Eine Frage des Puddings: Was genau ist der Polarwirbel?

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Polarwirbel auf dem Saturn in Falschfarben koloriert.
Polarwirbel auf dem Saturn in Falschfarben koloriert.

Der Polarwirbel ist Fluch und Hoffnung zugleich. Zum Einen ist er der heilige Hort des Winters, der Eis, Schnee* und Kälte birgt. Zum Anderen hält er die von uns allen so ersehnte Kälte von uns fern.
Nur wenige wissen genau, was der Polarwirbel eigentlich genau ist. Allerhöchste Zeit somit, einmal sich den Polarwirbel genauer anzusehen und ihn zu verstehen!

Entstehung und Natur des Polarwirbels

Der Polarwirbel bzw. die beiden Polarwirbel über den jeweiligen Polen der Erde bestehen nicht das gesamte Jahr über. Sie bilden sich erst in der kühlen Jahreszeit, wenn der Sonnenstand auf der Erdhalbkugel so gering ist, dass die entstehende Kälte am Pol sich sozusagen "sammelt".
Bei uns auf der Nordhalbkugel entsteht daher der Polarwirbel in seinen Ausprägungen allmählich ab dem September und erreicht seinen ausgeprägtesten Stand im Winter, bevor er sich auf natürliche Weise durch das Frühjahrs-Warming von selbst wieder auflöst.

Den Polarwirbel kann man natürlich nicht optisch sehen. Was aber ist er dann eigentlich? Etwas verallgemeinernd könnte man ihn als ein Höhentiefdruckgebiet bezeichnen. Begrenzt wird es vom Jetstream - dem Höhenband sehr starker Winde, die an der oberen Troposphäre beginnen und bis in die Stratosphäre reichen. Der Jetstream ist nicht an die Kälte gekoppelt, sondern eine Folge des Windzirkulationssystems der Erde und er bleibt somit ganzjährig bestehen.

Von den horizontalen (Flächen-)Ausmaßen kann man grob sagen, dass der Polarwirbel etwa 1000 Kilometer im Durchmesser misst und in seinen kältesten Bereichen am obersten Bereich der Stratosphäre Temperaturen von -80 bis stellenweise -100 Grad Celsius aufweist. Von dieser Höhe auf 30 km herunter auf seinen "Boden" bei etwa 5,5 km Höhe steigt die Temperatur lediglich auf etwa -50 bis stellenweise -60 Grad Celsius.

Aufbau des Polarwirbels: Ein Puddinghaus mit vielen Etagen

Auch wenn wir in den Karten den Polarwirbel stets von oben gesehen betrachten, uns der Polarwirbel durch Falschfarben optisch sichtbar gemacht wird und als flacher "Pfannkuchen" auf der Erde erscheint, ist er in Wirklichkeit etwas ganz anderes!

Abstufung der Atmosphäre, © DooFi auf wikimedia.commons.org, Lizenz: CC BY-SA 3.0.
Abstufung der Atmosphäre, © DooFi auf wikimedia.commons.org, Lizenz: CC BY-SA 3.0.

Würde man ihn von der Seite betrachten, so stellte er sich wie eine riesige Gewitterwolke als "Klumpen" dar, der auch vertikal eine enorme Ausdehnung besitzt und mit dem Jetstream an der Grenze der Troposphäre in etwa 5-6 km Höhe beginnt und weit bis in die Stratosphäre reicht, bis ganz nach oben an der Grenze zur Mesosphäre in 50 km Höhe.

Im Grunde würde der Polarwirbel somit wie ein eisgekühlter, unförmiger "Pudding*" aussehen. Und dieser Pudding hat mehrere "Etagen" wie ein Haus und jede ist für uns von einem gewissen Nutzen, um den Winter zu beschreiben und in gewisser Weise auch Kälteeinbrüche im Herbst* und im Frühling.

