Die Hoffnung auf ein zeitiges Frühjahr war wohl noch nie so groß wie im Winter 2020/21. Sonne und Wärme könnten mithelfen, die Coronakrise einzudämmen. Allein das Lüften von Innenräumen wäre bei angenehmen Außentemperaturen kein Vorgang mehr, den man nur widerwillig vornimmt. Freunde und Familie könnten wir wieder draußen treffen, ohne Frostbeulen zu riskieren. Doch das Wetter scheint erst einmal nicht mitzuspielen: Der Winter will von Sonne und Wärme in diesem Jahr vorerst nichts wissen. Die Wahrscheinlichkeit ist sogar hoch, dass Mitteleuropa eine längere Kältewelle bevorsteht.

Zum ersten Mal seit vier Jahren zeigt sich der Januar von seiner kalten Seite, große Teile des Landes liegen unter einem Häubchen Schnee. Glaubt man den Meteorologen, dann könnte dies erst der Anfang sein. Denn mit Januarbeginn hat sich in der Atmosphäre ein Wetterphänomen ereignet, das häufig lange Kältewellen über Europa auslöst. Deutsche Wissenschaftler bezeichnen es als plötzliche Stratosphärenerwärmung, international ist es als Major Warming bekannt.

Das Phänomen spielt sich nicht in unserer Wetterschicht der Troposphäre ab, sondern eine Etage höher in der Luftschicht zwischen 10 und 50 Kilometer Höhe, der Stratosphäre. In der freien Atmosphäre dort ist es normalerweise extrem kalt und ziemlich monoton. Jedes Winterhalbjahr bildet sich dort über der Arktis der Polarwirbel, der wie ein riesiger Kreisel stoisch rotiert. Er dreht sich als gigantisches Tiefdruckgebiet gegen den Uhrzeigersinn und bewegt so die Luft mit der Erddrehung von West nach Ost. Minus 80 Grad Celsius und kälter kann es in der Hochstratosphäre werden. Die starken Westwinde reißen mit der Zeit auch die unteren Windgürtel mit, darunter den für unser Wetter so wichtigen Jetstream, der am oberen Ende der Troposphäre bläst. Ist der Polarwirbel intakt, treibt er den Jetstream an – unser Wetter ist dann stürmisch und mild, wie beispielsweise im Februar und März 2020.

Doch hin und wieder, im Schnitt alle zwei Jahre, erhitzt sich die Stratosphäre plötzlich. Innerhalb weniger Tage kann es in diesen lebensfeindlichen Gefilden 40 Grad Celsius warm werden, mit massiven Konsequenzen für die vorherrschende Strömung. Der Polarwirbel beginnt zu trudeln, mitunter wird er deformiert oder gar in zwei kleine Wirbel zerschlagen. In der Folge kann seine Zirkulation komplett zusammenbrechen, dann herrscht Ostwind in der Höhe. Ist jener Zustand erreicht, steigt die Wahrscheinlichkeit, dass am Erdboden eisige Polarluft nach Süden ausbricht: Ausgerechnet viel Wärme in der Höhe kann grimmige Kälte am Boden verursachen.

Zusammenbruch Anfang Januar

Exakt ein solches Phänomen beobachteten Atmosphärenforscher am 5. Januar. Nach einer plötzlichen Erwärmung drehte der Wind in 36 Kilometer Höhe von West auf Ost, die normale Zirkulation auf der Nordhalbkugel brach zusammen. Mittlerweile ist die Zirkulation bis in die untere Stratosphäre gestört; ob sich dieses Signal jedoch bis zum Erdboden durchpaust, ist derzeit noch unklar.

Die Atmosphärenphysikerin Daniela Domeisen von der ETH Zürich untersucht solche Wetterphänomene in der Stratosphäre schon seit Jahren. Die Lage sei derzeit ein wenig diffus, sagt sie. Domeisen ist nicht so sehr an den kurz- und mittelfristigen Vorhersagen der Atmosphäre interessiert, die Wettercomputer alle paar Stunden für die nächsten Tage berechnen. Sie versucht, mit den Vorgängen in der Stratosphäre langfristige Muster in der Atmosphäre zu erkennen und dadurch Vorhersagen über Wochen zu ermöglichen. Plötzliche Stratosphärenerwärmungen bieten dafür eine gute Möglichkeit.

Aktuell seien die Vorgänge in der Stratosphäre jedenfalls hochdynamisch, sagt Daniela Domeisen, auch die untere Stratosphäre habe sich mittlerweile erwärmt. Diese Schicht der irdischen Lufthülle ist für die Forscherin besonders interessant, sie gilt als Signalgeber für die Troposphäre, in der unser Wetter gemacht wird. »Je stärker und langlebiger die Erwärmung in der unteren Stratosphäre zwischen 10 und 15 Kilometer Höhe ausfällt, desto eher gibt es einen Einfluss auf die Erdoberfläche«, sagt Domeisen. Und die Chancen für längeres Winterwetter stehen in diesem Jahr offenbar gut: Es sehe derzeit danach aus, dass sich der Wirbel teilt, sagt sie.

