Polar-Zelle

 

 

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Die Polarzelle

Die Polarzelle bildet zusammen mit der Hadley-Zelle und der Ferrel-Zelle ein System der planetaren Zirkulation in der Troposphäre. Als polare Hochdruckkappe ist sie, außer am Rand im Bereich der Polarfront, sehr stabil. Die Polarzelle wird Richtung Äquator durch unstabile Rossby-Wellen an der Polarfront von der Ferrel-Zelle getrennt.

In den Polarregionen verliert die Luft mehr Wärme als ihr zugeführt wird. Das Resultat ist eine starke Abkühlung der Luft und eine Zunahme der Luftdichte. Aufgrund der Schwerkraft sinkt diese kalte und dichte Luft aus der Höhe ab. Durch dieses Absinken von kalten, trockenen Luftmassen entsteht am Boden ganzjährig ein linsenförmiges Hochdruckgebiet, das polare Kältehoch. Die aus der Höhe absinkende Luft wird fortlaufend durch Luft ersetzt, welche aus niedrigeren Breiten polwärts nachströmt. Diese Höhenströmung wird infolge der Corioliskraft (Rechtsablenkung der bewegten Luftteilchen auf der Nordhalbkugel aufgrund der Erdrotation) auf der Nordhemisphäre nach rechts, auf der Südhemisphäre nach links zu Höhenwestwinden umgelenkt.

Zirkulationsmodell mit Jetstreams

In Bodennähe strömen diese Luftmassen in Richtung Äquator zum dort herrschenden niedereren Druck und werden dabei durch die Corioliskraft nach Osten abgelenkt. Die polaren Ostwinde, die den 60. Breitengrad erreichen, sind so weit erwärmt, daß sie zusammen mit den dortigen wärmeren Luftmassen an der Polarfront aufaufsteigen. In der Höhe strömt die Luft als Gegenstrom an der Tropopause entlang zum Pol zurück und sinkt dort im polaren Hoch wieder ab, womit der Kreislauf geschlossen ist.

So ergibt sich eine einfache geschlossene polare Zirkulation, die als Polarzelle bezeichnet wird.

In der Antarktis mit ihrem 2.800 m hohen Polarplateau sind katabatische, d.h. schwerkraftgetriebene Fallwinde beherrschend, die vom Polarplateau viele hundert Kilometer über das Eis zur Küste hin wehen und dabei Geschwindigkeiten von über 300 km/h erreichen können.

Polare Ostwinde

Die Luft am Boden strömt mit so geringer Geschwindigkeit aus dem polaren Bodenhoch äquatorwärts, daß sich großflächig eine relativ einheitliche polare Luftmasse ausbildet. Durch Reibung an der Erdoberfläche und die Corioliskraft wird die Luft so abgelenkt, daß sie aus nordöstlicher bzw. südöstlicher Richtung äquatorwärts weht (polare Ostwinde, siehe Abbildung rechts). Die kalte Polarluft trifft in etwa am Polarkreis auf die vergleichsweise wärmere Luft der gemäßigten Breiten, die sie infolge ihrer größeren Dichte vom Boden soweit abhebt, daß diese von den zirkumpolaren Höhenwestwinden polwärts verfrachtet werden kann. Zum Teil steigt sie im Gebiet der Polarfront wieder auf, um in ein Höhentief, die Polarzyklone (Polarwirbel) einzufließen. Dieser Grenzbereich zwischen den entgegengesetzt fließenden Luftmassen der polaren Kaltluft und der subtropischen Warmluft bildet die Polarfront.

Diese Beschreibung ist nur eine vereinfachte Darstellung der Austauschprozesse der Polarregionen.

Polarzelle

Rossby-Wellen

Polarfront

Als Polarfront wird die Grenzfläche zwischen den entgegengesetzt strömenden Luftmassen der polaren Kaltluft und der subtropischen Warmluft verstanden. Anders als die wetterwirksamen Fronten der Tiefdruckgebiete trennt die Polarfront zwei Hauptluftmassen, weshalb sie auch als klimatische Front bezeichnet wird. Sie ist nicht als gleichmäßiger Gürtel ausgebildet, sondern verschiebt sich mit dem großräumig unterschiedlichen Vordringen polarer und warmer Luftmassen nach Süden bzw. Norden in den sog. Rossby-Wellen. Die Polarfront ist als Verwirbelungszone das Ursprungsgebiet der das Wettergeschehen stark bestimmenden dynamischen Tiefdruckgebiete in den höheren Mittelbreiten .