Fangen wir beim "Dach" an, das im Gegensatz zu einem echten Haus nicht die wärmste Region, sondern die kälteste ist. Das Wetter* bei uns menschlichen Ameisen auf dem Boden wird hier oben an der Spitze des Polarwirbels nicht gemacht. Allerdings werden hier die sogenannten "Warmings" sichtbar, die im Winter den Polarwirbel schwächen und uns mit Kälte beglücken können.
Logischerweise sind es daher keine Druckkarten, die hier interessant sind, sondern die Temperaturkarten.
30 Kilometer Höhe an der Grenze zur nächsten Atmosphäreschicht der Erde, der Mesosphäre - so etwas benennt der Meteorologe lieber in Druckverhältnissen. In 30 Kilometer Höhe ist der Druck nur noch gering, die entsprechenden Karten sind jene mit 10 Hektopascal (hPa) Druck, was eben jene 30 Kilometer Höhe sind.
Was dort bei den "Warmings" passiert, klären wir gleich noch einmal.

Kommen wir zunächst zum Boden des Polarwirbels.
Dieser befindet sich an der Grenze von Troposphäre und Stratosphäre. Ein entscheidender Ort, sozusagen die Bühne, auf der unser Wettertheater am Boden gestaltet und aufgeführt wird!
Auf 5-6 km Höhe, was der Meteorologe 500 hPa nennt, verwirbeln sich Troposphäre und Stratosphäre und setzen Veränderungen in Gang, die unser Wetter* am Boden und in der Troposphäre von 0 bis 5 km Höhe massiv beeinflussen. Die Karten zeigen in Draufsicht also quasi den bei 6 km Höhe aufgeschnittenen Polarwirbel-Pudding 🙂

Polarwirbel am 06. Januar 2014. Normalerweise sind die Kerne dichter beisammen und es handelt sich hier um die Lage eines bereits geschwächten Polarwirbels (der den USA einen Eiswinter brachte). Allerdings kann man sich so am besten die Kleeblattform* des Polarwirbels an sich vorstellen.
Polarwirbel am 06. Januar 2014. Normalerweise sind die Kerne dichter beisammen und es handelt sich hier um die Lage eines bereits geschwächten Polarwirbels (der den USA einen Eiswinter brachte). Allerdings kann man sich so am besten die Kleeblattform* des Polarwirbels an sich vorstellen.

Sinnigerweise sind hier weniger die Temperaturen entscheidend, sondern die Druckverhältnisse. Bei der 500 hPa-Karte sieht der Polarwirbel dann oft wie ein Kleeblatt* aus und zwar ein vierblättriges, wobei jedes Kleeblatt einen Tiefdruckkern des Polarwirbels darstellt.
Zwei für uns wichtige Blätter sind dabei die unteren beiden, von denen ein Polarwirbelkern oft über Kanada (Baffin Bay) liegt und das andere über Nordostsibirien.

Kurz gesagt: Liegt ein großer oder auch mehrere Kleine Kerne über Europa oder Sibirien, so führt dies im Winter zu einer höheren Kaltwinterwahrscheinlichkeit. Liegen sie zu weit westlich Richtung USA/Kanada oder dem Atlantik, führt dies meist zu Westdrift- und somit Mildwinter in Europa.
Veranschaulichen wir das mit 2 aktuellen Bildern (Karte ist wie gesagt die 500 hPa-Karte, also der Polarwirbel an seinem Boden, also in 5-6 km Höhe über uns. Dargestellt sind NICHT Temperaturen, sondern Druckverhältnisse und somit die Tiefdruckkerne des Polarwirbels).
Links sehen wir den derzeitigen Stand am 03.12.2015: Ein großer Kern und Hauptpunkt des Polarwirbels liegt über dem Atlantik. Das ist nicht gut, da er die Kälte dorthin transportiert und wir Westdriftwetter bekommen, sprich: Die aktuell unerträglichen Wärmetemperaturen wie im Sommer (nicht nur deswegen, es gibt auch eine ungünstige Wetterlage* in Europa selbst).
Rechts sehen wir die prognostizierte Lage am 15.12.2015: Der lilafarbene Hauptkern hat sich östlich nach Sibirien verlagert und wir bekommen über einen Kernausläufer die Kälte ab und somit Erlösung von der derzeitigen Hitze.

