Droht im Frühjahr erneut ein Ozonloch über der Arktis?

Bad Honnef – Durch einen derzeit noch außergewöhnlich starken stratosphärischen Polarwirbel stellt sich die Frage, ob im diesjährigen Frühjahr ähnlich wie in 2020 die Ozonabnahme nach Ende der Polarnacht wieder so stark sein wird.

Jedes Jahr, wenn das aufkommende Sonnenlicht die Polarnacht in der Arktis beendet, sinkt die Ozonkonzentration in der Stratosphäre, die sich in etwa in 10 bis 50 km Höhe befindet. Die höchste Ozonkonzentration in der ozonbildenden Schicht innerhalb der Stratosphäre tritt im Übrigen in einer Höhe von etwa 32 Kilometern Höhe über der Erdoberfläche auf.

Die arktische Winterstratosphäre ist insgesamt viel dynamischer als die antarktische Winterstratosphäre, sodass über der Arktis bisher selten so drastische Ozonabnahmen im Frühjahr im Vergleich zur Antarktis stattgefunden haben. Mit Dynamik ist der Einfluss von vertikalen Wellenflüssen aus der Troposphäre (durch unterschiedliche Orografie sowie Land-/Meerverteilung im Vergleich zur Antarktis) sowie der meridionale Transport von Ozon aus niederen Breiten in der Stratosphäre selbst gemeint.

Die Voraussetzung zum Ozonabbau sind im Wesentlichen die Bildung von polaren Stratosphärenwolken (PSC), wobei sehr niedrige Temperaturen (i.d.R. unter -78 Grad) erforderlich sind. An der Oberfläche dieser PSCs reagieren Chlorgase und setzen Chlor in einer Form frei, die Ozon leicht zerstören kann (siehe auch Thema des Tages vom
09.12.2021:
https://www.dwd.de/DE/wetter/thema_des_tages/2021/12/9.html).

Die Position und Ausdehnung des winterlichen stratosphärischen Polarwirbels spielt eine entscheidende Rolle für die Menge und Verteilung des Ozons innerhalb Stratosphäre. Der Polarwirbel wiederum bezeichnet das Gebiet, in dem kalte Polarluft durch die sehr starken Winde des Polarnachtjets (um 60 Grad Nord im Mittel am stärksten
ausgeprägt) eingeschlossen wird. Während der Winter-/Frühjahrsperiode, wenn der Polarwirbel über der Arktis am stärksten ist, kann keine Luft außerhalb des Polarwirbels eindringen.

Da sich dann auch die relativ warme Luft aus den mittleren Breiten nicht mit der eisigen Polarluft vermischen kann, wird die Luft innerhalb des Polarwirbels aufgrund des Wärmeverlustes durch Strahlung immer kälter. Daneben können auch zusätzliche dynamische Faktoren (z.B. fehlende Wechselwirkungen mit der Troposphäre, siehe
oben) den Polarwirbel zusätzlich stärken. Wenn das Ozon im Wirbel einmal abgebaut ist, wird es somit auch nicht durch ozonreichere Luft außerhalb des Wirbels wieder aufgefüllt. Erst im mittleren bis späten Frühjahr wird der stratosphärische Polarwirbel schwächer und bricht schließlich zusammen. Danach kommt es zu einer gründlichen Durchmischung, und die Ozonmengen werden wieder aufgefüllt.

Derzeit ist der stratosphärische Polarwirbel überdurchschnittlich stark ausgeprägt. Als Kriterium kann man die auf 60 Grad Nord gemittelten zonalen (westlichen) Winde in 10 hPa (über 30 km Höhe über Grund) nehmen, die aktuell um 60 m/s liegen. Das stellt eine mehr als doppelt so hohe Windgeschwindigkeit im Vergleich zum vieljährigen Mittelwert um Mitte Februar dar. Auch die Prognosen der Windgeschwindigkeit in 60 Grad Nord und auf 10 hPa gehen bis mindestens Mitte März überwiegend von einem überdurchschnittlich starken Polarwirbel aus.

In der beigefügten Grafik ist die gesamte Ozonsäule, gemittelt über die Polkappe für Breitengrade nördlich von 63 Grad Nord dargestellt.

Dies ist ein gutes Maß für den Gesamtozongehalt im stratosphärischen Polarwirbel. Bei der Auswertung dieser Berechnungen für Ende Oktober bis Ende Februar ist jedoch Vorsicht geboten, da ein großer Teil des Gebiets in der Polarnacht liegt. Für die Messung des Ozongehaltes benötigt der Sensor am Satelliten einer polarnahen Umlaufbahn als Strahlungsquelle Sonnenlicht, da dieser vom Erdboden reflektiertes oder in der Atmosphäre gestreutes Licht aufnimmt (Ozon filtert dabei ultraviolette Strahlung aus dem Sonnenlicht heraus). Die fehlenden Beobachtungen werden mit Hilfe eines Modells aufgefüllt. Die Ozonkonzentration ist in der Einheit Dobson Unit (DU) angegeben. Die Dobson Unit bzw. Einheit wird am häufigsten zur Messung der stratosphärischen Ozonkonzentration verwendet. Die durchschnittliche Ozonmenge in der Atmosphäre beträgt etwa 300 bis 400 DU. Der Grafik kann man entnehmen, dass die momentane Ozonkonzentration (rote Kurve) bereits deutlich unter dem vieljährigen Mittelwert (dicke schwarze
Linie) verläuft. Zum Vergleich wird in der Grafik auch das Winterhalbjahr 2020/2021 herangezogen (blaue Kurve), wo die stratosphärische Ozonkonzentration etwa im Bereich der vieljährigen Mittelwerte lag.

Daher kann unter Berücksichtigung der weiter oben beschriebenen Prozesse und unter Beibehaltung eines überdurchschnittlich starken stratosphärischen Polarwirbels bis weit in den März hinein (Prognose) von einer deutlichen Abnahme des stratosphärischen Ozons im Frühjahr zumindest im Arktisumfeld ausgegangen werden (eventuell erneut unter
300 DU).

Zum Vergleich: Über der Antarktis wurden in der Vergangenheit im dortigen Frühjahr (September/Oktober) auch Werte unter 220 DU gemessen, einhergehend mit einem ausgedehnten Ozonloch im Bereich des antarktischen stratosphärischen Polarwirbels.

Dipl.-Met. Dr. Jens Bonewitz
Deutscher Wetterdienst