A7 Störungen der stratosphärischen Zirkulation

Thema

Die plötzliche Erwärmung der Stratosphäre ist das dramatischste aller stratosphärischen Wetterereignisse: Innerhalb weniger Tage kann die Temperatur der polaren Stratosphäre in den oberen Schichten in etwa 32 Kilometern Höhe um 30 bis 50 Grad Celsius ansteigen. Ist diese Erwärmung stark genug, schwächt sich der polare Stratosphärenwirbel so weit ab, dass sich die normalerweise um den Pol wehende Windrichtung vollständig umkehrt – ein Phänomen, das als starke plötzliche Erwärmung der Stratosphäre bezeichnet wird – oder sich sogar in zwei separate Zirkulationszentren aufspaltet. Plötzliche Erwärmungen der Stratosphäre treten fast immer auf der Nordhalbkugel während des Nordwinters, vorwiegend zwischen Januar und Februar, auf und werden im Durchschnitt etwas weniger als einmal jährlich beobachtet.

Auslöser für ein solches Ereignis ist die vertikale Ausbreitung verstärkter Rossby-Wellen, die aus der Troposphäre aufsteigen. Wenn diese Rossby-Wellen den stratosphärischen Polarwirbel erreichen, geben sie ihren Drehimpuls an die Stratosphäre ab. Diese Ablagerung von Drehimpuls bremst den stratosphärischen Polarwirbel ab. Die dadurch verringerte Zentrifugalkraft, die den Wirbel normalerweise zusammenhält, ermöglicht es der Polarluft, abzusinken und sich durch adiabatische Kompression zu erwärmen. Dies führt zu dem Temperaturanstieg, der das plötzliche stratosphärische Erwärmungsereignis auslöst. Zwei bis sechs Wochen nach diesem Ereignis reagiert die Troposphäre: Die Arktische Oszillation und die Nordatlantische Oszillation werden negativ. Diese negative Phase erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass arktische Luftmassen nach Europa und Nordamerika vordringen.

Die Temperatur des stratosphärischen Polarwirbels bestimmt nicht nur die Stärke der plötzlichen stratosphärischen Erwärmung, sondern steuert auch unabhängig den Abbau von stratosphärischem Ozon während des Polarwinters und -frühlings. Wenn die Temperatur des stratosphärischen Polarwirbels auf etwa -80 Grad Celsius sinkt, bilden sich polare Stratosphärenwolken. An der Oberfläche dieser Wolken aktivieren chemische Reaktionen, die nur auf festen Oberflächen stattfinden, das von Fluorchlorkohlenwasserstoffen freigesetzte Chlor sowie das in der Stratosphäre vorhandene Brom. Wenn im polaren Frühling Sonnenlicht eintrifft, katalysieren dieses aktivierte Chlor und Brom den massiven Ozonabbau und führen so zum antarktischen Ozonloch.

Eine plötzliche Erwärmung der Stratosphäre kann diesen Ozonabbauprozess unterbrechen: Durch die Erwärmung der polaren Stratosphäre lösen sich die polaren Stratosphärenwolken auf, bevor die chemischen Reaktionen an ihrer Oberfläche das gesamte verfügbare Chlor und Brom aktivieren können. Dadurch wird in dieser Jahreszeit weniger Ozon abgebaut. Diese Wechselwirkung tritt jedoch auf der Südhalbkugel selten auf, da plötzliche Erwärmungen der Stratosphäre dort – anders als auf der Nordhalbkugel – ein extrem seltenes Ereignis sind.

Ein einzelnes Ereignis – die durch Rossby-Wellen ausgelöste stratosphärische Erwärmung, welche den polaren Stratosphärenwirbel abbremst und die Polarluft durch adiabatische Kompression erwärmt – hat somit zwei sehr unterschiedliche Folgen: Wochen später führt sie dazu, dass die Arktische Oszillation und die Nordatlantische Oszillation in ihre negativen Phasen geraten und arktische Kaltluftausbrüche über Europa und Nordamerika begünstigt werden. Gleichzeitig kann sie in derselben Stratosphäre, in der sie ihren Ursprung hat, den Ozonabbau verlangsamen, indem sie die Wolken auflöst, die diesen ermöglicht haben. Die plötzliche stratosphärische Erwärmung verbindet somit über einen einzigen Mechanismus Wettermuster an der Erdoberfläche mit der Ozonchemie in der oberen polaren Stratosphäre.

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