Die Bezeichnung Polarfront ist meteorologisch inzwischen aber veraltet. Heute hat sich die Vorstellung einer planetarischen Frontalzone durchgesetzt, an der sich Tiefdruckwirbel (Zyklonen) bilden.

 

 

Polarfront

Polarwirbel

Polarwirbel

Durch die Absinkbewegung der Luft in der Polarzelle bilden sich in der Stratosphäre über beiden Polen der Erde zwei großräumige Höhentiefs, die Polarwirbel (Polarzyklone), welche als abwärtsgerichtete, kalte Tiefdruckwirbel bis in die mittlere Troposphäre hinabreichen. Die Stratosphäre ist die Atmosphärenschicht oberhalb der Troposphäre, in der sich die meisten Wettervorgänge abspielen. Die Stratosphäre enthält nur wenig Wasserdampf, dafür aber große Mengen Ozon, welches die für das Leben gefährlichen Anteile der von der Sonne kommenden Ultraviolettstrahlung absorbiert. Dadurch ist die Stratosphäre immer deutlich wärmer als die obere Troposphäre. Am Boden bildet sich dementsprechend ein flaches Kältehoch, das von dem hochreichenden Tief überlagert wird. Weil im Tief die Luft zusammenströmt, entwickelt sich aufgrund der Corioliskraft  schließlich eine ostwärts gerichtete zirkumpolare Strömung. Wegen der ungleichmäßigen Verteilung von wärmeren Wasserflächen und kälteren Landmassen hat der nördliche Polarwirbel oft zwei Zentren - eines über Nordostsibirien und eines über Nordostkanada.

 

Die Polarwirbel sind wesentliche Elemente der planetaren atmosphärischen Zirkulation. Sie entstehen aufgrund der unterschiedlichen Rotation der Atmosphäre um die Erde entgegen der Drehrichtung der Erde, wie das auch bei Wirbelstürmen auf der Nord- bzw. Südhalbkugel der Fall ist. Es handelt sich bei den Polarwirbeln über der Arktis und Antarktis aufgrund negativen Strahlungsbilanz der Pole um thermisch bedingte Kaltlufthochs. Ein Polarwirbel kann sich nur bilden, wenn die Stratosphäre über den Polen ausreichend kalt ist. Besonders während der langen Polarnacht im polaren Winter nehmen die jeweils betroffenen Polarwirbel an Stärke zu. Dann ist der stratosphärische Temperaturgradient besonders hoch. Dieser treibt den Stratosphärenjetstream am äußeren Rand des Polarwirbels an, welcher wiederum ein Antriebsmotor des troposphärischen Jetstreams ist. Ein starker Polarwirbel begünstigt eine eher polnähere (nördlichere), zonale Zirkulation (entlang der Breitengrade), ein schwacher und erst recht ein gespaltener Polarwirbel dagegen eine polfernere (südlichere) meridionale Zirkulation (entlang der Längengrade).

Die Polarwirbel sind die Hauptverursacher des Ozonlochs, da sie zur hochreichenden Durchmischung der Atmosphäre führen. Die Polarwirbel am Südpol sind dabei wegen der Eisoberfläche der Antarktis stärker ausgeprägt als die Polarwirbel über dem Nordpol, wo sie durch Landmassen und Meeresströmungen abgeschwächt werden.

