Polarwirbel, Klimawandel und „The Beast from the East“

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Troposphärischer Jetstream in ca. 9km Höhe, Quelle: wetterzentrale.de

Ein spannender und informativer Artikel von Robert McSweeney auf CarbonBrief erleuchtet die Hintergründe zu den Kältewellen in Mitteleuropa und deren möglicher Zusammenhang mit dem Klimawandel. Wer des Englischen mächtig ist, muss an dieser Stelle nicht weiterlesen. Für alle anderen möchte ich die Schlüsselerkenntnisse zusammenfassen. Die zugehörigen Grafiken bitte ich dem Originaltext zu entnehmen. Hintergrund der Recherche sind die ungewöhnlich hohen Februartemperaturen in der Arktis und im Osten der USA. Im vergangenen Februar gab es an 9 separaten Tagen Temperaturen über der Null-Grad-Marke, das sind 30°C mehr als in einem durchschnittlichen arktischen Winter. In die andere Richtung schlug das Pendel in Mitteleuropa aus, die „Bestie aus Osten“, wie sie in UK genannt wird, brachte klirrende Kälte und Schneestürme und führten in vielen Ländern zu einem Zusammenbruch der Verkehrsinfrastruktur. In Sibirien erlebte Temperaturen von 35°C über dem Mittel, an der Nordspitze Grönlands gab es 61 Stunden über Null Grad, eine Verdreifachung gegenüber allen Jahren davor. Diese Wetterextreme spiegeln zwei Seiten derselben Medaille wider. Übeltäter ist ein Zirkulationsmuster, das sich bis in die Stratosphäre fortsetzt und Polarwirbel genannt wird. Dieser hat sich vorübergehend in zwei Wirbel aufgespalten und ermöglicht Warmluftzufuhr bis in die Arktis, während ein kalter Ast über Europa hinwegfegt. Forscher sind durch die anhaltende Warmluftzufuhr beunruhigt, denn sie fördern die Meereisschmelze in einer Zeit, wo eigentlich Wachstum stattfinden sollte. Im Januar gab es ein neues Rekordtief, Mitte Februar verschwand nahezu ein Drittel der Eisfläche im Beringmeer an Alaskas Westküste. Der Polarwirbel befindet sich in der Stratosphäre in rund 8km Höhe über den Polgebieten. Haupteigenschaft ist das Westwindband, das die Nordhalbkugel umrundet. Diese Winde sind als „polar night jet“ bekannt, weil sie nur während des dunklen arktischen Winters auftreten. Dieser Jet bildet eine Grenze zwischen sehr kalter Arktikluft und warmer Luft über den gemäßigten Breiten. Der stratosphärische Polarwirbel wird oft mit dem troposphärischen Polarwirbel verwechselt. Letzterer besteht ganzjährig und wird durch die Temperaturunterschiede zwischen Arktis und mittleren Breiten angetrieben. Die Höhenwinde entlang dieser Luftmassengrenze sind auch als bekannt als Jetstream. Der troposphärische Polarwirbel ist viel größer als der stratosphärische Polarwirbel. Position und Stärke des Jetstreams haben einen großen Einfluss auf das Wetter der gemäßigten Breiten. Bei einem starken Jet bleibt die Kaltluft im Norden, bei einem schwachen Jet verlangsamt sich der Höhenwind und fängt an zu schlingern. Dabei kann arktische Kaltluft bis in die mittleren Breiten vorandringen und gleichzeitig warme Luft bis in die Polarregion vorstoßen – so wie es kürzlich der Fall war. Stärke und Position des Jets werden mit einer Messgröße namens Arktische Oszillation (AO) erfasst. Bei positivem AO ist der Jetstream stark, bei negativem schwach. Der Auslöser für die Wetterextreme war eine plötzliche Erwärmung der Stratosphäre („sudden stratospheric warming“, SSW). SSW treten dann auf, wenn der stratosphärische Polarwirbel aus dem Lot gerät, wie etwa durch ein großräumiges Strömungsmuster in der Troposphäre. Der polar night jet gerät ins Schlingern, zwingt die Zirkulation sich zu verlangsamen und die Richtung zu ändern, bis hin zur Aufspaltung in zwei getrennte Wirbel. Dadurch kann Luft über der Arktis kollabieren und die Atmosphäre zusammenstauchen, was einen dramatischen Temperaturanstieg in der Stratosphäre verursacht – mit bis zu 50°C innerhalb weniger Tage! Dann können sich auch die Westwinde in der Troposphäre umkehren. Das dauert gewöhnlich einige Tage oder wenige Wochen. Dieses Mal waren es rund 2 Wochen. Mit der Strömungsumkehr auf Nordost bis Ost gelangte eisige Kontinentalluft nach Europa. Es handelt sich um ein klassisches Wettermuster, doch dieses Mal war es intensiver und andauernder als gewöhnlich. In der Arktis steigen die Temperaturen drei Mal so schnell wie im globalen Durchschnitt, ein Phänomen, das als Arktische Amplifizierung bekannt ist. Einer der Hauptgründe ist der Verlust an Meereis in dieser Region. Wenn Meereis schmilzt, dann wird Sonnenenergie, die normalerweise reflektiert wird, vom Ozean absorbiert. Zwischen 1979 und 2018 nahm die durchschnittliche monatliche Meereisfläche von 15,4 auf 13,2km² ab, das entspricht einer Abnahme von 3,3% pro Jahrzehnt. Der Zusammenhang zwischen Arktischer Amplifizierung und unserem Wetter ist Gegenstand aktueller Forschungen. Beispielsweise nimmt mit der Erwärmung in der Arktis der Temperaturunterschied zwischen Arktis und mittleren Breiten ab. Das könnte den Jetstream schwächen und ihn dazu bringen, häufiger auszulenken, was Kaltluftvorstöße wahrscheinlicher werden lässt. Gleichzeitig zeigen manche Klimamodelle, dass bei fortschreitend hohem Kohlendioxidausstoß ein Großteil des Meereis im Sommer verschwinden wird. Die Schwäche des stratosphärischen Polarwirbels ist eine Möglichkeit, wie Arktische Amplifizierung unser Wetter beeinflussen kann, nämlich durch einen negativen AO. Nach rund einem Dutzend Studien besteht tatsächlich ein Zusammenhang: Der Prozess beginnt mit Meereisverlust, wodurch sich die Arktischen Gewässer im Sommer stärker erwärmen. Die Erwärmung verlangsamt die Eisbildung in der Barent- und Karasee im Frühwinter. In dieser Region weist der Jetstream gewöhnlich eine Ausbuchtung auf. Die Erwärmung erzeugt ein Hochdruckgebiet unmittelbar östlich dieser Delle. Damit einher geht stärkere Kaltluftzufuhr von der Arktis nach Zentral- und Ostasien. Das erzeugt eine größere Nord-Süd gerichtete Welle im Jetstream, die bei günstigen Bedingungen Wellenenergie in die Stratosphäre abstrahlt. Erreicht dieser Faktor eine bestimmte Dimension, dann wird der stratosphärische Polarwirbelwirbel unterbrochen. Das führt zu einer rapiden Erwärmung in der Stratosphäre und stellt das Wetter in den mittleren Breiten auf den Kopf. Die Häufigkeit gestörter Polarwirbel hat von 3 Tagen pro Winter zwischen 1979 und 1996 auf 7 Tage zwischen 1998 und 2015 zugenommen. Umgekehrt gingen die Tage eines kräftigen Polarwirbels von rund 12 Tagen pro Saison auf 6 Tage zurück.