Den polära virveln, en virvel av lågtrycksluft sex miles upp i atmosfären, sprängde stora delar av den amerikanska mellanvästern och nordöstra delen av USA i slutet av januari 2019 med temperaturer som är tillräckligt kalla för att orsaka köldskador inom några minuter.

Till fredag, 1 februari, virveln och den arktiska luften som den förde in i städer från Fargo till Pittsburgh till Detroit hade lett till dagar av skol- och företagsstängningar, tusentals inställda flyg, ett stopp för postleveranser, och en smula strömavbrott och vädjanden om minskad uppvärmning. Minst 21 människor dog och dussintals skadades i väderrelaterade incidenter. Tjänstemän varnade invånarna att stanna inne, även när meteorologer började förutsäga vårliknande väder och sannolikheten för en 80-graders temperatursvängning inom några dagar.

Allt började efter att polarvirveln som normalt svävar över Nordpolen delades i två delar den 2 januari, resultatet av planetariska vågor som bryter i stratosfären, sa Stanfords atmosfärforskare Aditi Sheshadri.

"När polarvirveln delar sig i två, jetströmmen rör sig söderut över Atlanten, och det tar alla stormar med sig, sa Sheshadri, en biträdande professor i jordsystemvetenskap vid Stanfords School of Earth, Energi- och miljövetenskaper (Stanford Earth). "Vi har ingen aning under en given händelse exakt när stormarna kan slå till, men i genomsnitt ser du effekter i en månad eller två efter att virveln splittrats."

Sheshadri förklarar vetenskapen bakom polarvirveln och dess farliga effekter på vädret som upplevs på jordens yta, hur fenomenet är relaterat till koldioxidutsläpp, och varför virveln kan förväntas ge fler vinterstormar och arktisk luft till delar av USA och Västeuropa under de kommande åren.

Vad är den polära virveln?

ADITI SHESHADRI:Den polära virveln bildas varje vinter på grund av temperaturskillnaden mellan ekvatorn och polerna. I den polära stratosfären, solljuset stängs i princip av under senhösten och tidig vinter – och det gör det riktigt kallt, medan ekvatorn förblir ganska varm.

En stråle bildas för att balansera denna temperaturskillnad. Denna stråle är vad vi kallar den polära virveln eller den polära nattstrålen. Den flyter i en hel cirkel runt stolpen, 10 kilometer eller drygt sex miles över jordens yta.

Vad driver beteendet hos polarvirveln?

AS:Det är starkast mitt i vintern när temperaturskillnaden är som mest. Men samtidigt, polarvirveln är denna levande varelse. Det påverkas av vågor som skapas på jordens yta, som blir upphetsade av saker som flöde som rör sig över berg eller flöde som rör sig över land och hav, som värms upp i olika grad. Om jordens yta var helt platt – om du hade en vattenplanet med hav hela vägen runt – så skulle polarvirveln inte bryta upp.

Dessa luftflöden, känd som Rossby vågor, fortplantar sig uppåt i stratosfären, där de bryter precis som vågor bryter på en strand. Du har den här virveln som lugnt går runt polen. Varje gång en våg bryter, det ger fart till virveln.

Ibland kan en brytande våg vara tillräckligt stark för att förskjuta virveln över polen, eller till och med vända virvelns riktning. När det händer, temperaturen i den polära stratosfären kan gå upp med 50 grader på en vecka. Det är verkligen en extrem händelse.

Dessa vågor kan också störa virveln så mycket att den delar sig i två segment, kallas dottervirvlar.

Vad händer när virveln delar sig?

AS:Ett segment rör sig vanligtvis över Sibirien och det andra rör sig över Nordamerika. När det väl händer, jetströmmen i troposfären över Atlanten rör sig söderut.

Kall arktisk luft som normalt är inträngd av jetströmmen runt polen kan sedan gå in på de mellersta breddgraderna på östkusten, i Mellanvästern och över Västeuropa.

Stormar, som rider längs jetströmmen, flytta söderut, för. De växlar inte nödvändigtvis omedelbart:det kan ta några veckor för dem att organisera sig för att svara och komma ikapp jetplanen. Stormar som skulle ha drabbat Kanada kommer och drabbar New York och Chicago istället.

Varför ger inte polarvirveln liknande väder till västkusten?

AS:Vi vet inte riktigt varför polarvirveln inte påverkar Stillahavsbassängen, men vi har några initiala hypoteser. Vi tror att det har att göra med strålarnas placering i de två bassängerna. I Atlanten, jetströmmen ligger på högre breddgrader. I Stillahavsområdet, det är närmare ekvatorn.

Topografi kan också spela en roll. I Atlanten, luft strömmar över Klippiga bergen och vågor kommer bort från de höga bergen och påverkar jetströmmen. I Stilla havet, jetströmmen är längre bort från alla berg som kan generera störande vågor.

Hur påverkar mänskliga aktiviteter polarvirveln?

AS:Ökad koldioxid i atmosfären kyler den polära stratosfären, vilket skulle kunna öka temperaturskillnaden mellan polen och ekvatorn och stärka den polära virveln. Det finns också några modellbevis för att vågorna som fortplantar sig uppåt i troposfären blir mer energiska när planeten värms upp, leder till en mer störd polär stratosfär.

Själva polarvirveln är inte ny, men det verkar påverka vädret på ytan varje år nu på ett sätt som det inte gjorde i färskt minne. Vad förändrades?

AS:Termen "polär virvel" har funnits sedan slutet av 1940-talet. Den bildas varje vinter och bryts upp på våren. Men under de senaste 20 åren eller så, polarvirveln har varit mycket, mycket störd mitt i vintern. Mellan 1989 och 1998, dock, det förekom inga delade vortexhändelser under midvintern. Och om du tittar på polarvirvelhändelser som började 1979, när satellitdata börjar, tills nu, virveln antingen splittras eller förskjuts i genomsnitt bara ungefär en gång vartannat år.

Vi förstår inte vad som driver variationen av dessa händelser från decennium till decennium, men de händer definitivt oftare.