A sarki szeleket a légnyomáskülönbség és a Coriolis-erő alakítják ki:
az északról fújó szelek az északi félgömbön délnyugati irányban térnek el
(2025 május)
Nagy sarki szelek: egy-egy anticiklont alkotnak, a Föld legszeszélyesebb szelei. Az egyenlítő alacsony légnyomása és a sarkok magas légnyomása a sarkok fénybeesési szöge miatt jön létre. A sarkkörök alacsony nyomása és a térítők magas nyomása pedig a levegő mozgásából ered. A szél sebességén a levegő mozgásának sebességét értjük. A meteorológiában általában a m/s-ban, illetve egyes területeken csomóban adják meg. 1 m/s 1,944 csomónak felel meg. Meteorológiai közlésekben a Beaufort-skálát (https://hu.wikipedia.org/wiki/Beaufort-sk%C3%A1la, 1-12 skálán, 120km/órás szélig) használják a szél sebességének jellemzésekor.
Az állandó sarki szelek a sarkvidékeen, un. cellában* kialakuló, nagy légnyomású területekről a hosszúsági körök mentén áramló hideg levegő. Az északi féltekén a szelek általában É-ról fújnak, délnyugati irányban térnek el a Coriolis-erő hatására. A sarki szelek a földi légkörzés részei, és a magas légnyomású területekről az alacsony légnyomású területek felé tartanak. A sarkvidékeken a hideg levegő felhalmozódása miatt magas a légnyomás, míg az alacsonyabb szélességi körökön, például a 60. szélességi kör környékén alacsonyabb a légnyomás.A Coriolis-erő, ami a Föld forgásából adódik, eltéríti a sarki szelek irányát. Az északi féltekén jobbra, a déli féltekén pedig balra téríti el a szelet.
Polar Vortex a föld forgásából eredő nagy sebességű alacsony légnyomású, spirálisan forgó légörvény, ciklon. A tél közeledtével a felszín közelében a poláris örvény által körbe határolt területek alatt rendkívül hideg, sűrű levegő alakul ki, mely alacsony légnyomással rendelkezik. A délebbi szélességeken a kezdetben még enyhébb légtömegek, de a sarkvidék felett gyorsan hűlő levegő miatt hőmérsékleti kontraszt, különbség jön létre, ami a poláris örvény felerősödéséhez vezet. Erős poláris örvény esetében a déli peremén elhelyezkedő, alacsonyabb szélességeken a magassági futóáramlással párhuzamos, zonális áramlás jellemző.
A Polar Vortex egy poláris örvény amely a sarkvidékek felett helyezkedik el és a troposzféra felső részén, illetve a sztratoszférára is kiterjed. A troposzféra felső részén és a sztratoszférában helyet foglaló, a sarkpontok felett létrejövő alacsony nyomású terület. A Föld (sőt, néhány más, légkörrel rendelkező bolygó) mindkét sarki régiójában megtalálható hasonló állandó légköri jelenség. A Föld forgásának következményeként ez nem más, mint egy, a sarkpont körül áramló nagy sebességű szélörvény ( ciklon ). A sztratoszférában ez a sarkokhoz közelebb található futóáramlásként, a troposzférában a jet stream -ként alacsonyabb szélességeken is jól azonosítható. A poláris örvény által körbezárt terület alatt a felszín közelében hideg, sűrű poláris légtömeg található.
Amikor a poláris örvény gyengül, akkor az áramlási sebessége is lelassul és hullámzik: amikor a poláris örvény hullámzik vagy részekre szakad akkor jellemzően Amerikában vagy Európában akár egyidejűleg is egészen mély, délre hatoló hideghullámok, extrém hideg és hóviharok is bekövetkezhetnek. Pl. a 2018-as januári erőteljes sztratoszférikus felmelegedés következménye február végére egy Európára zúduló, rendkívüli hideghullám lett, zord időjárást okozott. Tehát erős örvény → sűrű, körkörös sugáráram → a hideg levegő a sarkok közelében marad. Gyenge örvény → hullámos sugáráram → a hideg levegő dél felé áramlik, a meleg levegő észak felé mozdul, ami szélsőséges időjárási eseményekhez vezet, például hideghullámokhoz a közepes szélességi fokokon és meleg anomáliákhoz az Északi-sarkvidéken.
