- Polarwolken
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Arktische PSCPolare Stratosphärenwolken (Abk. PSCs von engl.: polar stratospheric clouds) treten in der Stratosphäre in Höhen über 20 km auf, meist im Bereich von 22 bis 29 km. Damit PSCs entstehen können, müssen die Temperaturen unter –78 °C (195 K) sinken. Dies geschieht im Winter in den Polarregionen jenseits von 80° nördlicher respektive südlicher Breite regelmäßig. Auf der Südhalbkugel sind PSCs dabei wesentlich häufiger zu beobachten.
In der Stratosphäre ist der Wasserdampfgehalt der Luft sehr gering, so dass sich keine herkömmlichen Wasserwolken bilden können. Polare Stratosphärenwolken bestehen daher aus Kristallen von Schwefelsäure oder Salpetersäure. Bei extrem tiefen Temperaturen kann sich um diese Säurekristalle noch ein Eismantel bilden. An den Oberflächen der Kristalle können chemische Reaktionen ablaufen, die für den Ozonabbau in der Stratosphäre und die Entstehung des Ozonlochs bedeutsam sind (für die Rolle der PSCs siehe dort).
Polare Stratosphärenwolken sollten nicht mit Leuchtenden Nachtwolken verwechselt werden. Diese entstehen in Höhen von 80 bis 85 km in der Mesopausenregion.
Vorkommen und Aussehen
Der Grund, warum PSCs im Südwinter häufiger auftreten als im Nordwinter, liegt darin, dass eine Voraussetzung für ihre Entstehung ein ungestörter Polarwirbel ist. Der Polarwirbel ist ein Kaltluftgebiet, das sich in der Polarnacht über dem antarktischen Kontinent beziehungsweise über der Arktis bildet. Die Landmassen von Antarktika sind im Wesentlichen rund und es gibt keine größeren Gebirge. In der Arktis muss die Luft im Polarwirbel über die Gebirge der hohen nördlichen Breiten strömen. Dadurch wird der Wirbel an seinen Rändern gestört und wärmere Luft wird eingemischt. Das verhindert in der Regel, dass die Temperaturen im Nordwinter auf Werte absinken, die nötig sind, damit PSCs entstehen können. In den letzten Jahren und besonders im Winter 2004/2005 wurden jedoch auch in der arktischen Stratosphäre vergleichsweise niedrige Temperaturen verzeichnet. Neben den Polen entstehen PSCs in Alaska und Sibirien sowie an den Gebirgen Norwegens und seltener Schottlands.
Die Beugung und Interferenz von Sonnenlicht an den Eiskristallen erzeugt in der Regel perlmuttartige Farben, weshalb man PSCs auch als Perlmuttwolken bezeichnet. Diese Färbung ist dabei besonders deutlich, wenn die Sonne bereits hinter dem Horizont steht.
Entstehung und Typen
Typ II (Wasser) PSCIn der Stratosphäre gibt es eine Aerosolschicht, die aus flüssigen Schwefelsäuretröpfchen besteht, die so genannte Junge-Schicht. Der Schwefel in dieser Schicht entstammt natürlichen Quellen. Aus den Ozeanen und bei Vulkanausbrüchen wird Schwefel emittiert, der bis in die Stratosphäre gelangen kann.
Auf diesen Schwefelsäuretröpfchen kann sich bei Temperaturen unter –78 °C (195 K) Wasser (H2O) und Salpetersäure (HNO3) ablagern. Solch niedrige Temperaturen werden in der Stratosphäre im Winterhalbjahr in Höhen zwischen 20 und 30 km gemessen. Bei diesem Vorgang entsteht eine unterkühlte ternäre Lösung (engl. Supercooled Ternary Solution STS), die nun Schwefelsäure, Salpetersäure und Wasser enthält. Aus diesen Tröpfchen bestehen die Polaren Stratosphärenwolken vom Typ Ib.
Durch Temperaturschwankungen kann die Salpetersäure wieder aus der Lösung entweichen, woraufhin Kristalle aus Schwefelsäuretetrahydrat (Sulphuric Acid Tetrahydrate, SAT) zurückbleiben. Wenn die Temperatur unter 190 K sinkt, kann auf den SAT-Kernen Salpetersäure kondensieren. Es bildet sich eine Schale aus Salpetersäuretrihydrat (Nitric Acid Trihydrate, NAT) um den Kern. Aus derartig aufgebauten Partikeln bestehen Polare Stratosphärenwolken vom Typ Ia.
Sinkt die Temperatur auf –85 °C (188 K) oder darunter, kann auch Wasser auf den schon vorhandenen SAT/NAT-Partikeln kondensieren und einen Eismantel bilden. Polare Stratosphärenwolken, die aus solchen Partikeln aufgebaut sind, bezeichnet man als PSCs vom Typ II. Die Eispartikel mit SAT/NAT-Kern sind im Vergleich mit 10–1000 µm größer als die Partikel in PSCs vom Typ Ia oder Ib (< 1µm).
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