Hitzewelle in der Stratosphäre - Das "Berliner Phänomen"

Als Stratosphäre bezeichnen wir Meteorologen den Teil der Atmosphäre
etwa zwischen 10 und 50 km Höhe. Im Vergleich zur unter ihr liegenden
Troposphäre, wo sich das Wetter im Wesentlichen abspielt, nimmt die
Temperatur im Mittel mit der Höhe zu. Während am unteren Ende der
Stratosphäre (an der sog. Tropopause) durchschnittlich gerade mal -50
Grad herrschen, werden in ihren oberen Bereichen Temperaturwerte von
nur knapp unter 0 Grad erreicht. Verantwortlich dafür ist vor allem
das in Teilen der Stratosphäre reichlich vorhandene Ozon, welches
bestimmte Bestandteile des Sonnenlichts (nämlich das UV-Licht)
aufnimmt und in Wärme umwandelt.

Im Winter kühlt sich die Stratosphäre aufgrund der maximal nur sehr
flach einfallenden Sonnenstrahlung dann aber stetig ab. In etwa 20 km
Höhe beträgt die durchschnittliche Temperatur dann nur noch rund -70
Grad Celsius. Infolgedessen bildet sich ein Polarwirbel aus,
sozusagen ein "kaltes Tiefdruckgebiet", an dessen Südflanken starke
Westwinde auftreten.

In den 1950er Jahren entdeckte Richard Scherhag bei der Auswertung
von Wetterballondaten, dass sich die winterliche Stratosphäre in
unregelmäßigen Abständen, im Mittel alle 2 Jahre, in kurzer Zeit
plötzlich sehr stark um zum Teil mehr als 50 Grad erwärmt. Da der
Stratosphärenwissenschaftler Scherhag an der Freien Universität
Berlin forschte, wird diese Erwärmung auch als "Berliner Phänomen"
bezeichnet.

Die Ursache für diese "winterlichen Hitzewellen" in der Stratosphäre
sind komplizierte und auch noch nicht vollends verstandene
physikalische Prozesse und Wechselwirkungen mit der Troposphäre.
Vereinfacht ausgedrückt wird bei bestimmten Wetterlagen Energie in
Form von Wellenbewegungen der Luft aus der Troposphäre nach oben in
die Stratosphäre transportiert. Dort beginnen sie sich die Wellen 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 besonders starker Ausprägung der Erwärmung kommt es zu
Veränderungen in der Druck- und Strömungsverteilung in der polaren
Stratosphäre, bis hin zu einem Zusammenbrechen des Polarwirbels.
Dabei können die Winde an dessen Südflanke vorübergehend von
westlichen auf östliche Richtungen drehen.

Diese Veränderungen in der Stratosphäre wirken sich wiederum auf die
Troposphäre aus. Zwar sind die genauen Wechselwirkungen noch nicht
zufriedenstellend erforscht, jedoch zeigen die vieljährigen
Beobachtungen, dass eine stratosphärische Erwärmung mit gewisser
Verzögerung auch eine Umstellung der Wetterlage begünstigen kann. In
vielen Fällen schwächt sich das Starkwindband (der Jet-Stream) in den
oberen Bereichen der Troposphäre ab und neigt zu stärkeren und somit
weiter nach Norden und Süden ausgreifenden Wellenbewegungen. Dieses
starke Mäandrieren des Jet-Streams bedeutet letztendlich eine
Umstellung von einer zonal (entlang der Breitengrade) orientierten
hin zu einer eher meridional (entlang der Längengrade) orientierten
Zirkulation. Die normalerweise vorherrschende West-Ost-Zugbahn der
Tiefdruckgebiete wird demnach 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.

Zu unterscheiden ist noch ein nur etwa alle zwei Jahre auftretendes
"Major Warming" (sehr starke Stratosphärenerwärmung) und ein mehrfach
in jedem Winter auftretendes "Minor Warming" (schwächere
Stratosphärenerwärmung). Letzteres beeinflusst die Druck- und
Strömungsverhältnisse in der Stratosphäre in deutlich geringerem Maße
und führt demnach auch nicht direkt zu einer großräumigen Umstellung
in der Troposphäre. Als "Final Warming" bezeichnet man die
nachhaltige Erwärmung der Stratosphäre am Ende des Winters, zwischen
März und Mai. Der Polarwirbel bricht unwiderruflich zusammen und
entsteht erst wieder zu Beginn des nächsten Winters.

Dipl.-Met. Adrian Leyser
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 29.12.2018

Copyright (c) Deutscher Wetterdienst