Neues aus der Stratosphäre

Das heutige Thema des Tages behandelt Phänomene in der Stratosphäre, der zweituntersten Schicht der Erdatmosphäre (zwischen etwa 13 und 50 km Höhe). In dieser Schicht nimmt die Temperatur durch die Absorption von UV-Strahlung an Ozon mit der Höhe zu. Im Gegensatz zur darunter liegenden Troposphäre, in der die Temperatur mit der Höhe abnimmt. Aufgrund dieser inversen Temperaturschichtung ist die Stratosphäre weitgehend von der Troposphäre entkoppelt und weist eigene Prozesse auf. Darunter fällt auch das sogenannte “Berliner Phänomen”.

Um dieses Phänomen zu verstehen, betrachten wir die winterliche Stratosphäre auf der Nordhalbkugel. Über dem Pol, wo im Winter kein Sonnenlicht einfällt, kann sich die Stratosphäre nicht durch UV-Absorption am Ozon erwärmen. Daher kühlt die Stratosphäre dort auf Temperaturen unter -80 °C ab. Dies führt zur Bildung eines kräftigen Höhentiefs, des sogenannten Polarwirbels, der bis in die Troposphäre reicht.

In den 50er Jahren entdeckte der Stratosphärenwissenschaftler Richard Scherhag bei der Auswertung von Wetterballondaten, dass sich die winterliche Stratosphäre in unregelmäßigen Abständen, im Durchschnitt alle 2 Jahre, plötzlich stark erwärmt. Aufgrund seiner Forschung an der Freien Universität Berlin wird dieses Phänomen als “Berliner Phänomen” bezeichnet.

Die Ursache für diese plötzliche Erwärmung ist recht komplex und lässt sich in der Troposphäre finden. Etwas vereinfacht dargestellt, breiten sich bei bestimmten Wetterlagen auf der Nordhalbkugel Wellen vertikal bis in die Stratosphäre aus. Dort beginnen sie sich in etwa 30 km Höhe aufzulösen und setzen dabei ihre Wellenenergie frei. Diese wird in Wärmeenergie umgewandelt, sodass es zu einer raschen Erwärmung kommt. Diese Erwärmung beginnt zunächst in etwa 30 km Höhe. Ist diese kräftig genug, “wandert” sie bis in eine Höhe von 15 km hinunter. Bei sehr kräftigen Erwärmungen wird der bereits beschriebene Polarwirbel zerstört und zerfällt in mehrere Teilwirbel oder wird weit nach Süden abgedrängt. Die winterlichen Westwinde in der Troposphäre schwächen sich infolgedessen ab und kehren sich sogar zu Ostwinden um. Man spricht dann auch von einem “Major Warming“.

Dies hat dann sogar Auswirkungen auf unser Wetter. In der Troposphäre schwächt sich der Jetstream (Starkwindband in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre) ab. Dadurch stoßen Hochdruckgebiete weit nach Norden vor und führen an ihrer Westflanke warme Luft in Richtung Pol. Die normalerweise vorherrschende West-Ost-Zugbahn der Tiefdruckgebiete wird in Folge dessen unterbrochen, sodass sie mit Kaltluft aus polaren Breiten weit nach Süden ausscheren können. Diese Blockade-Wetterlagen sorgen im Winter häufig für längere kältere Phasen in Mitteleuropa. Einfacher ausgedrückt: Der Druckunterschied zwischen Islandtief und Azorenhoch wird im Mittel verringert, sodass sich der Zustrom milder Atlantikluft nach Mitteleuropa häufig abschwächt. Major Warmings erhöhen also die Chance auf kalte Witterungsphasen in den mitteleuropäischen Wintern.

Derzeit simulieren Modelle erneut eine plötzliche Stratosphärenerwärmung. Nach dem aktuellen Stand reicht diese Erwärmung jedoch nicht aus, um den Polarwirbel zu zerstören, sondern er wird sich nur abschwächen und südwärts Richtung Nordeuropa verschieben. Die Auswirkungen auf unser Wetter Anfang Januar sind schwer abzuschätzen. In der erweiterten Mittelfrist zeigen Modelle jedoch eine deutliche Abschwächung der vorherrschenden Westwinddrift, die seit Mitte Dezember durch einen sehr kompakten Polarwirbel aufrechterhalten wird. Stattdessen deutet sich ein Trend zu hohem Luftdruck über Grönland und dem Nordmeer an, was den Weg für kältere Luftmassen nach Nord- und Mitteleuropa ebnen könnte.

Obwohl die Prognose noch vage ist, zeigen die Modellensembles tatsächlich einen groben Trend zu einer Abkühlung in der zweiten Januarwoche, die zumindest im Bergland den Winter zurückbringen könnte. Diese Entwicklung könnte sogar eine direkte Folge der Prozesse in der Stratosphäre sein.

Ein optischer Effekt wird sich ab dem Wochenende wahrscheinlich beobachten lassen: Durch die Verschiebung des Polarwirbels nach Nordeuropa (siehe Abbildung 1) wird die Temperatur über Norddeutschland in einer Höhe von 23 km auf etwa -80 °C fallen. Infolgedessen könnten sich sogenannte “Polare Stratosphärenwolken” oder “Perlmuttwolken” bilden. Diese entstehen in einer Aerosolschicht in 22 bis 29 km Höhe, auch bekannt als “Jungschicht”, die winzige Schwefelsäuretröpfchen enthält. Die Hauptquelle für diese Schwefelsäuretröpfchen sind Vulkanausbrüche. Bei Temperaturen unter -78 °C gefrieren diese Tröpfchen und es lagern sich Wasser- und Salpetersäuremoleküle an. Dadurch entstehen Kristalle, die aus einer Mischung aus Schwefelsäure und Salpetersäuretetrahydrat bestehen. Das einfallende Sonnenlicht wird an diesen Kristallen gebrochen, wodurch perlmuttartig erscheinende Wolken entstehen. Aufgrund der Mehrfachstreuung des Sonnenlichts an diesen Wolken könnte es für mehrere Tage zu sehr intensiven roten bis purpurnen Sonnenauf- und Untergängen (Purpurlicht) kommen.

Dipl.-Met. Christian Herold
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 29.12.2023

Copyright (c) Deutscher Wetterdienst