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Der Polarwirbel ist eine Struktur, die sich hauptsächlich in der Stratosphäre entwickelt, in einer Höhe zwischen 12 bis 50 km. Der Entstehungsort befindet sich oberhalb der Troposphäre, der Schicht in welcher die wichtigsten meteorologischen Prozesse stattfinden. In der Polregion ist die Atmosphäre im Vergleich zur Äquatorregion dünner und die Stratosphäre beginnt bereits ab 8 km Höhe.
Eine ähnliche Zirkulation befindet sich in der Troposphäre und kann zum Teil mit der Stratosphäre gekoppelt sein. Es wird also vom stratosphärischen und troposphärischen Wirbel unterschieden. Direkt über dem Nordpol kann, von oben betrachtet, eine kreisförmige gewellte Bewegung der Luftmassen gegen den Uhrzeigersinn erkannt werden. Die Wellen in dieser Strömung werden in der Meteorologie Rossby-Wellen bezeichnet. Über dem Südpol befindet sich ebenfalls ein Wirbel, der antarktische Polarwirbel.
Der stratosphärische Polarwirbel
Die Drehbewegung gegen den Uhrzeigersinn (im Uhrzeigersinn am Südpol) wird durch die Corioliskraft, also die Erdrotation, bestimmt. Der stratosphärische Polarwirbel entsteht aufgrund der starken Westströmung, welche in den mittleren Breitengraden in der Höhe entsteht. Diese Strömung wiederum ist das Ergebnis der unterschiedlichen Erwärmung der nördlichen und mittleren Breitengraden und des daraus entstehenden thermischen Ungleichgewichts. Dieses ist in der kalten Jahreszeit, aufgrund der stärkeren Abkühlung in den arktischen Zonen als in den äquatorialen Zonen, stärker ausgeprägt.
Der stratosphärische Polarwirbel wird im Herbst stärker und breiter und schwächt sich im Frühjahr ab (im Sommer ist er nicht vorhanden). Der Polarwirbel hat eine gleichmässigere Form als der troposphärische Polarwirbel, es gibt jedoch vorübergehende Ereignisse, welche ihn aufbrechen und für kurze Zeit (von einigen Tagen bis maximal einige Wochen) verschwinden lassen. Dies kann jederzeit geschehen, nicht nur wenn der Polarwirbel am schwächsten ist. Des Weiteren kann aufgrund der Bildung eines Hochdruckgebietes mit Zentrum über dem Pol, der Polarwirbel verschoben werden. Im Sommerhalbjahr geschieht dies oft. Der Polarwirbel wird durch das polare Sommerhoch ersetzt, die Zirkulation ändert ihre Richtung und die stratosphärischen Winde kommen aus Osten.
Der troposphärische Polarwirbel
Der troposphärische Polarwirbel ist auch ein Tiefdruckgebiet welches sein Zentrum über dem Pol hat und befindet sich zwischen 5000 bis 9000 Metern Höhe. Der Polarwirbel reicht in der Regel bis zum 40. oder 50. Breitengrad und ist daher ausgedehnter als der stratosphärische Polarwirbel. Der troposphärische Polarwirbel wird ebenfalls durch die westliche Strömung begrenzt, weist jedoch eine weniger kompakte Struktur auf als der stratosphärische Polarwirbel.
Der troposphärische Polarwirbel kann an einzelnen Tagen auch über mehrere Zentren verfügen, jedoch in der Regel besteht der Wirbel aus einem oder zwei Zentren. Im borealen Winter finden sich m Durchschnitt zwei Zentren: eines in der Nähe der Baffininsel (Kanada) und das andere über Nordsibirien.
Der troposphärische Polarwirbel ist im Sommer schwächer und weniger ausgedehnt, aber im Gegensatz zum stratosphärischen Polarwirbel verschwindet er nicht komplett. Da sich der Polarwirbel abschwächt neigt er dazu stärkere Wellenbewegungen zu haben. Dies führt zu plötzlichen Wetteränderungen in den mittleren Breiten. Obwohl die Tropopause die beiden Polarwirbel voneinander trennen, können diese manchmal miteinander interagieren und sich gegenseitig beeinflussen.
Verwalter der borealen Kälte
Der troposphärische Polarwirbel steht in Wechselwirkung mit den subtropischen Hochdruckgebieten, die sich in den südlicheren Breitengraden befinden. Aufgrund der Erdrotation findet zwischen dem Äquator und dem Pol in der Höhe kein direkter Luftmassenaustausch statt. Die Jetstreams der mittleren Breiten lenken die Luftströmungen ab, welche das Energie-Ungleichgewicht zwischen dem Äquator und den Polen ausgleichen wollen. Ohne die Erdrotation könnte ein direkter Austausch zwischen Nord und Süd stattfinden, und die Dynamik der Erdatmosphäre wäre entschieden anders.