Animationen använder data från ESA:s vindsatellit Aeolus och visar hur polarvirveln i den nedre stratosfären förändrades mellan 1 december 2020 och 1 februari 2021. De första plotten i början av december visar virveln i ett jämförelsevis normalt tillstånd, men i mitten av december dyker det upp blå vindfläckar, och vinden går bakåt i förhållande till normala förhållanden. Forskare använder vindinformation från Aeolus för att kasta mer ljus över detta komplexa fenomen som kan störa vädret på lägre breddgrader. Kredit:University of Bath/C. Wright
Eftersom denna vinters polarvirvel för närvarande skickar extrema isiga explosioner av arktiskt väder till vissa delar av det norra halvklotet, såsom nordöstra USA, forskare använder vindinformation från ESA:s Aeolus-satellit för att kasta mer ljus över detta komplexa fenomen.
Polarvirveln är en enorm massa kall luft högt över nordpolen i den polära stratosfären. Den är omgiven av en stark luftstråle som virvlar moturs längs virvelns gräns. Virveln tenderar att vara mycket starkare på vintern, hålla bitter kall luft inlåst runt Arktis.
Dock, ibland kan virveln försvagas, bli förvrängd eller till och med delas i två och slingrar sig längre söderut, påverkar vädret och jetström längre ner i troposfären, potentiellt föra ovanligt kallt väder och snö till lägre breddgrader.
En meteorologisk händelse som kan störa polarvirveln är känd som en "plötslig stratosfärisk uppvärmning, " vilket är vad som har hänt under de senaste månaderna. Plötsliga stratosfäriska uppvärmningar inträffar i viss utsträckning varje år, men den aktuella händelsen har kategoriserats som stor, och är mindre vanligt.
Sådana dramatiska händelser gör att den starka vinden runt kanten av polarvirveln försvagas eller vänder, leder till att temperaturen i den polära stratosfären stiger snabbt med tiotals grader Celsius.
Baserat på data från ESA:s Aeolus vinduppdrag, bilden visar hur polarvirveln i den nedre stratosfären förändrades mellan 1 december 2020 och 1 februari 2021. De första plotten i början av december visar virveln i ett jämförelsevis normalt tillstånd, men i mitten av december dyker det upp blå vindfläckar, och vinden går bakåt i förhållande till normala förhållanden. Kredit:University of Bath/C. Wright
Eftersom dessa händelser kan utlösa extremt väder i Europa och Nordamerika, de är av vetenskapligt och praktiskt intresse. Dock, de involverade processerna är inte helt förstådda, och fram till nyligen har det funnits stora tekniska utmaningar med att mäta vind från rymden, som behövs för att mäta och övervaka en så storskalig händelse.
Lyckligtvis, forskare har nu ESA:s Aeolus-satellit till hands för att hjälpa till att förstå mer om varför och hur polarvirveln pressas ur balans.
Aeolus är den första satelliten i omloppsbana som direkt profilerar jordens vindar från rymden.
Det fungerar genom att avge kort, kraftfulla pulser av ultraviolett ljus från en laser och mäter dopplerskiftet från den mycket lilla mängd ljus som sprids tillbaka till instrumentet från molekyler och partiklar för att leverera profiler av den horisontella hastigheten för världens vindar mestadels i öst-västlig riktning i de lägsta 26 km av atmosfären.
Aeolus-uppdraget byggdes inte bara för att främja vår förståelse av atmosfärisk dynamik, men också för att ge välbehövlig information för att förbättra väderprognoserna. Satelliten bär den första vindlidaren i rymden, som kan sondera de lägsta 30 km av atmosfären för att ge vindprofiler, aerosoler och moln längs satellitens omloppsbana. Lasersystemet sänder ut korta kraftfulla pulser av ultraviolett ljus ner i atmosfären. Teleskopet samlar upp ljuset som sprids tillbaka från luftmolekyler, dammpartiklar och vattendroppar. Mottagaren analyserar dopplerförskjutningen av den bakåtspridda signalen för att bestämma vindens hastighet och riktning på olika höjder under satelliten. Dessa nära-realtidsobservationer kommer att förbättra noggrannheten i numeriska väder- och klimatförutsägelser och främja vår förståelse av atmosfärisk dynamik och processer som är relevanta för klimatvariabilitet. Kredit:ESA/ATG medialab
Även om Aeolus bara mäter vind i den nedre delen av atmosfären, den nedre delen av den nuvarande stratosfäriska polära virvelstrålen lämnar en signatur i satellitens data.
Corwin Wright, Royal Society forskare vid University of Bath i Storbritannien, sa, "Förändringar i vindstrukturen i en plötslig uppvärmning i stratosfären har aldrig tidigare observerats direkt i global skala. Hittills, vår förståelse av dessa förändringar har utvecklats med hjälp av punktmätningar, mätningar längs lokaliserade flygspår, genom användning av temperaturobservationer, och, först och främst, datormodeller och assimilativa analyser.
"Dock, vi kan nu utnyttja nya mätningar från Aeolus, den första satelliten som kan observera vindar direkt i den övre troposfären och nedre stratosfären, att studera denna process observationsmässigt under denna nuvarande stora händelse."
Anne Grete Straume, ESA:s Aeolus-missionsforskare, kommenterade, "Vi observerar för närvarande en polarvirvelhändelse där vi ser den delas i två, med en snurrande luftmassa över Nordatlanten och en över norra Stilla havet.
Den här bilden av snö i området kring de stora sjöarna i USA togs av Copernicus Sentinel-3-uppdragets havs- och landfärgsinstrument den 3 februari 2021. Även om det finns rapporter om rekordlågt istäcke på sjöarna i år, det har, ändå, det har fallit kraftigt snöfall över mellanvästern och de stora sjöarna de senaste dagarna. Snö har också drabbat nordöstra USA. Man tror att denna vinters polarvirvel för närvarande skickar extrema isiga explosioner av arktiskt väder till vissa delar av det norra halvklotet. Forskare använder vindinformation från ESA:s Aeolus-satellit för att kasta mer ljus över det komplexa polarvirvelfenomenet. Kredit:innehåller modifierad Copernicus Sentinel-data (2021), behandlas av ESA, CC BY-SA 3.0 IGO
"Splittringen leder till förändringar i den troposfäriska cirkulationen som gör att kalla luftmassor från polerna lättare kan fly ner till lägre breddgrader. För tillfället, delar av Nordamerika verkar uppleva kallare väder än Europa, även om vi har sett händelser med kall luft som nått ganska långt söderut i Europa under de senaste veckorna som orsakat, till exempel, kraftigt snöfall i Spanien.
"Vad forskare också skulle vilja förstå är om plötsliga stratosfäriska uppvärmningshändelser kan bli vanligare på grund av klimatförändringar. Även för detta, Aeolus vinddata kommer att vara mycket viktiga för att bättre förstå mekanismerna som utlöser dessa väderhändelser.
"Det är tidiga dagar att dra några vetenskapliga slutsatser från våra Aeolus-data, men det pågår verkligen arbete för att kasta nytt ljus över varför detta säsongsbetonade fenomen ibland kan vara extremt – se här."
