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 Troposphre. Als polare Hochdruckkappe ist sie, auer am Rand im Bereich der Polarfront, sehr stabil. Die Polarzelle wird Richtung 훢uator durch unstabile Rossby-Wellen an der Polarfront von der Ferrel-Zelle getrennt.

In den Polarregionen verliert die Luft mehr Wrme als ihr zugefhrt wird. Das Resultat ist eine starke Abkhlung der Luft und eine Zunahme der Luftdichte. Aufgrund der Schwerkraft sinkt diese kalte und dichte Luft aus der Hhe ab. Durch dieses Absinken von kalten, trockenen Luftmassen entsteht am Boden ganzjhrig ein linsenfrmiges Hochdruckgebiet, das polare Kltehoch. Die aus der Hhe absinkende Luft wird fortlaufend durch Luft ersetzt, welche aus niedrigeren Breiten polwrts nachstrmt. Diese Hhenstrmung wird infolge der Corioliskraft (Rechtsablenkung der bewegten Luftteilchen auf der Nordhalbkugel aufgrund der Erdrotation) auf der Nordhemisphre nach rechts, auf der Sdhemisphre nach links zu Hhenwestwinden umgelenkt.

Zirkulationsmodell mit Jetstreams

In Bodennhe strmen diese Luftmassen in Richtung 훢uator 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 erwrmt, da sie zusammen mit den dortigen wrmeren Luftmassen an der Polarfront aufaufsteigen. In der Hhe strmt die Luft als Gegenstrom an der Tropopause entlang zum Pol zurck 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 ber das Eis zur Kste hin wehen und dabei Geschwindigkeiten von ber 300 km/h erreichen knnen.

Polare Ostwinde

Die Luft am Boden strmt mit so geringer Geschwindigkeit aus dem polaren Bodenhoch quatorwrts, da sich groflchig eine relativ einheitliche polare Luftmasse ausbildet. Durch Reibung an der Erdoberflche und die Corioliskraft wird die Luft so abgelenkt, da sie aus nordstlicher bzw. sdstlicher Richtung quatorwrts weht (polare Ostwinde, siehe Abbildung rechts). Die kalte Polarluft trifft in etwa am Polarkreis auf die vergleichsweise wrmere Luft der gem癌igten Breiten, die sie infolge ihrer gr秤eren Dichte vom Boden soweit abhebt, da diese von den zirkumpolaren Hhenwestwinden polwrts verfrachtet werden kann. Zum Teil steigt sie im Gebiet der Polarfront wieder auf, um in ein Hhentief, die Polarzyklone (Polarwirbel) einzuflieen. Dieser Grenzbereich zwischen den entgegengesetzt flieenden 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 Grenzflche zwischen den entgegengesetzt strmenden 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 gleichm癌iger Grtel ausgebildet, sondern verschiebt sich mit dem grorumig unterschiedlichen Vordringen polarer und warmer Luftmassen nach Sden bzw. Norden in den sog. Rossby-Wellen. Die Polarfront ist als Verwirbelungszone das Ursprungsgebiet der das Wettergeschehen stark bestimmenden dynamischen Tiefdruckgebiete in den hheren 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 Stratosphre ber beiden Polen der Erde zwei grorumige Hhentiefs, die Polarwirbel (Polarzyklone), welche als abwrtsgerichtete, kalte Tiefdruckwirbel bis in die mittlere Troposphre hinabreichen. Die Stratosphre ist die Atmosphrenschicht oberhalb der Troposphre, in der sich die meisten Wettervorgnge abspielen. Die Stratosphre enthlt nur wenig Wasserdampf, dafr aber groe Mengen Ozon, welches die fr das Leben gefhrlichen Anteile der von der Sonne kommenden Ultraviolettstrahlung absorbiert. Dadurch ist die Stratosphre immer deutlich wrmer als die obere Troposphre. Am Boden bildet sich dementsprechend ein flaches Kltehoch, das von dem hochreichenden Tief berlagert wird. Weil im Tief die Luft zusammenstrmt, entwickelt sich aufgrund der Corioliskraft  schlielich eine ostwrts gerichtete zirkumpolare Strmung. Wegen der ungleichm癌igen Verteilung von wrmeren Wasserflchen und klteren Landmassen hat der nrdliche Polarwirbel oft zwei Zentren - eines ber Nordostsibirien und eines ber Nordostkanada.

