Im Winterhalbjahr bildet sich über der Arktis und der Antarktis in höheren Schichten der Atmosphäre (Stratosphäre) jeweils ein ausgeprägter Polarwirbel, der die Strömung in den polaren Breiten bestimmt und auch Einfluss auf das Wettergeschehen in den gemäßigten Breiten hat. Gelegentlich stellt sich eine plötzliche Stratosphärenerwärmung ein und der Polarwirbel bricht zusammen. Die großräumige Strömung stellt sich komplett um mit enormen Auswirkungen.

Die unterste Schicht der Atmosphäre wird Troposphäre genannt, hier spielt sich das Wettergeschehen ab. Sie reicht in den polaren Regionen bis etwa 8 Kilometer hinauf, in den Tropen bis etwa 18 Kilometer. Darüber schließt sich die Stratosphäre an, in der sich der Polarwirbel ausbildet. Er ist angefüllt mit höhenkalter Luft und entsteht durch Temperaturgegensätze zwischen den sich in der dunklen Jahreszeit abkühlenden Luftmassen über den Polen und milderer Luft weiter südlich. Die Atmosphäre ist auf Ausgleich bedacht, die ausgleichende Strömung wird aber durch die Corioliskraft – die Kraft, die durch die Erdrotation entsteht – abgelenkt. Die Luft strömt vor allem in der Stratosphäre rund um den Pol, wo sich der Polarwirbel ausbildet. Innerhalb des Polarwirbels ist die kalte Luft isoliert und kann in der Stratosphäre Temperaturwerte von -80 Grad erreichen. Wegen der unterschiedlichen Verteilung von kalten Landmassen und dem Meer ist der Polarwirbel über der Arktis oft in zwei Teile aufgespalten, über der Antarktis ist es fast immer nur ein Wirbel.

Polarwirbel über der Arktis (Quelle: NASA)

Im Normalfall löst sich der Polarwirbel wieder auf, wenn die Luft im Frühjahr durch die wieder scheinende Sonne erwärmt wird. Manchmal kommt es aber vor, dass der Polarwirbel durch eine so genannte Stratosphärenerwärmung abgeschwächt oder sogar komplett aufgelöst wird. Dann kann die Kaltluft ungehindert in niedrigere Breiten strömen. Man unterschiedet zwischen einem „Minor warming“ – einer leichten Erwärmung mit einer geringfügigen Störung der Zirkulation und nur schwachen Auswirkungen auf die Großwetterlage in den gemäßigten Breiten – und einem „Major warming“. Dabei stellt sich in der Stratosphäre der Polarregion innerhalb weniger Tage eine Erwärmung um bis zu 50 Grad ein. Die Temperaturgegensätze werden quasi aufgehoben und der Polarwirbel bricht komplett zusammen.

Eine solche Stratosphärenerwärmung spielt sich zwar oberhalb der Troposphäre ab, in der unser Wetter gemacht wird, aber sie bleibt nicht ohne Folgen für die tieferen Schichten. Heben sich die Temperaturgegensätze auf, fallen in der Höhe die üblichen starken westlichen Winde („Polarjet“) weg. Die für Mitteleuropa oft wetterbestimmende westliche Strömung in der Höhe kann zusammenbrechen und sehr kalte Luft aus Polarregionen in gemäßigte Breiten ausfließen. Eine starke Stratosphärenerwärmung kann also in einigen Regionen eine extreme Kältewelle einleiten.

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