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Wetterküche über den Wolken?
Autor: Thomas Flury
Seit Wochen hält uns ein kalter, strenger Winter mit viel Schnee im Griff. In der Schweiz hat es seit dem Winter 1962/63 nie mehr so lange eine ständige Schneedecke von mindestens fünf Zentimetern Dicke gegeben. Damals betrug der Rekord in Bern 69 Tage. Diesen Winter lag bis zum 27. Februar schon 72 Tage dauernd Schnee, und der Winter ist noch nicht zu Ende.
Trotz dieser bedeutenden Schneemenge im jetzigen Winter ist das noch keine aussergewöhnliche Situation. Die Gesamtniederschlagsmenge liegt im Norden der Schweiz sogar unter dem langjährigen Mittel. Die Durchschnittstemperaturen bei uns liegen hingegen mit ca. 1 °C unter dem langjährigen Schnitt.
Schneechaos in England und Amerika
Aussergewöhnlich ist hingegen der Schneefall vom 2. Februar 2009. An diesem Tag schneite es von Frankreich bis England (FN vom 3. Februar). Paris lag unter einer dünnen Schneeschicht, und in London legten 20 Zentimeter Schnee den Verkehr lahm. Ein paar Tage vorher fiel ebenfalls Schnee in den südlichen Staaten von Amerika von Texas bis zur Ostküste. Am schlimmsten betroffen waren die Staaten Oklahoma und Kentucky, wo ein Schneesturm Bäume umriss und Stromleitungen kappte. Strassen waren zum Teil von einer zentimeterdicken Eisschicht bedeckt. Eingeleitet wurde der Sturm mit extremen Minustemperaturen bis -30 °C im oberen mittleren Westen.
Warum gab es aber in so kurzer Zeit solche aussergewöhnlichen Wetterphänomene in Amerika und Europa? Gibt es einen Zusammenhang beider Ereignisse? Die Antwort ist Ja. Der Grund dazu dürfte erstaunlicherweise in der Höhe von 20 Kilometern zu suchen sein, in der sogenannten Stratosphäre, 12 bis 50 Kilometer über der Erde. Die bei uns wetterbestimmenden Wolken liegen zum Vergleich alle unterhalb von ca. 12 Kilometern (in dieser Höhe fliegen Passagierflugzeuge). Wolken, aus denen Schnee fällt, haben generell eine Obergrenze von 2 bis 5 Kilometern. Unser ganzes Wetter spielt sich hauptsächlich in der sogenannten Troposphäre ab, der untersten Schicht der Atmosphäre, die bis ca. 12 Kilometer Höhe reicht. Auslöser der ausserordentlichen Schneefälle über Frankreich, England und Amerika war aber eine atmosphärische Störung in 20 Kilometern Höhe, welche sich vom Nordpol her nach unten in die Troposphäre ausbreiten konnte.
Kalter Luftwirbel über dem Nordpol
Im Winter bildet sich nämlich über dem Nordpol in einer Höhe von 20 bis 25 Kilometern ein starker und grossflächiger Luftwirbel. Dieser entsteht dadurch, dass sich die Luft im Norden durch Fehlen des Sonnenlichts (Polarnacht) stark abkühlt. Am Rande des polaren Wirbels, wo sich wärmere Luft aus unseren Breiten und die polare Kaltluft berühren, herrschen grosse Temperatur- und Druckdifferenzen. An dieser Stelle entstehen starke Westwinde, weil es einen grossen Druck der Luft in Richtung des Wirbels gibt. Der Wirbel bildet nämlich ein Tiefdruckgebiet, das von Winden im Gegenuhrzeigersinn umströmt wird.
Man nennt den Wind am Rande des Wirbels aufgrund seiner Lage im hohen Norden «polarer Nacht-Jet». Es können Windgeschwindigkeiten von bis zu 400 km/h auftreten, das sind grössere Geschwindigkeiten als in einem Hurrikan!
