Dramatische fenomenen boven de Noordpool

Meteorologie Soms wordt het ’s winters ineens heel koud, na extreme veranderingen in de stratosfeer. Gebeurt dat nu ook?

Kou in de Siberische stad Omsk deze winter. De middagtemperatuur deze week in Omsk was circa -20°C.
Kou in de Siberische stad Omsk deze winter. De middagtemperatuur deze week in Omsk was circa -20°C. Foto Alexey Malgavko/Reuters

Zou het misschien toch? Nog schaatsen op een plas ergens de komende weken? Of – hoop, hoop – misschien zelfs weer een Elfstedentocht, na 23 jaar? Sinds begin deze maand hoor je voorzichtig gefluister dat het wel eens erg koud zou kunnen worden. In Siberië is het al gaande.

Aanleiding voor de hoop is een beruchte, spectaculaire verstoring in de stratosfeer, de luchtlaag op tien tot vijftig kilometer hoogte. Begin januari trad daar in korte tijd een sterke opwarming op, een zogeheten sudden stratospheric warming (SSW). De gevolgen daarvan zijn aan het aardoppervlak te voelen, en zorgt in sommige gebieden juist voor sterke afkoeling.

Maar wat is zo’n SSW precies? Hoe leidt een verstoring op zo’n hoogte tot extreme kou aan de grond? En in hoeverre valt zo’n gebeurtenis, en zijn effecten, te voorspellen? Een overzichtsartikel dat afgelopen november in het tijdschrift Review of Geophysics is gepubliceerd, geeft veel antwoorden. Een stuk in 5 vragen.

1 Wat is een sudden stratospheric warming?

„Een van de meest dramatische stratosferische fenomenen”, zo noemt het overzichtsartikel het. Een SSW is een ernstige verstoring van de normale situatie. Normaal is dat het Noordpoolgebied in de winter in duisternis vervalt. Door het ontbreken van zonlicht, koelt het gebied sterk af. Vanuit het zuiden wordt er wel warme lucht aangevoerd. Dat zorgt voor een groot temperatuurverschil. In reactie komt de lucht sterk in beweging (in andere seizoenen is die wind er ook, maar veel minder sterk). De lucht beweegt van hoge naar lage druk, in dit geval zuidwaarts. In combinatie met de draaiing van de aarde, wekt dat een sterke westenwind op, de poolwervel geheten – in het Engels de polar vortex. Tot zover de normale situatie.

Maar soms raakt de poolwervel ernstig verstoord. De wind valt stil, keert om, en verandert in een zwakke oostenwind. De stratosfeer, of een deel ervan, warmt daarbij snel op, 20, 30 soms wel 50°C. In januari 2019 bijvoorbeeld ging het binnen enkele dagen van -70°C naar -30°C.

De verstoring in de stratosfeer houdt twee tot drie weken aan. „De polaire vortex probeert zich te herstellen”, zegt Michiel van Weele, die zich bij het KNMI bijzonder voor SSW’s interesseert. Wat vaak wordt gezien, zegt hij, is dat de vortex door de verstoring een tijd instabieler is, en zich in tweeën splitst. Of hij verplaatst zich.

Op het zuidelijk halfrond ontstaat de poolwervel ook – in juni, als het daar winter is. Maar plotselinge opwarmingen doen er zich nauwelijks voor. Blijkbaar laat de wervel zich hier minder makkelijk verstoren. „Op dit halfrond is tot nog toe maar één SSW geweest, in 2002”, zegt Mark Baldwin, eerste auteur van het overzichtsartikel en hoogleraar klimaatwetenschap aan de universiteit van Exeter. „En misschien eentje in 2019. Maar dat hangt af van de definitie die je gebruikt. Er zijn er meer in omloop.”

2 Hoe vaak komen ze voor?

Tussen 1958 en 2019 zijn er 40 SSW’s geobserveerd. Gemiddeld doen er zich dus elke drie jaar twee voor. De ontdekking van de SSW’s is volgens het overzichtsartikel toe te schrijven aan de Duitse meteoroloog Richard Scherhag van de Freie Universität Berlin. Vanaf de voormalige luchthaven Tempelhof startte hij in 1951 met metingen aan de stratosfeer, tot een hoogte van 30 km. Hij gebruikte neopreen ballonnen. Ze waren uitgerust met een nieuw type Amerikaanse radiosonde, waar hij met hulp van geallieerden uit de VS aan was gekomen. Eind januari 1952 rapporteerde Scherhag een ‘explosive-type warming’. Hij gaf het de naam: ‘het Berlijn-fenomeen’. Een paar dagen daarna zag hij het in de stratosfeer weer snel afkoelen. Maar ongeveer een maand later volgde een tweede, nog sterkere opwarming. „Ze kunnen dus in golven komen”, zegt Van Weele.

