Ein Hauch Asgards: Stratosphärenwolken aus der Arktis

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Stratosphärenwolken: Wie ein eisiger Gruß von einem nordischen Gott; © Gernot Keller auf commons.wikimedia.org, Lizenz: CC BY-SA 2.5, hier: Augen zugefügt.
Stratosphärenwolken: Wie ein eisiger Gruß von einem nordischen Gott; © Gernot Keller auf commons.wikimedia.org, Lizenz: CC BY-SA 2.5, hier: Augen zugefügt.

Wem Anfang Februar ein violettfarbenes Sonnenuntergangsspektakel in Erinnerung geblieben ist: Ursache dafür waren die nordischen Götter, die mit dem Polarwirbel uns besuchten, um zu verstehen, warum es in Deutschlands Flachlanden einfach kein Winter werden will. Dabei brach sich das Sonnenfeuer auf ihren kältedampfenden, irisierenden Rüstungen und streute das Licht in ein violettes Spektakel.

Die Meteorologen vom DWD beschreiben es etwas anders: Wenn der Polarwirbel in Stratosphärenhöhe (10 hPa) Richtung Europa schwenkt (was sehr selten geschieht), dann sehen wir Wolken in stratosphärischer Höhe von 15-30 km, die perlmuttähnlich glänzen und es kommt zu besagten, farbenfrohen Sonnenuntergängen, die noch eindrucksvoller sind als die Sofetenvariante. Letztere äußert sich in der Regel "Abendrot - Gutwetterbot'" und meint: Ein roter Sonnenuntergang zeigt ein Hoch im Westen, das auf uns zukommt und Wärmehölle bringt. Da in regenfreien Hochdruckgebieten der Staubanteil hoch ist, streut dieser das Sonnenlicht und blockiert den blauen Anteil, sodass der rote übrig bleibt.
Die Farbspiele durch Polare Stratosphärenwolken haben jedoch einen ganz anderen Hintergrund als die normalen Sonnenuntergänge.

Wie entstehen Stratosphärenwolken?

Polare Stratosphärenwolken (auch PSCs genannt = polar stratospheric clouds) entstehen unter völlig anderen Bedingungen als die Wolken, die wir aus den unteren Luftschichten kennen und oft genug sehen. Während diese durch Konvektion entstehen, wenn Wärme* aufsteigt und die Feuchtigkeit vom Boden emporhebt, bis diese in etwa 2 Kilometern Höhe kondensiert und Wolken bildet, so gibt es schließlich beim Polarwirbel kaum Wasser.
Woher kommen also die Wolken in 15-30 km Höhe?

Polare Stratosphärenwolken, aufgenommen 2002 in Deutschland, © <a href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Eiswolken.jpg" target="_blank" rel="noopener">Florentin Moser auf commons.wikimedia.info</a>, Lizenz: <a href="https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.en" target="_blank" rel="noopener">CC BY-SA 3.0</a>.
Polare Stratosphärenwolken, aufgenommen 2002 in Deutschland, © Florentin Moser auf commons.wikimedia.info, Lizenz: CC BY-SA 3.0.

Zunächst benötigen wir dafür Temperaturen von mindestens -78 Grad Celsius, was im zentralen Bereich des Polarwirbels zumeist vorliegt.
Überraschenderweise spielen Vulkane bei der Enstehung der PSCs eine Rolle. Das von ihnen bei Eruptionen emittierte Schwefeldioxid sammelt sich an den Polen, da die Winde die vulkanischen Aerosole im Laufe der Monate zu den Polen transportieren. Das Schwefeldioxid hat sich in dieser Zeit mit Wasser zu Schwefelsäure verbunden.

Bei Temperaturen von -78 Grad Celsius fehlt es am Pol in stratosphärischen Höhen jedoch meist an Wassermolekülen für die Entstehung von Wolken. Statt dessen greift nun ein anderer Mechanismus: Ab -78 Grad Celsius "docken" Salpetersäure und die restlichen Wassermoleküle an die Schwefelsäuretröpfchen an und bilden die PSCs.
Bilden sich hingegen doch aus dem spärlichen Wasser Stratosphärische Wolken, so ergibt sich aus dieser Besonderheit das irisierende Erscheinungsbild, das an Perlmutt erinnert.

Welche Arten von Polaren Stratosphärenwolken gibt es?

Die verschiedenen Formen von PSCs zeigen, dass es zum Einen die Wolken ohne den Hauptbestandteil Wasser gibt und die PSCs, die nur aus Wasser bestehen, aber dafür extreme Niedrigtemperaturen benötigen.

