Polarwirbel
Polarwirbel, auch zirkumpolarer Wirbel, Polartief oder Polarzyklon genannt, großes Gebiet mit anhaltendem Tiefdruck, das sich im Allgemeinen über den beiden Polarregionen der Erde befindet und eine Masse extrem kalter Luft enthält. Die Höhe dieses Wirbelsturms erstreckt sich von der Mitte der Troposphäre (der untersten Ebene der Erdatmosphäre, die den Bereich von der Oberfläche bis zu einer Höhe von 10-18 km umfasst) bis in die Stratosphäre (die atmosphärische Schicht, die sich von 10-18 km bis in etwa 50 km Höhe erstreckt). Die kalte Luft wird innerhalb des Polarwirbels durch den Polarfront-Jetstream (ein sich ostwärts bewegender Gürtel starker Stratosphärenwinde, der die warme Tropenluft von der kalten Polarluft in den mittleren Breiten trennt) zurückgehalten. Die Stärke des Polarwirbels variiert je nach Jahreszeit, am stärksten ist er jedoch während der Wintersaison auf beiden Hemisphären, wenn der Temperaturunterschied zwischen Pol und Äquator am größten ist. In den wärmeren Monaten des Jahres kann er sich abschwächen oder ganz verschwinden.
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Über der Nordhalbkugel befindet sich in der Wintersaison der Polarfront-Jetstream über den mittleren Breiten (Gebiete zwischen 30° und 60° N), wobei die Windgeschwindigkeiten zwischen 193 und 402 km pro Stunde liegen. Wenn die Zirkulation dieses Jetstreams stark ist, behält der Polarwirbel eine annähernd kreisförmige Form mit einem Zentrum am oder in der Nähe des Nordpols. Schwankungen in der Zirkulation des Polarfront-Jetstreams (Rossby-Wellen genannt) können durch Energieeinbrüche entstehen, die durch Land-Ozean-Kontraste in der Temperatur und durch Luft, die von großen Gebirgszügen in die Bahn des Jetstreams in der Stratosphäre abgelenkt wird, erzeugt werden. Diese Wellen können die Zirkulation um den Polarwirbel schwächen und machen den Polarwirbel anfälliger für Störungen durch nach Norden ziehende warme Luftmassen und Hochdrucksysteme. Störungen des Polarwirbels können einen Teil der Hauptregion mit kalter arktischer Luft Tausende von Kilometern nach Süden verschieben, was zu weitreichenden „Kaltluftausbrüchen“ oder „Kältewellen“ führt, die die Lufttemperaturen über bewohnten Gebieten Eurasiens oder Nordamerikas auf gefährliche Werte senken können. So führte beispielsweise ein Kaltluftausbruch Anfang Januar 2014 dazu, dass die Oberflächentemperaturen im Osten der Vereinigten Staaten um etwa 20 °C unter den Durchschnitt sanken. Außerdem führte eine Kältewelle, die Europa im März 2013 heimsuchte, dazu, dass die Temperaturen in Teilen Deutschlands, Russlands und Osteuropas um mehr als 10 °C unter den Durchschnitt fielen. Solche Kältewellen führen häufig zu Ernte- und Viehverlusten und sogar zu Todesfällen.
Der Polarwirbel über der Antarktis und den angrenzenden Meeren wird durch den Polarfront-Jetstream auf der Südhalbkugel, der zwischen etwa 50° und 65° S über dem Südlichen Ozean zirkuliert, von der Luft außerhalb der Region isoliert. Der antarktische Polarfront-Jetstream ist gleichmäßiger und konstanter als sein arktisches Gegenstück, da die Antarktis von Ozeanen und nicht von einer Mischung aus Land und Wasser umgeben ist. Infolgedessen sind die Temperaturunterschiede zwischen Land und Ozean unterhalb des Jetstreams in der Antarktis nicht so groß wie in der Arktis. Außerdem sind die Berge, die die Energie in den Strahlstrom umlenken können, weniger und weiter entfernt, so dass die Entstehung großer Rossby-Wellen seltener ist als auf der Nordhalbkugel. Infolgedessen ist der antarktische Polarwirbel widerstandsfähiger als der arktische Polarwirbel gegen das Eindringen von Luftmassen von außen, und er bricht in der Regel nur zu Beginn des Frühlings auf. Kaltlufteinbrüche kommen zwar auch auf der Südhalbkugel vor, sind aber seltener und treffen seltener auf dicht besiedelte Gebiete.
Kaltluft, die im antarktischen Polarwirbel eingeschlossen ist, trägt in den Wintermonaten zur Bildung von Perlmutterwolken (eine Art polare Stratosphärenwolke aus Wasser und Salpetersäure) bei, die während der gesamten Polarnacht (der Zeit, in der in der Antarktis mehrere Monate lang völlige Dunkelheit herrscht) anhalten. PSCs wandeln weniger reaktive chlorhaltige Moleküle in reaktionsfreudigere Formen wie molekulares Chlor (Cl2) um, die zum Ozonloch beitragen. Im August und September sind diese Wolken dem Sonnenlicht ausgesetzt, das die Chlormoleküle in einzelne Chloratome aufspaltet, die mit stratosphärischen Ozonmolekülen (O3) reagieren und diese zerstören. Perlmuttwolken können sich auf natürliche Weise bilden oder mit erhöhten Methankonzentrationen in der Atmosphäre in Verbindung gebracht werden, die zum Teil auch auf menschliche Aktivitäten zurückzuführen sind.