Polarwirbel in 500 hPa (etwa 5,5 km Höhe ü. NN.) am 03.12.2015, Schwerpunkt östlich Kanada und Atlantik, © <a href="http://www.meteociel.fr/" target="_blank" rel="noopener noreferrer">meteociel.fr</a>.
Polarwirbel in 500 hPa (etwa 5,5 km Höhe ü. NN.) am 03.12.2015, Schwerpunkt östlich Kanada und Atlantik, © meteociel.fr.
</a> Polarwirbel in 500 hPa (etwa 5,5 km Höhe ü. NN.) am 15.12.2015 (Prognose), Schwerpunkt bei Sibirien, © <a href="http://www.meteociel.fr/" target="_blank" rel="noopener noreferrer">meteociel.fr</a>.
Polarwirbel in 500 hPa (etwa 5,5 km Höhe ü. NN.) am 15.12.2015 (Prognose), Schwerpunkt bei Sibirien, © meteociel.fr.

Diese Trogausbildung durch "Ausbeulen" ist eine Variante, wie Winter bei uns entsteht.

Schema der Windzirkulation der Erde, u. a. mit den mittleren Breiten und den dortigen Westwinden.
Schema der Windzirkulation der Erde, u. a. mit den mittleren Breiten und den dortigen Westwinden.

Die zweite Variante wäre eine Ostlage, bei der kontinentale, somit trockene Kaltluft aus Russland/Sibirien zu uns gelangt. Das hat nichts mit dem Polarwirbel und Trögen zu tun. Sondern dafür muss der Atlantik mit einem Hoch westlich von Spanien blockiert sein, weil die Westdrift üblicherweise viel zu stark ist, dass ansonsten Winde aus Ost zu uns kommen - immerhin liegen wir in der Westwindzone, was nun einmal auf der Nordhalbkugel eine Gesetzmäßigkeit ist und kein Zufall: Der Temperaturgradient zwischen Tropen und Polarbereich lässt Winde entstehen, die zwischen den Extremen hin und herpendeln. Auf diesem Weg werden sie abgelenkt, da die Erde sich bekanntlich dreht und die Corioliskraft die Winde ablenkt, sodass sie eben von West nach Ost verlaufen und somit ist die Westdrift erklärt, die unser Wetter* in Europa in dieser Zwischenzone, den mittleren Breiten, bestimmt.

Wetterlage am 29.09.2015, die den Oktober vorwegnimmt: Skandinavienhoch mit trockener, kontinental-kühler und leider sonniger Ostlage, blau eingezeichnet die um das Hoch befindliche Windrichtung, die aus Richtung Sibirien Kaltluft nach Deutschland führt, © GFS, Global Forecast System, <a href="http://www.wetterzentrale.de/topkarten/fsavneur.html" target="_blank" rel="noopener noreferrer">wetterzentrale.de</a>.
Wetterlage* am 29.09.2015, die den Oktober vorwegnimmt: Skandinavienhoch mit trockener, kontinental-kühler und leider sonniger Ostlage, blau eingezeichnet die um das Hoch befindliche Windrichtung, die aus Richtung Sibirien Kaltluft nach Deutschland führt, © GFS, Global Forecast System, wetterzentrale.de.

Neben der erwähnten Atlantikblockade benötigen wir zudem noch ein "Skandi-Hoch" (Skandinavienhoch). Warum? Weil auf der Nordhalbkugel der Wind im Uhrzeigersinn um Hochdruckgebiete verläuft. Ein Hoch über Skandinavien saugt also Luft aus Nordosten und vor allem aus Osten an und führt sie nach Deutschland.
Eine solche Ostlage ist trocken, da Kontinentalluft nun einmal keine Feuchtigkeit aufnehmen kann. Ein Winter mit dieser Lage wäre durch das Hoch sehr sonnig, sehr kalt* mit Bodenkälte auch im Flachland und schneearm und gehört somit vor allem wegen der Sonne* nicht zu meinen Favoriten.

Eine Troglage führt hingegen aus Norden feuchte Kaltluft vor allem in großer Höhe heran (letztlich ist der Polarwirbel ein Höhentief und von dort stammt die Trogkälte).
Der Vorteil: Wolken, Kälte und viel Schnee* - ein Winter wie im Bilderbuch.
Der Nachteil: Es ist recht selten, dass genug Kaltluft bis ins Flachland vordringt. Meist profitieren von so einer Winterlage lediglich die Gebirgsregionen und das höhere Flachland.

Die Frage ist aber, wie bereits oben gestellt: Warum kommt es zu Trögen? Schließlich haben wir doch festgestellt, dass der Polarwirbel durch den Jetstream die Kaltluft wie ein Ballon von uns abschirmt. Und deswegen brauchen wir etwas, das wir sonst verabscheuen: Wärme*! Denn diese schwächt den Polarwirbel, dem Ballon geht sozusagen die Luft aus und diese strömt eiskalt zu uns.

