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Wenn Du an die Polarregionen denkst, denkst Du vielleicht an die kalten klimatischen Bedingungen? Wusstest Du, dass der Wind allgemein einen erheblichen Einfluss auf das Klima hat?
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Feedback sendenDiese Erklärung befasst sich mit der Polarzelle, also der Windzirkulation oberhalb der Polarregionen und ihren Auswirkungen.
Die Polarzelle entsteht über den Polarregionen und stellt einen wichtigen Teil der globalen Windsysteme dar. Die polaren Ostwinde, Polarfronten und Polarwirbel hängen unmittelbar mit der Polarzelle zusammen.
Die Polarzelle ist ein Teil des Systems der planetaren Zirkulation, die sich innerhalb der Troposphäre ereignet. Die Hadley-Zelle und die Ferrel-Zelle sind ebenfalls ein Teil dieses Systems.
Mehr zum globalen Windsystem erfährst Du in einer separaten Erklärung.
Der Ursprung der Polarzelle liegt im erhöhten Luftdruck. Der hohe Luftdruck entsteht durch das Abwärtsfließen kalter und trockener Luftmassen über den Polarregionen.
Der Luftdruck verändert sich jeweils mit den Höhenunterschieden. Je höher es geht, also je weiter die Entfernung zur Erdoberfläche ist, desto niedriger ist der Luftdruck.
Außerdem kühlt sich die Luft bei niedrigem Luftdruck ab und kalte Luft steigt nicht weiter auf.
In Nähe des Bodens fließen die Luftmassen dann Richtung Äquator. Dort werden die Luftmassen aufgrund der Corioliskraft schräg nach Westen abgelenkt.
Die Corioliskraft wird durch die Erdrotation hervorgerufen. Die Kraft sorgt auf der Nordhalbkugel dafür, dass die vom Äquator weg wehenden Winde nach Osten und die zum Äquator hin wehenden Winde nach Westen abgelenkt werden. Auf der Südhalbkugel geschieht der Vorgang umgekehrt.
Mehr zum Thema Corioliskraft und Luftdruck findest Du in der gleichnamigen Erklärung!
Da es zum Äquator hin aufgrund der stärkeren Sonneneinstrahlung immer wärmer wird, haben sich die Luftmassen ungefähr ab dem 60. Breitengrad so stark erwärmt, dass sie wieder aufsteigen. Dass die warme Luft wieder aufsteigt, liegt daran, dass warme Luft leichter ist als kalte. Die aufgestiegene, warme Luft strömt an der Tropopause entlang zu den Polarregionen zurückkehren.
Die Tropopause stellt die Grenze zwischen der Troposphäre und der darüberliegende Stratosphäre dar.
In Richtung Äquator trifft die polare Zelle ungefähr ab dem 60. Breitengrad auf die Ferrel Zelle.
Mehr zum Thema Ferrel Zelle findest Du in unserer gleichnamigen Erklärung!
Auf Abbildung 1 siehst Du die drei Zellen der planetaren Zirkulation. Die polare Zelle und die Hadley Zelle schließen die Ferrel Zelle ein. Die Richtung, in die die Winde wehen, sind durch Pfeile gekennzeichnet.
Die polare Zelle ist ein Teil des Systems der planetaren Zirkulation, die innerhalb der Troposphäre stattfindet.
Die Hadley-Zelle und die Ferrel-Zelle sind ebenfalls ein Teil dieses Systems.
Die planetare Zirkulation ist ein Sammelbegriff für die atmosphärischen Zirkulationssysteme, die die Polarzelle, die Hadley Zelle und die Ferrel Zelle umfassen.
Mehr zum Thema Hadley Zelle findest Du in unserer Erklärung „Hadley Zelle“.
In den Polarregionen verliert die Luft mehr Wärme, als ihr zugeführt wird, wodurch sie sich insgesamt stark abkühlt.
Wie Du bereits gelernt hast, ist kalte Luft schwerer als warme, weshalb sich die Luftdichte erhöht.
Diese kalte und dichte Luft sinkt aufgrund der Schwerkraft aus der Höhe ab. Durch dieses Absinken von kalten, trockenen Luftmassen entsteht am Boden ganzjährig ein Hochdruckgebiet in Linsenform, das polares Kältehoch genannt wird.