Ideális esetben az örvények a szélességi körökkel párhuzamosan futó áramlások lennének, azonban a folyamatos külső hatások (évszakos változások, tengeri áramlások, szárazföldek elhelyezkedése, konvekció, sztratoszférikus melegedés stb) következtében ezen szabályos áramlások felbomlanak és horizontális hullámok keletkeznek benne. Minél erősebb a poláris örvény, annál nehezebben mozdítható ki ezen egyensúlyi helyzetéből és ilyenkor a mérsékelt övben a futóáramlásokkal párhuzamos zonális áramlás a jellemző, amely pl. a Kárpát-medence esetében az óceáni hatás megnövekedését jelenti. Ha azonban az örvény gyengébb, azaz kisebb sebességű az áramlása, akkor hullámzik és az alacsonyabb szélességekre is eljut. A szinte kerítésként működő örvény mentén így a hidegebb légtömegek délebbre jutnak és vica versa; a hullám másik oldalán melegebb levegő tud benyomulni a sarki régiókba. Ezt a felszínközeli időjárásban általában a meridionális (észak-déli) áramlás gyakori változásaiként érzékelhetjük.
A gyengülő Polar Vortexet is erős nyugati szelek alkotják
A Polar Vortex erős nyugati szelek árama, amely rendkívül hideg levegőmedencét vesz körül. Télen a legerősebb, nyáron gyengül vagy eltűnik. Hasonló örvény alakul ki az Antarktisz felett is a téli időszakban. Amikor az örvény erős és stabil, a hideg levegőt az Arktiszon tartja fogva. Ha gyengül vagy kettéhasad, a hideg levegő dél felé áramolhat a közepes szélességi körökre (például Európába vagy az Egyesült Államokba), gyakran erős felszíni szelek és hideghullámok kíséretében. Az események a fagypont alatti szélsőséges hőmérsékletekhez vezethetnek, növelve a fagyos területek és az infrastruktúra károsodásának kockázatát.
Az Arktisz gyorsabban melegszik, mint a közepes szélességi körök, ami gyengíti a poláris jet streame-t (a troposzférában)*, hullámosabbá téve azt, és hajlamosabbá téve az arktikus levegő dél felé zuhanását. A megzavart örvény szélsőséges hideghullámokhoz vezethet az általában mérsékelt égövi helyeken, például Közép-Európában.
A szélsőséges jelenségek oka a poláris futóáramlás
Ritkán, ha a sztratoszféra gyorsan felmelegszik (napok alatt akár 50°C-ig is), megzavarja az örvényt, ami kettéhasadását vagy eltolódását okozhatja, hideg levegőkitöréseket és erős szeleket váltva ki a közepes szélességi körökön. Pl. 2018 februári délnyugati szél szibériai levegőáradatot okozott Nyugat-Európában.
*
A jet stream-ek gyorsan áramló, keskeny légáramlatok a Föld légkörében. A fő jet streamek kb. 12 km -es magasságban találhatóak, -42 °C körüliek, (https://en.wikipedia.org/wiki/Jet_stream) helyezkednek el, és nyugati szelek, amelyek nyugatról keletre áramlanak a Föld körül. Az északi és a déli féltekén egyaránt van egy poláris jet a megfelelő poláris örvény körül, körülbelül 30 000 láb (5,7 mérföld; 9,1 km) tengerszint feletti magasságban, és jellemzően körülbelül 110 mph (110 mph) sebességgel halad, gyakran még lényegesen gyorsabban. Az Egyenlítőhöz közelebb, valamivel magasabban és valamivel gyengébb a szubtrópusi jet. Az északi poláris jet Észak-Amerika, Európa és Ázsia középső és északi szélességi fokain, valamint a közbeeső óceánokon áramlik, míg a déli félteke poláris jetje többnyire az Antarktisz körül kering. A jet streamek elkezdődhetnek, megállhatnak, két vagy több részre oszlanak, egyetlen áramlattá egyesülhetnek, vagy különböző irányokba áramolhatnak, beleértve a jet többi részének irányával ellentétes irányokat is.