Was passiert bei einem Warming?

Wenn der Polarwirbel ein vereister Pudding ist, dann ist das "Warming" ein Laserschwert, das den Pudding zerteilt, so dass dieser seine Struktur aufgibt und zerläuft. 🙂

Völlig intakter, starker Polarwirbel ohne Warmings auf 10 hPa, etwa 30 km Höhe, prognostiziert für den 12.12.2015, © <a href="http://www.meteociel.fr/modeles/gfse_cartes.php?mode=10&ech=204&carte=1" target="_blank" rel="noopener noreferrer">meteociel.fr</a>.
Völlig intakter, starker Polarwirbel ohne Warmings auf 10 hPa, etwa 30 km Höhe, prognostiziert für den 12.12.2015, © meteociel.fr.

Behalten wir dieses zugegeben etwas extreme Bild im Kopf, doch fangen wir beim ersten Schritt an. Unter bestimmten Bedingungen zeigt der "Wave Activity Flux" an, ob Wärmeenergie von den unteren Luftschichten in der Troposphäre hoch in die Stratosphäre transportiert wird (hier in einer Grafik bei Dr. Judah Cohen vom AER gezeigt, rot sind die Wärmeenergietransfers, wenn vorhanden).
Diese Wärme* steigt nicht nur hoch bis zur obersten Stratosphäre, sondern bis zur Grenze der Atmosphäre selbst am Weltraum.

Diese Wärme* sammelt sich und sinkt dann wieder nach unten! Das Warming kann man am besten auf den 10 hPa-Karten erkennen an der obersten Grenze der Stratosphäre.

Die Wärme* sinkt jedoch immer weiter ab und zwar bis ganz nach unten zur Troposphäre. Auf dem Weg dorthin zerteilt sie den Polarwirbel wie ein heißes Messer einen geeisten Pudding (ein solches Splitting wäre natürlich erst auf den 500 hPa-Karten zu sehen, nachdem die Hitze durch den Polarwirbel gerauscht ist bis in 5 km Höhe, wo das Wetter* "gemacht" wird!). Was bedeutet das? Der Polarwirbel, wenn er unbeeinflusst bleibt, ist stabil, stark, vom Jetstream umgrenzt und verläuft dann immer völlig gleichmäßig nördlich von uns. Wir liegen damit in Deutschland im Westdriftwetter, da die Winde genau am Rand des Polarwirbels, südlich davon, in unsere Richtung wehen und das Mildwetter zu uns bringen.

Das (Minor, engl. "geringeres") Warming aber schwächt den Polarwirbel.
Eine Schwächung bedeutet: Der Polarwirbel schwankt in seinen Formen. Er bildet "Beulen" aus, also Tröge, der Jetstream mäandriert. Diese Beulen oder Tröge führen logischerweise Kaltluft mit sich und wenn sie Deutschland überziehen, haben wir echten Winter.

Letztes Major Warming Januar 2012 - sehr gut zu erkennen wie der Polarwirbel sich nahezu auflöst und die Kaltluft nicht mehr begrenzt ist, sondern sich über die Hemisphäre verteilt, © <a href="http://www.meteociel.fr/modeles/gfse_cartes.php?mode=10&ech=204&carte=1" target="_blank" rel="noopener noreferrer">meteociel.fr</a>.
Letztes Major Warming Januar 2012 - sehr gut zu erkennen wie der Polarwirbel sich nahezu auflöst und die Kaltluft nicht mehr begrenzt ist, sondern sich über die Hemisphäre verteilt, © meteociel.fr.

