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Meereis und Atmosphäre

Die Atmosphäre über den polaren Meeren ist mit bis zu -40 Grad Celsius im Winter zumeist deutlich kälter als die oberste Wasserschicht. Dieser starke Temperaturgradient zwischen Wasser und Luft bewirkt gemäß den thermodynamischen Gesetzten einen großen aufwärts gerichteten Wärmefluss. Die Atmosphäre entzieht dem Wasser also viel Wärme. Kühlt die ozeanische Deckschicht dann bis zum Gefrierpunkt ab, bildet sich Meereis, welches das relativ warme Meerwasser gegen die kalte Polarluft isoliert und den weiteren Wärmeabfluss stark verringert. Meereis reduziert so den Wärmefluss zwischen Ozean und Atmosphäre um zwei Größenordnungen von etwa 1000 W/m² auf etwa 10 W/m².

Die Polargebiete haben einen erheblichen Einfluss auf die Energiebilanz der Erde und die Dynamik der Atmosphäre. So wird hier wegen der hohen Albedo durch Eis und Schnee viel kurzwellige Sonnenstrahlung zurück ins Weltall reflektiert. An den Polen übersteigt daher der Energieverlust durch langwellige Ausstrahlung des Erdkörpers (Eigenemission) den Energiegewinn durch absorbierte Sonnenstrahlung und ein Nettoverlust (Energiedefizit) entsteht. In niedrigen Breiten, die näher am Äquator liegen, ist es umgekehrt. Hier entsteht ein Energieüberschuss, weil hier mehr Energie in Form von Sonnenstrahlung absorbiert als vom Erdkörper abgestrahlt wird. Der Energieüberschuss in den niedrigen Breiten und das Energiedefizit in den hohen Breiten werden durch den Energietransfer vom Äquator zu den Polen hin ausgeglichen. Dieser meridionale Transport von Energie wird getragen durch die atmosphärische und ozeanische Zirkulation, die durch den Temperaturgegensatz zwischen Äquator und Pol angeregt wird.

Meereis beeinflusst auch den Impulsaustausch zwischen Eis, Ozean und Atmosphäre. So ist Meereis im Gegensatz zu einer offenen Wasserfläche deutlich rauer, bietet dem Wind also mehr Angriffsfläche (Übertragung von Windenergie durch Reibung). Wind kontrolliert deshalb zusammen mit Ozeanströmungen die Meereisdrift, also den Transport von größeren Eisschollen über das Meer.

Aufgrund der tiefen Temperaturen über dem Eis rund um die Pole kommt es zum Absinken von Luftmassen. Dadurch bildet sich in der Höhe über dem Meereis ein gigantisches Tiefdruckgebiet. Die in das Tief einströmende Luft wird durch die Corioliskraft zu einem sich gegen den Uhrzeigersinn drehenden zirkumpolaren Wirbel umgelenkt. Dieser verhindert weitgehend den Luftmassenaustausch mit den niedrigeren Breiten. So kommt es vor allem im Winter selten zum Einstrom warmer, aber ebenfalls selten zum Ausstrom kalter Luft. Bestimmte Mechanismen können den Polarwirbel schwächen. Von Zeit zu Zeit wird etwa der Polarwirbel über der Arktis instabil und es kommt zu Ausbrüchen kalter Polarluft, die in gemäßigten Breiten zu extremen Kältewellen führen können. Umgekehrt gelangt viel warme Luft in den hohen Norden und sorgt dort für regelrechte Hitzewellen.