist der einzige bekannte heiße Polarwirbel im Sonnensystem.