Es kann sogar vorkommen, dass es zu einem sogenannten Major [engl., "größeres"] Warming kommt. Dieses taucht statistisch alle 2 Jahre etwa auf und ist so schnell und in der Erwärmung so stark, dass es den Polarwirbel auf 10 hPa auflösen und tiefer auf 500 hPa tatsächlich zerteilen, also "splitten" kann. Ein solches "Polarwirbel-Splitting" ist das Non plus Ultra für uns, denn es schwächt den Polarwirbel so sehr, dass die Kaltluft auf nahezu unvorhergesehene Art in südliche Regionen transportiert wird.
Aber: Es ist wichtig, in welcher Richtung der Wettergott das Messer des Winterglücks hält und den Pudding des Polarwirbel zerteilt. Ist die Achse falsch (so wie 2014/15, allerdings handelte es sich dort um ein starkes Minor Warming), so beult sich der Polarwirbel in seiner zerschnittenen Hälfte dergestalt, dass die USA voll im Polarwirbel liegen und im Schnee* ersticken. Europa aber ist von der Kälte weiter entfernt als je zuvor, weil die Verlagerung des geschwächten Polarwirbels von uns fort führt.

Der Vollständigkeit halber muss noch ergänzt werden, dass ein Major Warming auch zu einer Windumkehr im Polarwirbelbereich führt. Erst dann kann man von einem Major Warming sprechen, das auch als "Berliner Phänomen" bezeichnet wird.

Januar 2015: Ungünstige Achse (Schwert) des Polarwirbelsplits nach einem starken Minor Warming. Eine vertikale Teilung statt horizontal hätte den Polarwirbel nicht von Europa fortgeführt, sondern hätte die Kälte gebracht. So ist Europa weit entfernt vom Polarwirbelbereich und statt dessen mal wieder die USA begünstigt © <a target="_blank" href="http://www.meteociel.fr.">Meteociel.fr</a>
Januar 2015: Ungünstige Achse (Schwert) des Polarwirbelsplits nach einem starken Minor Warming. Eine vertikale Teilung statt horizontal hätte den Polarwirbel nicht von Europa fortgeführt, sondern hätte die Kälte gebracht. So ist Europa weit entfernt vom Polarwirbelbereich und statt dessen mal wieder die USA begünstigt © Meteociel.fr

Übrigens: Wir warten jetzt bereits seit knapp 3 Jahren auf ein "Major Warming". Statistisch sollte also eigentlich eines zu erwarten sein, zumal diese in Jahren mit El Ninos und gleichzeitig einem niedrigen Sonnenfleckenstand deutlich häufiger auftreten. Beides ist der Fall, allein man sieht derzeit leider nur einen unglaublich starken, stabilen Polarwirbel und nur lächerliche Warmings, die kaum "Minor"-Status erreichen.

Wer sich noch höher hinauswagt in der Atmosphäre, kann sogar an der Grenze zum Weltraum auf den Karten ein bevorstehendes Warming erkennen, denn: Die Hitze ist bekanntlich oben am frühesten zu erkennen, bevor sie absinkt - erst auf 10 hPa und dann immer weiter bis auf 500 hPa und bis zum Boden.
Auf Karten mit 1 hPa Druck an der Grenze zum Weltraum sehen wir beispielsweise aktuell ein bevorstehendes Minor Warming sich aufbauen für den zeitlichen Bereich um Mitte Dezember (siehe Bild links unten). Es wird absinken und bald darauf auch auf den 10 hPa-Karten zu sehen sein.

Eine Frage der Achse

Sie wissen jetzt, warum Wärme* beim Polarwirbel zu Winter führen kann und verstehen hoffentlich etwas mehr über diesen zauberhaften Wirbel rund um den Pol.

Warming (rot) auf 1hPa an der Grenze zum Weltraum, prognostiziert für den 12.12.2015. © EMCWF/DWD auf der Seite der Freien Universität Berlin.
Warming (rot) auf 1hPa an der Grenze zum Weltraum, prognostiziert für den 12.12.2015. © EMCWF/DWD auf der Seite der Freien Universität Berlin.

Falls Sie zukünftig beim Weihnachtsessen ein Messer über die Kerzenflamme halten und anschließend den kredenzten Weihnachtspudding* immer wieder auf der Suche nach der richtigen Achse zerschneiden, bevor die Familienmitglieder entgeistert auf den geschundenen Pudding schauen und Sie gefragt werden, was um alles in der Welt Sie da machen: Machen Sie sich nichts daraus! Manche Dinge können andere Menschen einfach nicht verstehen.
Sollte jedoch ein klimatologisch oder meteorologisch Bewanderter dabei sein, wird er nur weise lächeln, ihnen zustimmend zunicken und vielleicht darauf hinweisen, dass eine vertikal verlaufende Splittingachse für uns besser wäre. 😉





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