Die absinkende Luft wird durchgehend durch Luft ersetzt, die aus niedrigeren Breiten polwärts nachströmt. Diese Höhenströmung wird durch die Corioliskraft auf der Nordhalbkugel nach rechts, auf der Südhalbkugel nach links zu Höhenwestwinden umgelenkt.
In Nähe des Bodens strömen die Luftmassen dann in Richtung des Äquators. Am Äquator herrscht aufgrund der Wärme ein geringerer Luftdruck. Dabei werden die Luftmassen durch die Corioliskraft nach Osten abgelenkt.
Ab dem 60. Breitengrad sind die polaren Ostwinde so weit erwärmt, dass sie zusammen mit den dortigen wärmeren Luftmassen an der Polarfront aufsteigen.
An der Tropopause strömt Luft zurück zum Pol und fungiert somit als Gegenstrom. Über dem polaren Hoch sinkt die Luft wieder ab und schließt den Kreislauf wieder.
Die Polarzelle bezeichnet also eine einfache geschlossene polare Zirkulation.
Abbildung 2: Atmosphärische Zirkulation
Abbildung 2 veranschaulicht die atmosphärische Zirkulation und daher den eben beschriebenen Prozess der Polarzelle auf der linken Seite. Die Pfeile symbolisieren dabei die Wehrichtung der Winde.
Die atmosphärische Zirkulation wird auch planetare Zirkulation genannt und ist eine Sammelbezeichnung für alle atmosphärischen Zirkulationssysteme umfassen. Bei den Zirkulationssystemen handelt es sich um die polare Zelle, die Ferrel Zelle und die Hadley Zelle, wie Du auf Abbildung 2 siehst.
Die Zirkulationssysteme umfassen große Teile des Erdballs und bestimmen durch ihre Wechselwirkung die Wetterdynamik der Erdatmosphäre.
Die Polarzelle bringt weitere Phänomene mit sich, die Einfluss auf die Windzirkulationen und auch auf das Wetter haben.
Mehr zu den Themen „Wind“ und „Wetter“ findest Du in unseren gleichnamigen Erklärungen.
Die Luft am Boden strömt nur sehr langsam aus dem polaren Bodenhoch in Richtung des Äquators. Durch diesen Vorgang bildet sich eine großflächig einheitliche polare Luftmasse. Die Luft wird durch Reibung an der Erdoberfläche und die Corioliskraft abgelenkt, sodass sie aus Nordost beziehungsweise Südost in Richtung Äquator weht.
Die kalte Polarluft trifft ungefähr am Polarkreis auf die wärmere Luft der gemäßigten Breiten, die sie durch ihre größere Dichte soweit vom Boden abhebt, dass diese von den zirkumpolaren Höhenwestwinden polwärts getrieben werden kann.
Abbildung 3: Polare Ostwinde
Auf Abbildung 3 siehst Du die polaren Ostwinde und, wie sie abgelenkt werden.
Die Polarfront stellt die Fläche dar, die die subtropische Warmluft und die entgegengesetzt strömenden Luftmassen der polaren Kaltluft voneinander abgrenzt.
Die Polarfront trennt in erster Linie zwei Hauptluftmassen, die subtropische Warmluft und die polare Kaltluft. Deshalb wird sie auch als klimatische Front bezeichnet.
Die Polarfront ist nicht gleichmäßig ausgebildet, sondern verschiebt sich mit dem großräumig unterschiedlichen Vordringen polarer und warmer Luftmassen nach Süden beziehungsweise Norden in den sogenannten Rossby-Wellen.
Polarwirbel sind durch die Absinkbewegung der Luft in der Polarzelle hervorgerufene große Höhentiefs, die als abwärts gerichtete kalte Tiefdruckwirbel bis in die mittlere Troposphäre hinabreichen.
Die Polarwirbel stellen einen wesentlichen Teil der planetaren atmosphärischen Zirkulation dar. Wie auch bei Wirbelstürmen auf der Nord- und Südhalbkugel, entstehen Polarwirbel durch die unterschiedliche Rotation der Atmosphäre um die Erde, die entgegengesetzt der Drehrichtung der Erde ist.
Ein Wirbelsturm ist ein starker Sturm, der besonders häufig in den Tropen vorkommt. Ein Wirbelsturm bewegt sich außerdem um einen Mittelpunkt kreisend fort.
