Stratosphärische Erwärmungen und mesosphärische Abkühlung im Winter

Temperatur-Entwicklung während einer stratosphärischen Erwärmung

Wenn sich in den Wintermonaten besonders viele planetare Wellen aus der Troposphäre nach oben in die Stratosphäre ausbreiten, kann es zu sogenannten stratosphärischen Erwärmungen kommen. Dabei erwärmt sich die Stratopause um bis zu 80 K gegenüber dem ungestörten Winterzustand und sinkt in den meisten Fällen gleichzeitig auch nach unten ab. Stratosphärischen Erwärmungen wurden zum ersten Mal 1952 von Scherhag in Radiosonden-Aufstiegen über Berlin beobachtet. Ursache für diese starken Erwärmungen sind Änderungen der meridionalen Zirkulation die zu einem verstärkten Absinken von Luftmassen und damit zu einer starken adiabatischen Erwärmung führen.

Als Beispiel zeigt Abbildung 1 die Entwicklung der Temperatur-Struktur in der mittleren Atmosphäre im Winter 2000/2001. Anfang Dezember 2000 sowie Ende Januar 2001 wurde eine Erwärmung der Stratopause beobachtet das begleitet wurde von einem Absinken der Stratopause (siehe die roten Rauten am oberen Rand in Abbildung 1). Die typische Dauer eines solchen Ereignisses beträt zwei Wochen. Danach nähert sich die Atmosphäre wieder dem ungestörten Winterzustand an.

Mesosphärische Abkühlung während der stratosphärischen Erwärmung

Gleichzeitig mit den stratosphärischen Erwärmung wird in den meisten Fällen auch eine Abkühlung in der Mesosphäre beobachtet. Diese Abkühlung wird aus der theoretischen Erklärung von stratosphärischen Erwärmungen erwartet, sie fällt aber für jedes Ereignis unterschiedlich stark aus. In den Jahren 1997–2005 wurden mit dem ALOMAR RMR-Lidar insgesamt 30 stratosphärischen Erwärmungen beobachtet. Die Differenz der Temperatur-Profile während dieser stratosphärischen Erwärmungen zum ungestörten Winterzustand ist in Abbildung 2 gezeigt. Nur in 5 Fällen (violette Profile) wurde keine mesosphärische Abkühlung beobachtet. Die rote Linie zeigt den Mittelwert der blauen Profile.

Die mittlere beobachtete Erwärmung beträgt 35 K, in Einzelfällen traten aber auch Erwärmungen von bis zu 80 K auf. Oberhalb von 55 km wurde eine Abkühlung gegenüber dem ungestörten Winterzustand von bis zu 22 K beobachtet, die bis über 80 km anhält. In größeren Höhen liegen zu wenige Messungen vor, um eine Aussage über das Vorzeichen der Temperatur-Änderungen während stratosphärischer Erwärmungen zu treffen.

Temperatur-Entwicklung

Abbildung 1: Temperatur-Entwicklung über ALOMAR im Winter 2000/2001 aus RMR-Lidar Messungen. Die Kreuze am oberen Rand kennzeichnen die Einzelprofile. Die roten Rauten kennzeichnen stratosphärische Erwärmungen.

Temperatur-Differenz

Abbildung 2: Temperatur-Differenz der gemessenen Temperatur-Profile zum ungestörten Winterzustand während Stratosphärenerwärmungen (blau) und deren Mittelwert (rot). Nur in 5 Fällen (violett) wird keine Abkühlung in der Mesosphäre beobachtet.