 

schwacher Polarwirbel = kalte Winter

Polarwirbelsplit

Die beiden Polarwirbel sind aber auch für das Wettergeschehen in unseren Breiten von ausschlaggebender Bedeutung. Fällt nämlich schon im Oktober in Sibirien außergewöhnlich viel Schnee, entstehen über der ausgedehnten Schneedecke am Boden besonders tiefe Temperaturen. Das sich über Sibirien zu eben dieser Zeit aufbauende Kältehoch wird dadurch überdurchschnittlich stark und blockiert dann auf der Nordhalbkugel den von West nach Ost gerichteten troposphärischen Polar-Jetstream, der deshalb stark zu mäandrieren beginnt (Rossby-Wellen). Die vom Jetstream mitgeführten Tiefdruckwirbel werden daher zu großen Umwegen gezwungen. Die Zirkulation wird dadurch ausgesprochen meridional, also parallel zu den Längenkreisen (entweder in Süd-Nord-Richtung oder umgekehrt) orientiert. Die entstehenden Rossby-Wellen pflanzen sich nach oben bis zur Stratosphäre fort und versetzten auch den zum Polarwirbel gehörenden stratosphärischen Jetstream in Schwingungen. Die Windgeschwindigkeiten nehmen daraufhin stetig weiter ab bis nach ca. 3 Monaten der polare Stratosphärenjet so instabil wird, daß über der Polarregion Warmluft in die Stratosphäre vorstoßen kann. Diese Stratosphärenerwärmung findet somit im Januar des Folgejahres statt und führt zum Zusammenbruch des Polarwirbels, der sich dann in zwei kleinere Wirbel aufspaltet (Polarwirbelsplit). Einer liegt dann in der Regel über dem Norden Nordamerikas und Kanadas, der andere verlagert sich nach Europa oder noch weiter östlich.

Das verändert die gesamte Zirkulation auf der Nordhalbkugel grundlegend. Damit fällt nämlich ein wichtiger Antriebsmotor für den troposphärischen Jetstream aus, so daß er zunehmend mäandriert, seine Windgeschwindigkeiten sich vermindern und er sich weiter nach Süden verlagert. Die Westdrift bricht in der Folge vollständig zusammen. Die dann vorherrschende meridionale Zirkulation begünstigt Kaltluftausbrüche (Tröge und Kaltlufttropfen) nach Süden. Die Strömung dreht schließlich von West auf Ost. Und das hat einschneidende Folgen für unser Wetter. Falls sich dabei nämlich eine Lage etabliert, in der sich das Hochdruckgebiet auf den Atlantik, nach Grönland und oder Island verlagert und ein Teil des Polarwirbels nördlich oder knapp östlich von uns liegt, kommen die Luftmassen direkt aus Norden oder Osten zu uns und sind entsprechend kalt. In der Regel dauert dieser Prozeß 2 - 3 Wochen. Es wird also Anfang/Mitte Februar, bis sich die Änderung in 10 - 50 km Höhe schrittweise bis an den Boden vorgearbeitet hat und wir in Mitteleuropa die Kälte abbekommen. In den betroffenen Regionen (Europa, Asien, östliches Nordamerika) gibt es dann einen kalten Winter. In einigen Gegenden der nördlichen Breiten fallen die Winter aber durch die im Gegenzug nach Norden vorstoßende Warmluft dafür relativ mild aus.

Oberhalb der Tropopause herrscht Isothermie bzw. die Temperatur steigt sogar wieder an. Somit ändert der Temperaturgradient oberhalb der polaren Tropopause sein Vorzeichen und der geostrophische Wind nimmt an Intensität ab. Das geschieht in ca. 10 km Höhe und hier liegt auch das Maximum des geostrophischen Windes. Dieser Prozeß erfolgt meist 1 km unterhalb der subtropischen Tropopause in etwa bei einer Höhe von 300 hPa oder FL 300. Der Jetstreamkern liegt also oberhalb der Polarfront auf der subtropischen Seite mit einer Maximalgeschwindigkeit von rd. 80 m/s oder ca. 290 km/h bzw. 155 kt. An der Grenze der oberen Polarfront entstehen wegen der großen horizontalen und vertikalen Windscherungen starke Turbulenzen. In der Fliegerei werden sie Clear Air Turbulence (Abk. CAT) genannt, da man die Turbulenzen nicht direkt sehen oder durch sichtbare Anzeichen erahnen kann. Diese Turbulenzen sind direkt neben und unterhalb der horizontalen Jetachse in der Polarfront in Richtung der kälteren Luftmasse am stärksten.

Windgeschwindigigkeiten im Jetstream

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