 

Die Polarwirbel sind wesentliche Elemente der planetaren atmosphrischen Zirkulation. Sie entstehen aufgrund der unterschiedlichen Rotation der Atmosphre um die Erde entgegen der Drehrichtung der Erde, wie das auch bei Wirbelstrmen auf der Nord- bzw. Sdhalbkugel der Fall ist. Es handelt sich bei den Polarwirbeln ber der Arktis und Antarktis aufgrund negativen Strahlungsbilanz der Pole um thermisch bedingte Kaltlufthochs. Ein Polarwirbel kann sich nur bilden, wenn die Stratosphre ber den Polen ausreichend kalt ist. Besonders whrend der langen Polarnacht im polaren Winter nehmen die jeweils betroffenen Polarwirbel an Strke zu. Dann ist der stratosphrische Temperaturgradient besonders hoch. Dieser treibt den Stratosphrenjetstream am ueren Rand des Polarwirbels an, welcher wiederum ein Antriebsmotor des troposphrischen Jetstreams ist. Ein starker Polarwirbel begnstigt eine eher polnhere (nrdlichere), zonale Zirkulation (entlang der Breitengrade), ein schwacher und erst recht ein gespaltener Polarwirbel dagegen eine polfernere (sdlichere) meridionale Zirkulation (entlang der Lngengrade).

Die Polarwirbel sind die Hauptverursacher des Ozonlochs, da sie zur hochreichenden Durchmischung der Atmosphre fhren. Die Polarwirbel am Sdpol sind dabei wegen der Eisoberflche der Antarktis strker ausgeprgt als die Polarwirbel ber dem Nordpol, wo sie durch Landmassen und Meeresstrmungen abgeschwcht werden.

 

schwacher Polarwirbel = kalte Winter

Polarwirbelsplit

Die beiden Polarwirbel sind aber auch fr das Wettergeschehen in unseren Breiten von ausschlaggebender Bedeutung. Fllt nmlich schon im Oktober in Sibirien auergewhnlich viel Schnee, entstehen ber der ausgedehnten Schneedecke am Boden besonders tiefe Temperaturen. Das sich ber Sibirien zu eben dieser Zeit aufbauende Kltehoch wird dadurch berdurchschnittlich stark und blockiert dann auf der Nordhalbkugel den von West nach Ost gerichteten troposphrischen Polar-Jetstream, der deshalb stark zu mandrieren beginnt (Rossby-Wellen). Die vom Jetstream mitgefhrten Tiefdruckwirbel werden daher zu groen Umwegen gezwungen. Die Zirkulation wird dadurch ausgesprochen meridional, also parallel zu den Lngenkreisen (entweder in Sd-Nord-Richtung oder umgekehrt) orientiert. Die entstehenden Rossby-Wellen pflanzen sich nach oben bis zur Stratosphre fort und versetzten auch den zum Polarwirbel gehrenden stratosphrischen Jetstream in Schwingungen. Die Windgeschwindigkeiten nehmen daraufhin stetig weiter ab bis nach ca. 3 Monaten der polare Stratosphrenjet so instabil wird, da ber der Polarregion Warmluft in die Stratosphre vorstoen kann. Diese Stratosphrenerwrmung findet somit im Januar des Folgejahres statt und fhrt zum Zusammenbruch des Polarwirbels, der sich dann in zwei kleinere Wirbel aufspaltet (Polarwirbelsplit). Einer liegt dann in der Regel ber dem Norden Nordamerikas und Kanadas, der andere verlagert sich nach Europa oder noch weiter stlich.

Das verndert die gesamte Zirkulation auf der Nordhalbkugel grundlegend. Damit fllt nmlich ein wichtiger Antriebsmotor fr den troposphrischen Jetstream aus, so da er zunehmend mandriert, seine Windgeschwindigkeiten sich vermindern und er sich weiter nach Sden verlagert. Die Westdrift bricht in der Folge vollstndig zusammen. Die dann vorherrschende meridionale Zirkulation begnstigt Kaltluftausbrche (Trge und Kaltlufttropfen) nach Sden. Die Strmung dreht schlielich von West auf Ost. Und das hat einschneidende Folgen fr unser Wetter. Falls sich dabei nmlich eine Lage etabliert, in der sich das Hochdruckgebiet auf den Atlantik, nach Grnland und oder Island verlagert und ein Teil des Polarwirbels nrdlich oder knapp stlich von uns liegt, kommen die Luftmassen direkt aus Norden oder Osten zu uns und sind entsprechend kalt. In der Regel dauert dieser Proze 2 - 3 Wochen. Es wird also Anfang/Mitte Februar, bis sich die 훞derung in 10 - 50 km Hhe schrittweise bis an den Boden vorgearbeitet hat und wir in Mitteleuropa die Klte abbekommen. In den betroffenen Regionen (Europa, Asien, stliches Nordamerika) gibt es dann einen kalten Winter. In einigen Gegenden der nrdlichen Breiten fallen die Winter aber durch die im Gegenzug nach Norden vorstoende Warmluft dafr relativ mild aus.

Oberhalb der Tropopause herrscht Isothermie bzw. die Temperatur steigt sogar wieder an. Somit ndert der Temperaturgradient oberhalb der polaren Tropopause sein Vorzeichen und der geostrophische Wind nimmt an Intensitt ab. Das geschieht in ca. 10 km Hhe und hier liegt auch das Maximum des geostrophischen Windes. Dieser Proze erfolgt meist 1 km unterhalb der subtropischen Tropopause in etwa bei einer Hhe 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 groen 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 klteren Luftmasse am strksten.

Windgeschwindigigkeiten im Jetstream

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