3 Wat veroorzaakt zo’n verstoring?

Dat is niet bekend. Het overzichtsartikel noemt allerlei mogelijkheden. Windpatronen in de tropen, de zonnecyclus, de sneeuwbedekking in Eurazië in de maand oktober, de El Niño-cyclus waarbij zeetemperaturen in de Grote Oceaan veranderen. Of is het een combinatie van factoren? „We weten het gewoonweg niet”, zegt klimaatwetenschapper Baldwin.

Van Weele noemt nog een andere optie. Onderzoek met klimaatmodellen suggereert een verband met het oppervlak aan zee-ijs in het najaar in het Arctisch gebied. Dat neemt door de opwarming van de aarde gestaag af. „En dat zou dan misschien de frequentie van de SSW’s kunnen beïnvloeden”, zegt hij. „Maar dat is niet meer dan een hypothese.”

4 Wat zijn de gevolgen?

Een SSW heeft effecten naar boven en naar beneden toe. In hoger gelegen luchtlagen leidt het volgens het overzichtsartikel tot „dramatische veranderingen” in de dynamiek en de chemie. Vanuit de mesosfeer (tussen de 50 en 85 kilometer hoogte) versterkt het bijvoorbeeld het neerwaartse transport van bepaalde verbindingen, zoals stikstofoxiden en koolstofmonoxide. Dat werkt weer door in de stratosfeer en versterkt onder meer de ozonlaag. „De concentratie ozon blijft hoger”, zegt Van Weele. Dit is vooral voor het zuidelijk halfrond gunstig, waar zich elk jaar in de late winter (augustus-september) een ozongat vormt.

Kou in de Siberische stad Omsk.

Foto Evgeniy Sofiychuk/AP

In de stratosfeer ontstaat door de plotselinge opwarming een hogedrukgebied, dat naar beneden doorwerkt. Op zo’n tien kilometer hoogte beïnvloedt het de straalstroom. Dat is, net als de poolwervel, een sterke westenwind. Maar onder invloed van de druk kan die meer gaan golven. Dat beïnvloedt uiteindelijk het weer, dat ontstaat in de troposfeer, de onderste laag van de dampkring. „Het golven van de straalstroom zorgt ervoor dat aan de grond tongen van koude lucht zuidwaarts uitstulpen”, zegt Van Weele. Eind januari 2019 kampten grote delen van Canada en de VS met extreem koud weer. Er was toen sprake van een gesplitste poolwervel.

De gevolgen reiken verder. In Groenland en het oosten van Canada wordt het juist vaak warmer. In Zuid-Europa kan de neerslag toenemen. In de vorm van regen of sneeuw. Maar volgens Van Weele is er „geen direct verband” te leggen met de hevige sneeuwval in Spanje eerder deze maand. Verder koelen de tropen af, wat mogelijk tot droogte leidt.

5 Kun je ze voorspellen?

Met de huidige weermodellen is een SSW tot twee weken vantevoren „redelijk goed te voorspellen”, zegt Baldwin. Maar veel lastiger is dat voor de gevolgen aan de grond. Over de link tussen de stratosfeer en de troposfeer is nog veel onbekend. Of het aan de grond extreem koud wordt, en waar dan wel en waar niet, valt daardoor moeilijk te voorspellen.

Juist die onbekende link boeit Baldwin buitengewoon. In de stratosfeer duurt een SSW twee tot drie weken, maar aan de grond houden de gevolgen soms meer dan twee maanden aan. „Dat is tien keer zoveel als wat de theorie voorspelt.” Hij vindt die zogeheten ‘oppervlakteversterking’ „erg fascinerend”. „Maar begrijpen doen we ’m nog niet goed.”

Een garantie op winterweer is er niet

Michiel van Weele KNMI

Ook Van Weele durft niet te zeggen of Nederland nog extra kou te wachten staat. Een stratosferische verstoring verhoogt wel de kans op „wind uit de koude hoek”, schreef hij, samen met collega Lars van Galen, vorige week in een klimaatbericht. Maar een garantie op winterweer in Nederland is er niet. Van Weele sluit volgende stratosferische verstoringen niet uit.

Ook kunnen er nog meer koudegolven komen. Wat hij noemt: „een tweede, en eventueel een derde golf”. Hij haalt de winter van 1985 in herinnering. Pas na de tweede en de derde koudegolf volgde op 21 februari alsnog een Elfstedentocht. „Schaatsliefhebbers hoeven de hoop nog niet helemaal op te geven, maar een koude winter gaat het niet meer worden.”