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Zum einen gibt es den Typ I, worunter Mischwolken fallen. Mischwolken deswegen, weil sie aus mehreren chemischen Bestandteilen zusammengesetzt sind. Die NAT-Wolken (Typ Ia) zeigen mit ihrer Bezeichnung (Nitric Acid Trihydrate) bereits an, dass HNO3 mit 3 Molekülen Wasser eine Verbindung eingeht - ein sogenanntes Trihydrat. Solche NAT-Wolken entstehen unter relativ "milden" Polarwirbeltemperaturen von -78 Grad, haben eine feingliedrige Struktur und sind sehr großflächig.

Die optisch selten sichtbare Sonderform der STS-Wolken (Typ Ib) sind schlierenförmig. Der Name Supersaturated Ternary Solution bedeutet, dass es sich um eine übersättigte ternäre (aus drei Elementen bestehende) Lösung aus Schwefelsäure, Salpetersäure und Wasser handelt.

Typ II der PSCs sind die bereits erwähnten, klassischen Perlmuttwolken. Sie entstehen im Gegensatz zu Typ I bei sehr niedrigen Temperaturen von -85 oder sogar -90 Grad Celsius und bestehen ausschließlich aus Wasser, das so hoch oben in der polaren Stratosphäre extrem selten ist. Durch diese Wolken wird die Stratosphäre noch weiter dehydriert, da diese durch das hohe Gewicht in die Troposphäre hinabdriftet.
Die Perlmuttwolken sind optisch gut sichtbar, haben oft eine linsenförmige Struktur und schimmern wie Perlmutt und haben irisierende Effekte (Farbspiel) durch die Lichtbrechung des Sonnenlichts an den Eiskristallen der Wolke.

Zusammengefasst haben wir also folgende Formen der PSCs kennengelernt:

Typ I: Mischwolken
Ia: NAT-Wolken
Ib: STS-Wolken

Typ II: Perlmuttwolken

Wie Typ II in der Realität aussieht, kann man in diesem Video von Anfang Februar 2016 aus Nottingham/UK sehen:

Stratosphärenwolken und das Ozonloch

Die PSCs gelten als "Chemiefabriken" der Stratosphäre. Verschiedenste chemische Reaktionen erfolgen in der Oberfläche der Wolken und sie spielen eine große Rolle bei der Entstehung des Ozonlochs.

Wie muss man sich dies vorstellen?
Chlor ist der große Ozonkiller in der Atmosphäre. Es stammt (nach wie vor) aus menschlicher FCKW-Produktion, wie sie lange in Spraydosen anzutreffen war, aber nicht nur dort. Nach wie vor steigen die FCKW-Emissionen, auch wenn dies in der Presse nicht mehr kommuniziert wird. Der Anteil von FCKW in der Atmosphäre beträgt aktuell 0,5 ppb (parts per Billion = Teile pro Milliarden) und steigt jährlich nach wie vor um 0,02 ppb (Quelle: Häckel, Meteorologie, Stuttgart 2012, 7. Auflage, S. 29).
Das Chlor ist jedoch gottlob in "Reservoiren" gebunden und wird nicht als Killer wirksam, ansonsten wäre die Ozonzerstörung und auch das Ozonloch sehr viel größer. Die "Inaktivierung" des Chlor erfolgt durch Salzsäure (CHI) und Chlornitrat (ClONO2).

Polare Stratosphärenwolken in der Antarktis im Jahr 2009, © Alan Light auf flickr.com, Lizenz: CC BY 2.0.

Hier kommen nun die PSCs ins Spiel. Diese sorgen als "Chemiefabrik" leider dafür, dass sich das Ozon aus den Reservoiren löst und zwar, indem Salzsäure und Chlornitrat miteinander plötzlich reagieren und Salpetersäure und Chlormoleküle entstehen.
Auch jetzt geschieht noch nichts, doch sobald die arktische Sonne* aufgeht im Frühling werden die Chlormoleküle durch die UV-Strahlung in reaktionsfreudige Chlormoleküle gespalten. Daraufhin erfolgt ein massenhafter Abbau von Ozon, der zur Entstehung des Ozonlochs beiträgt. Aus bestimmten chemischen Gründen kann ein FCKW-Molekül dabei 10.000 Ozonatome zerstören (!)

Da der lange Zeit stabile Polarwirbel in diesem Winter und die außerordentliche Kälte und die Erscheinungen von PSCs darauf hindeuten, dass sich viel Chlor aus den Reservoiren gelöst hat, wird leider mit einem katastrophalen Ozonloch auf der Nordhalbkugel gerechnet, das uns durch die dann ungefilterte Sonnenstrahlung gefährden wird. Dazu in Kürze mehr in einem eigenen Artikel.
Immerhin ist dies eine gute Nachricht für Sofeten: Sie können dann in altbekannter Dümmlichkeitstradition "Sonne* tanken" und ihren Hautkrebs mit der verstärkten, zellenzertrümmernden UV-Strahlung deutlich beschleunigen.





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