Enge Kopplung zwischen Europa und der Arktis

Nach einem sehr warmen und vielerorts auch sehr trockenen Frühjahr und Sommer 2018 gerät der Anfang dieser extremen Witterung leicht in Vergessenheit. Zwar war davor auch der Winter außergewöhnlich mild ausgefallen, aber Ende Februar brachte eisige Luft aus arktischen Breiten die kalte Jahreszeit doch noch nach Mitteleuropa und leitete gleichzeitig einen unterkühlten März ein. „Beast from the East“ oder „Bestie aus dem Osten“ wurde dieser Kaltluftvorstoß in Großbritannien genannt, wo er sehr starke Schneefälle in Schottland und im Südosten Englands und wenig später einen schweren Schneesturm in Irland, Wales und dem Südwesten Englands auslöste. Kurz zuvor waren außergewöhnlich warme Luftmassen bis zur Nordspitze Grönlands geströmt und hatten Island und Spitzbergen im tiefsten Winter mit Temperaturen um plus acht Grad Celsius ähnliche milde Verhältnisse wie gleichzeitig am Mittelmeer beschert. Was bei solchen Warmluftvorstößen in der Atmosphäre geschieht und wie sie mit den Kaltluftvorstößen in gemäßigte Breiten zusammenhängen, beschreiben Dr. Felix Pithan vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) und seine Kollegen jetzt in der Online-Zeitschrift Nature Geoscience.

Normalerweise liegen weite Teile Europas in einem breiten Gürtel, in dem recht kräftige Westwinde feuchte Luft vom Atlantik nach Osten transportieren. Ende Februar 2018 aber blockierte hoch oben in der Atmosphäre zwischen Skandinavien und Spitzbergen im Nordpolarmeer ein Hochdruckgebiet diese normalen Luftströmungen. Statt von West nach Ost strömte jetzt im Westen dieses Hochdruckgebiets recht warme und feuchte Luft aus südlichen Regionen nach Norden, während sich weiter im Osten eisige Luft vom Nordpolarmeer aus über Skandinavien ihren Weg nach Mittel- und Westeuropa bahnte und am Ende sogar Griechenland, Italien und die Pyrenäen erreichte. „Solche Vorstöße warmer Luft nach Norden und kalter nach Süden kommen im Winter regelmäßig vor, sie beeinflussen Wetter und Klima daher öfter“, erklärt AWI-Forscher Felix Pithan den wissenschaftlichen Hintergrund dieser Ereignisse.

In dieser Zeit steigt die Sonne über dem Nordpolarmeer gar nicht oder nur sehr wenig über den Horizont, von November bis Februar herrscht dort die Dunkelheit der Polarnacht. Über dem Meereis und den schneebedeckten Landmassen kühlt die Luft daher sehr stark aus. Trifft die feuchte und immer noch milde Luft aus dem Süden auf diese an eine Kühltruhe mit vielleicht minus 20 Grad Celsius erinnernden Verhältnisse, kühlt sie ebenfalls ab. Je kälter die Luft wird, umso weniger Feuchtigkeit kann sie tragen. Bald kondensieren daher winzige Wassertropfen, die in der Luft schweben und Wolken bilden.

Auch wenn das Meereis einem Menschen recht kalt scheint, enthält es doch noch ein wenig Wärme-Energie, die in klaren Polarnächten als Wärmestrahlung in den Weltraum entweicht. Dadurch kühlt der hohe Norden noch weiter ab. Die sich in der milden Strömung aus dem Süden bildenden Wolken aber lassen diese Wärmestrahlung nicht mehr durch. Sie legen sich daher wie eine wärmende Decke über Eis und Schnee im hohen Norden und lassen die Temperaturen am Boden steigen.

In den Wolken am Himmel werden die winzigen Wassertropfen bei fallenden Temperaturen langsam zu Eiskristallen, die ähnlich wie das flüssige Wasser in der Luft schweben. Die noch vorhandenen Wassertröpfchen halten immer noch die Wärmestrahlung vom Boden zurück, auch solche Mischwolken aus Eiskristallen und Wassertropfen liegen also wie eine wärmende Decke über der Arktis. Kühlt die Wolke weiter ab, werden schließlich auch ihre letzten Tröpfchen aus flüssigem Wasser zu Eiskristallen. Diese Eis-Wolken aber lassen die immer noch vorhandene Wärmestrahlung vom Boden erheblich besser durch als die Wolken mit wenigen Wassertropfen. Dadurch werden die Wolken noch kälter und die verbliebenen Eiskristalle rieseln als Schnee zu Boden, so dass die Luft trockener wird und die Wolke beginnt, sich aufzulösen.

Auf dem Eis hat der lockere Schnee aus den Wolken noch einen weiteren Effekt: Das flüssige Salzwasser unter dem Eis hat zwar Temperaturen von minus 1,9 Grad Celsius, enthält damit jedoch immer noch ein wenig Wärmeenergie, die durch das Eis nach oben dringt. „Liegt auf dem Eis aber eine lockere Schneedecke, schirmt sie diese restliche Wärmestrahlung praktisch vollständig ab und über dem Schnee kühlt die Luft noch weiter aus“, erklärt Felix Pithan. Diese inzwischen bitterkalte und sehr trockene Polarluft macht sich schließlich auf den Weg nach Süden und kann dort als Kaltluftvorstoß ankommen, der Mitteleuropa einen eisigen Februarausklang wie im Jahr 2018 bescheren kann. Viel häufiger aber fließen diese arktischen Luftmassen in die Ozeane. Über dem Nordatlantik bilden sich dann Polar-Tiefdruck-Gebiete, die über dem Meer und an der Küste Norwegens heftige Schneestürme auslösen können.

„Die exakten Vorgänge beim letzten Schritt von Misch- zu reinen Eiswolken wollen wir bald noch genauer untersuchen“, erklärt Felix Pithan. Eine gute Gelegenheit dazu bietet die MOSAiC-Expedition, in der ab September 2019 der AWI-Forschungseisbrecher Polarstern eingefroren im Eis ein Jahr lang durch das Nordpolarmeer driften wird. Versorgt von weiteren Eisbrechern und Flugzeugen können rund 600 Menschen aus 17 Ländern von dort aus neben vielen anderen Untersuchungen auch die Wolken über der Arktis genauer unter die Lupe nehmen. Mit diesen Ergebnissen wollen die Forscher nicht nur das Wetter im hohen Norden und seinen Einfluss auf Mitteleuropa besser verstehen, sondern auch die Klimamodelle verbessern, in denen detaillierte Informationen über die Bildung dieser Eiswolken der Arktis bisher weitgehend fehlen.

Originalpublikation

F. Pithan, G. Svensson, R. Caballero, D. Chechin, T. Cronin, A. Ekman, R. Neggers, M. Shupe, A. Solomon, M. Tjernström, M.Wendisch: Role of air-mass transformations in exchange between the Arctic and mid-latitudes. Nature Geoscience (2018). DOI: 10.1038/s41561-018-0234-1