De polar vortex of poolwervel is een band met hoge windsnelheden in de stratosfeer die zich gedurende het winterseizoen manifesteert. Hij ligt tussen de 20 en 50 km boven het aardoppervlak. Om verwarring met andere vortexen te voorkomen spreken we ook wel van de stratosferische polar vortex, of stratosferische poolwervel.

De vortex ontstaat aan het einde van de zomer als de hoeveelheid zonlicht op de pool afneemt. In de winterperiode valt er helemaal geen zonlicht op de pool en koelt de stratosfeer erboven sterk af. Het temperatuurverschil tussen de stratosfeer rond de pool en de stratosfeer rond tropische breedte wordt zo groot dat de warmere lucht van tropische breedte naar het noorden stroomt om het temperatuur verschil op te heffen. Door de corioliskracht als gevolg van de aardrotatie buigt de luchtstroom op het noordelijk halfrond af naar rechts en zo ontstaat er een cyclonale vortex. Hoe groter het temperatuurverschil, hoe sterker de wind zal zijn die er ontstaat. 

De band met hoge windsnelheden is als het ware de barrière tussen de koude luchtbel boven de pool en gematigde lucht zuidelijker. De polar vortex ziet er ongestoord bijna uit als een perfecte cirkel.

Als de lente begint valt er steeds meer zonlicht in het poolgebied en warmt de stratosfeer daar geleidelijk weer op. Het temperatuurverschil wordt kleiner en uiteindelijk wordt het deel van de stratosfeer boven de pool weer warmer dan de tropische stratosfeer. Het warmtetransport draait om en daarmee ook de wind van de polar vortex die afzwakt en zelfs oostelijk wordt. Deze verandering wordt ook wel de Stratospheric Final Warming genoemd (SFW) Uiteindelijk verdwijnt de vortex helemaal in het zomerseizoen als er boven de Noordpool een hogedrukgebied tot stand komt in de stratosfeer.

Het mechanisme van de polar vortex is in basis vrij duidelijk en eenduidig. De vortex is bijna perfect cirkelvormig en niets lijkt de koude bel boven de pool te kunnen verstoren. De praktijk is echter anders. Door temperatuurvariaties kan de vorm van de vortex veranderen. Hij kan bijvoorbeeld gaan golven. In extreme gevallen, zo eens in twee jaar, kan de wind zelfs oostelijk worden en wordt het startschot gegeven voor een sudden stratospheric warming. 

Door het instabiel worden van de vortex kan de bel koude lucht zich verplaatsen en van de pool ‘afglijden’. De koude lucht kan zelfs splitsen waardoor er twee koude bellen ontstaan (split vortex) die ieder hun eigen weg gaan.

Op hetzelfde moment dat de koude bel gaat schuiven wordt de 'vrijgekomen' ruimte ingenomen door warme lucht.

De polaire straalstroom bevindt zich lager en ligt in de troposfeer op een hoogte tussen 10 en 15 kilometer. Deze wervel bestaat het hele jaar, maar is in de winter het sterkst. De polaire straalstroom is een belangrijke motor van het weer dat wij ervaren. De straalstroom heeft grote invloed op de druksystemen en daarmee de luchtstromingen.

De polaire straalstroom is de grens tussen de koude polaire lucht aan de noordzijde en de warme gematigde lucht aan de zuidzijde. Als de straalstroom gaat kronkelen kan warme lucht naar het noorden bewegen en koude lucht naar het zuiden.

Er is ook nog een subtropische straalstroom op het noordelijk halfrond. Die ligt verticaal gezien grofweg op dezelfde hoogte als de polaire jetstream, maar bevindt zich wel zuidelijker, op hogere breedtegraden en is voor dit verhaal verder niet van belang.

Normaal gesproken is er geen direct interactie tussen de polaire straalstroom en de poolwervel, maar zo eens in de 2 jaar stort de poolwervel in of wordt deze hevig verstoord. 

Het verzwakken of verplaatsen van de stratosferische poolwervel kan een kettingreactie op gang brengen waardoor de polaire straalstroom uiteindelijk ook zwakker wordt of meer gaat meanderen. Feitelijk vertoont de polaire straalstroom dan hetzelfde gedrag als de poolwervel met als gevolg dat koude poollucht zich naar het zuiden kan verplaatsen terwijl elders juist warmere lucht naar het noorden gaat. 

Dit transport is wel te merken op leefniveau. Door de verplaatsing van de luchtmassa's kan het bijzonder koud worden in delen van Noord-Amerika, Europa of Noord-Azië en kan er een barre winterperiode aanbreken. Waar zo een kou-uitbraak gebeurt is op het moment dat een SSW optreedt niet aan te geven.

Terug naar de stratosfeer. Waardoor verzwakt de poolwervel soms of keert zelfs om? Dit proces wordt in gang gezet door atmosferische golven die door de troposfeer breken en in de stratosfeer komen. Deze golven verstoren de poolwervel waardoor die gaat meanderen, afglijden of splitsen. Als de wind oostelijk wordt (anti-cyclonaal) gaat de lucht, net als bij een hogedrukgebied, dalen en in korte tijd aanwarmen. Zo kan een grote plotselinge temperatuurtoename in de stratosfeer optreden en dit noemen we een sudden stratospheric warming, een SSW. De temperatuur kan gedurende dit proces wel 40 of 50 graden stijgen in korte tijd. Een SSW is een van de meest spectaculaire dynamische fenomenen die in onze atmosfeer kan voorkomen en wordt gezien als een 'major event'.

Als het proces in gang is gezet ‘botsen’ de atmosferische golven (die zich altijd oostelijke bewegen) steeds lager in de atmosfeer tegen de oostelijke winden (die naar het westen waaien) aan. Het exacte proces hoe dit werkt is nog steeds reden voor onderzoek, maar feit is wel dat deze omslag steeds lager in de atmosfeer te merken is en uiteindelijk kan resulteren in een sterk meanderde en afzwakkende polaire straalstroom. De AO-index wordt dan vaak negatief. Dat het effect merkbaar wordt op straalstroom niveau duurt meestal 1 tot 3 weken.

Een SSW waarbij de zonale wind omslaat wordt vaak voorafgegaan door kleinere SSW's waarbij alleen een temperatuurstijging wordt waargenomen, maar waarbij de zonale wind niet omdraait.

Dat er een link is tussen een plots opwarmende stratosfeer en een koude uitbraak op gematigde breedte ergens op het noordelijk halfrond in de winter is duidelijk, maar deskundigen stellen ook dat niet iedere SSW verstoring leidt tot een koudegolf. Daarnaast komen er veel meer kou uitvallen voor zonder dat de poolwervel daar een rol inspeelt. Er zijn genoeg andere weerpatronen die de polaire straalstroom kunnen doen laten meanderen waardoor koude lucht  zuidelijker kan komen.

De conclusie is dat een plots opwarmende stratosfeer soms de aanstoot kan zijn tot een kou inval, maar dat de meeste koude winteruitbraken een andere oorsprong hebben. Meest voorkomende is dat de straalstroom in de troposfeer door andere redenen gaat meanderen waardoor kou en warmte transport op gang komt van noord naar zuid en visa versa. 

De term polar vortex wordt nogal eens verkeerd gebruikt. Men duidt dan de troposferische wervel aan die lager ligt dan de stratosferische vortex en feitelijk de polaire straalstroom is. Deze straalstroom is ook een cyclonale vortex en draait net als de polar vortex dezelfde kant op als de aarde. Daarnaast werd/wordt in de media een extreme kou-uitbraak ook nog wel eens direct gekoppeld aan de polar vortex die dan ergens een regio binnen trekt.