Über der Arktis und der Antarktis handelt es sich aufgrund der negativen Strahlungsbilanz der Pole bei den Polarwirbeln um thermisch bedingte kalte Hochdruckgebiete.
Eine negative Strahlungsbilanz besteht, sobald die Atmosphäre weniger kurzwellige Sonnenstrahlen absorbiert als langwellige Strahlung abgibt.
Die von der Sonne kommende Strahlung wird kurzwellig genannt und hat eine Wellenlänge von 0,2 bis 3 Mikrometern. Die von der Erdoberfläche und Atmosphäre ausgehende Wärmestrahlung wird langwellig genannt und hat eine Wellenlänge von 3 bis 60 Mikrometer.
Ein Polarwirbel kann sich nur bilden, wenn die Stratosphäre über den Polen kalt genug ist.
Bei der Stratosphäre handelt es sich um die zweite Schicht der Erdatmosphäre. Die Stratosphäre liegt somit über der Troposphäre.
Abbildung 4: Polarwirbel
Abbildung 4 veranschaulicht einen solchen Polarwirbel. Die Pfeile symbolisieren die ausschlaggebenden Aspekte.
Auch für das Wettergeschehen in unseren Breiten sind die Polarwirbel auf der Nordhalbkugel und der Südhalbkugel jeweils von großer Bedeutung.
Wenn im Oktober in Sibirien schon außergewöhnlich viel Schnee fällt, entstehen über der Schneedecke am Boden besonders tiefe Temperaturen.
Das Kältehoch über Sibirien wird dadurch überdurchschnittlich stark und blockiert dann auf der Nordhalbkugel den von West nach Ost gerichteten troposphärischen Polar-Jetstream. Dieser schwenkt deshalb stark zu flussschlingenartigen Bewegungen aus. Die Tiefdruckwirbel, die vom Polar-Jetstream mitgeführt werden, werden dadurch zu großen Umwegen gezwungen. Die Zirkulation wird aus diesem Grund meridional, also parallel zu den Längenkreisen orientiert.
Die Windgeschwindigkeiten nehmen demzufolge stetig weiter ab, bis nach ungefähr 3 Monaten der polare Stratosphärenjet so instabil wird, dass über der Polarregion Warmluft in die Stratosphäre vordringen kann.
Diese Stratosphärenerwärmung führt zum Zusammenbruch des Polarwirbels, der sich dann in zwei kleinere Wirbel aufspaltet – in den Polarwirbelsplit. Dies findet im Januar des Folgejahres statt.
Einer der zwei kleineren Wirbel befindet sich dann über Europa und der andere über dem nördlichen Teil Nordamerikas und Kanadas.
Abbildung 5: Polarwirbelsplit
Abbildung 5 zeigt den Polarwirbel zu verschiedenen Jahreszeiten. Abgebildet ist der Verlauf von links nach rechts, wobei links der Zustand im Herbst zu sehen ist und rechts der Zustand im Winter.
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Wie entsteht die Polarzelle?
Die Polarzelle entsteht im erhöhten Luftdruck durch das Abwärtsfließen kalter und trockener Luftmassen über den Polarregionen.
Was versteht man unter planetarischer Luftzirkulation?
Unter planetarischer Luftzirkulation versteht man alle atmosphärischen Zirkulationssysteme, die die Wetterdynamik der Erdatmosphäre durch ihre Wechselwirkung bestimmen.
Wie entsteht ein polares Kältehoch?
Ein polares Kältehoch ist ein linsenförmiges Hochdruckgebiet, welches durch das Absinken trockener und kalter Luftmassen das ganze Jahr über am Boden entsteht.
Was ist eine Polarfront?
Eine Polarfront ist eine die Fläche, die die subtropische Warmluft und die entgegengesetzt strömenden Luftmassen der polaren Kaltluft voneinander abgrenzt.
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Gabriel Freitas ist AI Engineer mit solider Erfahrung in Softwareentwicklung, maschinellen Lernalgorithmen und generativer KI, einschließlich Anwendungen großer Sprachmodelle (LLMs). Er hat Elektrotechnik an der Universität von São Paulo studiert und macht aktuell seinen MSc in Computertechnik an der Universität von Campinas mit Schwerpunkt auf maschinellem Lernen. Gabriel hat einen starken Hintergrund in Software-Engineering und hat an Projekten zu Computer Vision, Embedded AI und LLM-Anwendungen gearbeitet.
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