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Die Stratosphäre und der Polarwirbel

Die Stratosphäre und der Polarwirbel

Die Stratosphäre ist vom Erdboden aus gesehen nach der Troposphäre die zweite Schicht der Erdatmosphäre. Das Wetter spielt sich in erster Linie in der Troposphäre ab, dennoch kann auch die Stratosphäre Auswirkungen auf die Witterung in den mittleren Breiten haben.

Die Atmosphäre der Erde ist die gas­förmige Hülle der Erdoberfläche und erstreckt sich vom Boden bis etwa 10.000 km Höhe. Der Druck, die Temperatur sowie der Gehalt an Gasen sind allerdings sehr variabel, somit kann man die Erdatmosphäre in mehrere Schichten unterteilen:

  • Troposphäre: vom Boden bis zur Tropopause in ca. 10-15 km Höhe
  • Stratosphäre: von der Tropopause bis zur Stratopause in ca. 50 km Höhe
  • Mesosphäre: von der Stratopause bis zur Mesopause in ca. 85 km Höhe
  • Thermosphäre: von der Mesopause bis in ca. 500 km Höhe
  • Exosphäre: von 500 bis ca 10.000 km Höhe

In der Troposphäre sind etwa 90 Prozent der Luft sowie beinahe der gesamte Wasserdampf enthalten. Hier spielt sich das Wetter ab und die Temperatur nimmt im Mittel um etwa 6,5 Grad pro Kilometer Höhe ab. Ab einer Höhe von etwa 7 km (Polargebiete) bzw. 17 km (Tropen) geht die Temperatur aber nicht mehr weiter zurück sondern beginnt allmählich wieder anzusteigen. Hier beginnt die Stratosphäre.

Beständige Inversion

Meteorologen bezeichnen so eine Umkehr der Temperaturschichtung als Inversion. Man muss allerdings nicht bis in die Stratosphäre aufsteigen, um eine Temperaturumkehr zu erleben, denn auch innerhalb der Troposphäre können beispielsweise winterliche Kaltluftseen für Inversionen sorgen. Die Luftschichtung ist dann stabil und ein Luftaustausch in vertikaler Richtung findet nicht statt. Die Stratosphäre stellt allerdings eine beständige Grenze für aufsteigende Luftmassen dar. Daher gelangen Wolken und Wasserdampf in der Regel nicht in die Stratosphäre, von einem eigentlichen Wettergeschehen kann in diesen Höhen nicht mehr die Rede sein. Aus einem Verkehrsflugzeug, das im Bereich der Tropopause fliegt, kann man diese Sperre für jegliche Wolken an der nach oben abrupt dunkler werdenden Himmelsfarbe erkennen. Der Temperaturanstieg oberhalb der Tropopause ist auf die Absorption der UV-Strahlung durch das Ozon in gut 50 km Höhe zurückzuführen: Hier erwärmt sich die Luft von etwa –60 Grad bis auf knapp unter 0 Grad.

Der Polarwirbel

Der Polarwirbel ist ein großräumiges Höhentief über der Arktis (bzw. Antarktis), das sich im Winter von der mittleren und oberen Troposphäre über die gesamte Stratosphäre erstreckt. Er ist gefüllt mit sehr kalter Luft, die in der Stratosphäre Werte um -80 Grad erreichen kann. Der Polarwirbel ist normalerweise relativ rund um den Pol angeordnet und sein Einfluss auf das Wetter in den mittleren Breiten hält sich in Grenzen.

Der Polarwribel mäandriert
Beispiele für einen ungestörten (links) und gespaltenen Polarwirbel (rechts). © NOAA

Stratosphärenerwärmung

Der Polarwirbel kann aber gestört oder gar gespalten werden, wie etwa im Fall einer sogenannten plötzlichen Stratosphärenerwärmung: In etwa 25 km Höhe gibt es dabei innerhalb weniger Tage einen Temperaturanstieg von mehr als 50 Grad! Die Spaltung des Polarwirbels kann sich im Laufe von zwei bis vier Wochen auch auf das Westwindband in der Troposphäre auswirken und dieses verlangsamen oder unterbrechen. Während in der Polarregion dann überdurchschnittliche Temperaturen verzeichnet werden, kommt es in mittleren Breiten zu markanten Kaltluftausbrüchen wie beispielsweise im Februar und März 2018. Auch heuer gab es Anfang Jänner eine plötzliche Stratosphärenerwärmung, deren Auswirkungen derzeit langsam auch die Troposphäre beeinflussen. Dementsprechend berechnen die Wettermodelle mittelfristig ein stark gestörtes Westwindband, weshalb die Chancen für markante Kaltlufteinbrüche in den mittleren Breiten erhöht sind. Im Osten der USA steht ein markanter Wintereinbruch bevor und auch in Europa ist am Monatsende ein weiterer Kaltlufteinbruch nicht ausgeschlossen.

Der Polarwirbel hat sich gespalten
Die Anomalie in der Stratosphäre verlagert sich langsam abwärts. © Z. D. Lawrence

Rand des Weltalls?

Vom „Edge of Space“ war anlässlich des Stratospärensprungs im Jahr 2012 die Rede. Tatsächlich liegen in 39 km Höhe schon über 99 % der atmosphärischen Masse unter einem. Rein räumlich gesehen ist die Lufthülle in dieser Höhe aber noch lange nicht zu Ende. Es folgen nach oben noch die Meso-, Thermo- und Exosphäre. Die Grenze zwischen den Stockwerken stellt jeweils wieder eine Umkehr im Temperaturverlauf dar. Besonders kalt ist es mit Temperaturen um -100 Grad in etwa 85 km Höhe im Bereich der Mesopause.