Wenn es plötzlich 70 Grad wärmer wird
Im polaren Wirbel geschehen durchschnittlich jeden zweiten Winter ganz besondere Sachen: Kräftige Wettersysteme in der Troposphäre können sich nämlich auf die Stratosphäre auswirken und den Wirbel dazu bringen, dass er sich vom Pol weg weit gegen Süden verschiebt. Der Wirbel kann sich auch in zwei kleinere Wirbel aufspalten (siehe Abbildung). Diese bewegen sich dann auch gegen Süden. In der Regel geht ein Teil nach Nordamerika und der andere nach Europa und Eurasien. In beiden Fällen gelangt häufig ein Teil des Wirbels über die Schweiz.
Bei diesen Ereignissen verändert sich von einem Tag auf den anderen in etwa 30 Kilometern Höhe die Temperatur bis zu 70 °C! Üblicherweise herrschen dort Temperaturen von ca. -50 °C, die dann plötzlich auf +20 °C ansteigen können. Dieses Phänomen wurde 1952 von Forschern in Berlin zum ersten Mal gemessen und erhielt den Namen «plötzliche stratosphärische Erwärmung». Die gemessene Erwärmung war so unglaublich, dass die Resultate zuerst angezweifelt wurden, bis sich das Ereignis aber kurz darauf wiederholte.
Polare Luft führt zu Schnee- und Eisstürmen
Ende Januar 2009 hat solch eine plötzliche Erwärmung der Stratosphäre stattgefunden. Der polare Wirbel teilte sich in zwei kleinere Wirbel. Einer wanderte nach Nordamerika und der andere nach Europa und Eurasien. Beide Wirbel wurden immer noch von starken Winden im Gegenuhrzeigersinn umströmt (in der Abbildung durch die Pfeile symbolisiert). Das Aussergewöhnliche an der Situation war nun, dass sich diese beiden stratosphärischen Tiefdruckgebiete nach unten in die Troposphäre ausbreiten konnten, indem sie ihre Windrichtung auf die tieferen Schichten übertrugen. Dies führte dazu, dass auch in den bodennahen Luftschichten kalte Luft vom Pol her in Richtung Süden der USA transportiert wurde. Diese Kaltluft war für die arktischen Temperaturen von bis zu -30 °C verantwortlich. Weiter im Süden der USA, in den Staaten Oklahoma und Kentucky, kam es dann zu den extremen Schnee- und Eisstürmen.
Über Europa passierte Ähnliches: Die Lage des Wirbels über Eurasien führte dazu, dass kalte kontinentale Luft vom Ural her in Richtung Nordsee und Atlantik transportiert wurde. Da Kaltluft schwerer ist als Warmluft, ist die wärmere und feuchtere Luft über England und Frankreich in die Höhe verdrängt worden. Dieses Aufsteigen feuchter Luft führte zu Wolkenbildung und hatte in diesem Fall die bemerkenswerten Schneefälle zur Folge, die den gesamten Verkehr in London ins Stocken brachten.
Interessant für Langzeitprognosen
Befindet sich die Wetterküche über den Wolken? Für diesen speziellen Fall kann man diese Frage bejahen: Eine Störung des polaren Wirbels, weit oberhalb der gewöhnlichen Wolkengrenze, löste einige Tage später die extremen Schneefälle über Amerika und Europa aus. Die Störung des Wirbels könnte jedoch durch eine Störung im troposphärischen Wettersystem verursacht worden sein, wie der NASA-Wissenschaftler Paul Newman vermutet.
Messdaten aus der Stratosphäre werden für die alltäglichen Wetterprognosen bisher nur spärlich berücksichtigt. Die indirekte Auswirkung des polaren Wirbels auf unser Wetter zeigt jedoch, dass in Zukunft auch Daten aus 20 bis 30 Kilometern Höhe für die Wetterprognosen interessant werden. Dies ist insbesondere für Langzeitwetterprognosen von Bedeutung, da man diese stratosphärischen Erwärmungen und Wirbeldeformationen heute schon zehn Tage vorher exakt voraussagen kann.
Thomas Flury aus Tafers ist 27 Jahre alt. Er hat an der Universität Freiburg Physik studiert. Seit zwei Jahren doktoriert er an der Universität Bern im Gebiet der Atmosphärenphysik zum Thema Wasserdampf und Ozon zwischen 20 und 80 Kilometern Höhe. Nebenbei unterrichtet er Mathematik am Kollegium Gambach.