Wird am Ende das Signal aus der Stratosphäre nach unten weitergegeben, ist besonders der Jetstream betroffen. Er verliert dann an Geschwindigkeit, wird labil und buchtet stärker nach Norden und Süden aus. Damit bricht in der Troposphäre die Zirkulation zusammen, und kaltes Winterwetter wird wahrscheinlicher. Die Frage ist allerdings wo: Strömt die arktische Kaltluft anschließend eher nach Nordamerika oder zu uns nach Europa? Damit eisige Arktisluft den Weg nach Europa findet, müsste sich über Grönland ein gewaltiges Hochdruckgebiet aufbauen, das Warmluft vom Atlantik blockiert. Eine solche Konstellation deutet sich in den Modellen seit einiger Zeit immer wieder an.

Allerdings schlägt nicht jede Stratosphärenerwärmung bis in die Troposphäre durch. Bei jedem dritten Ereignis ist die Troposphäre für Signale von oben nicht empfänglich. Warum das so ist, ist einer von vielen offenen Forschungspunkten. Unklar ist auch, warum es bei manchen Events nur einige Tage dauert, bis das Signal von der Hochstratosphäre an den Boden weitergegeben wird, und warum es bei anderen Ereignissen mehrere Wochen dauert. Zudem wundern sich Meteorologen, weshalb in den vergangenen Jahren vor allem Nordamerika von heftigen Kaltluftausbrüchen aus der Arktis getroffen wurde, während Europa meist verschont blieb. Im Winter vor zwei Jahren zum Beispiel ereignete sich ebenfalls ein Major Warming in der Stratosphäre, doch in Europa merkte man davon fast nichts. Dafür wurde es in Nordamerika bitterkalt, die Großen Seen froren zu. Erschwerend kommt hinzu, dass die Troposphäre auch einfach so kalte Nord- und Ostlagen auslösen kann, ganz ohne Unterstützung von der Stratosphäre.

Rätselhafte Stratosphäre

Die Forschung blickt daher auf Ereignisse aus der Vergangenheit. Anfang Februar 2018 beispielsweise ereignete sich ein mustergültiges Major Warming, in dessen Folge es am Ende des Monats zu einem knackigen Wintereinbruch über ganz Europa kam. »Beast from the East« tauften die Engländer jene Kältewelle, die Stratosphärenerwärmung verlief lehrbuchmäßig. Innerhalb von zwei Wochen drehte der Wind in allen Luftschichten von West auf Ost – der Polarwirbel hatte sich in zwei kleine Wirbel geteilt. Arktisluft flutete den Kontinent.

Blick in die Vergangenheit

Der Meteorologe Richard Hall von der University of Bristol bekam das »Biest« damals am eigenen Leib mit. In einer Studie im »Journal of Geophysical Research« analysierte er mit Kollegen aus Exeter und Bath 40 Stratosphärenerwärmungen aus den vergangenen 60 Jahren und widmete sich vor allem der Frage, wie das Signal nach unten migrierte. Dabei fiel ihnen auf, dass es einen Unterschied machte, ob der Polarwirbel nur deformiert wurde – oder ob er sich in zwei kleine Wirbel teilte. In letzterem Fall sanken die Temperaturen in Nordwesteuropa und Sibirien stärker.

Alle dominanten Warmings seit Beginn der Satellitenära im Jahr 1979 wurden vor vier Jahren schon einmal untersucht. Die Studie, die im »Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society« erschien, zählte lang andauernde Kältewellen in Europa auf, darunter die Winter 1979, 1982, 1985, 1987 und letztmals auch 2010. Es waren Kältewellen, die das Prädikat »richtiger Winter« noch verdienten. Jedes Mal war die Stratosphäre daran beteiligt.

Und Daniela Domeisen wies in einer aktuellen Studie, veröffentlicht in den »Communications Earth & Environment«, nach, dass die Stratosphäre bei anderen Extremwetterlagen ebenfalls mitmischt. So lässt sich die Sturmserie am Ende des vergangenen Winters auf einen sehr starken Polarwirbel zurückführen. Außerdem waren die verheerenden Buschbrände in Australien Anfang 2020 ebenso an die Stratosphäre gekoppelt.

Am besten untersucht sind bis heute die Kaltlufteinbrüche. Ein besonders eindrücklicher ereignete sich im Spätwinter des Jahres 2013, als Folge auf ein Major Warming Anfang Januar – ähnlich wie in diesem Jahr. Im März lag damals fast das ganze Land unter einer Schneedecke, knackige Kälte hielt sich hartnäckig bis Mitte April. Erst dann kam der Frühling. Es wäre wohl die schlimmste Wetterlage für diesen zermürbenden Coronawinter.