木星在雷暴中降下氨水雪球

木星上已确认出现由冰“蘑菇球”——氨和水的泥浆混合物——组成的奇异冰雹，当这些冰冻的泥浆球从高耸的风暴中落下时，强烈的闪电照亮了它们。利用首批木星对流层的3D可视化图像，研究人员发现，大多数天气系统出奇地浅，但深对流系统却能穿透云层，将氨和水分离，并将它们拖至云顶深处。

这幅插图使用了美国宇航局朱诺号任务获得的数据，描绘了木星上的高空雷暴。朱诺号探测器灵敏的恒星参考单元相机在近距离飞掠木星时，探测到了木星背面异常的闪电。图片来源：NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Gerald Eichstädt

这颠覆了人们对木星存在良好混合的气态巨行星的认识，因为蘑菇球就像地下传送带一样，捕获并运输化学物质，从而重塑了我们对巨行星大气的理解。

想象一下，一个巨大的冰沙由氨和水组成，包裹在坚硬的冰壳中。现在，想象一下，这些冰冷的冰沙球——被称为“蘑菇球”——像冰雹一样穿过木星大气层，被强烈的闪电照亮。

据加州大学伯克利分校的行星科学家称，这种剧烈的天气并非科幻小说中的情节——它真的发生在木星上。这些伴有闪电的冰雹也可能出现在太阳系的其他气态巨行星上，例如土星、天王星和海王星，甚至可能出现在整个银河系的气态行星上。

“蘑菇球”的概念最初于2020年提出，旨在解释木星高层大气中观测到的氨气含量令人费解的变化。这些异常现象被美国宇航局的“朱诺”号航天器探测到，并被地面射电望远镜证实。

当时，加州大学伯克利分校的研究生克里斯·莫克尔和他的导师、名誉教授伊姆克·德·帕特对此表示怀疑。该理论需要非常特殊和极端的大气条件才能成立。

木星高层大气（或对流层）的横截面，显示了横跨木星赤道或赤道带（EZ）的南北向带状风暴的深度。蓝色和红色分别代表高于和低于正常值的氨气丰度。通过追踪氨气，加州大学伯克利分校的两项新研究表明，木星上快速变化的天气系统大多非常浅（左图），但两种类型的风暴——快速上升的氨羽流（中图）和类似龙卷风的涡旋——冲击力更深，是造成大气气体分离的原因。大规模风暴会产生蘑菇球，这些蘑菇球会比氨羽流和涡旋下落得更深。图片来源：加州大学伯克利分校的Chris Moeckel

“伊姆克和我当时都觉得，‘这不可能是真的，’”莫克尔说道。他去年获得了加州大学伯克利分校的博士学位，现在是加州大学伯克利分校空间科学实验室的研究员。“要真正解释这一点，需要很多因素的共同作用，这看起来太不可思议了。我花了基本上三年的时间试图证明这是错的，但我没能证明它是错的。”

这一证实结果最近发表在《科学进展》杂志上，与木星高层大气的第一个 3D 可视化图像同时出现，该图像由 Moeckel 和 de Pater 最近创建并在一篇论文中描述，该论文目前正在接受同行评审，并发布在预印本服务器 arXiv 上。

木星对流层的3D图像显示，木星上的大部分天气系统都很浅，仅到达可见云层（或行星“表面”）以下10至20公里，而云层半径为7万公里。环绕行星的带状云层中，大多数色彩斑斓的漩涡图案也很浅。

然而，有些天气现象出现在对流层更深的地方，重新分配氨和水，从根本上打破了长期以来被认为是均匀的大气。造成这种现象的三种天气事件是：类似飓风的涡旋、与富含氨的羽流相结合并以波浪状结构环绕地球的热点，以及产生蘑菇球和闪电的大型风暴。

这张插图描绘了木星（以及其他可能的气态巨行星）上猛烈的风暴如何形成蘑菇球和浅层闪电。蘑菇球是由雷暴云形成的，雷暴云在云顶下方约40英里处形成，并推动强烈的上升气流，将水冰向上带到极高的高度，有时甚至会超过可见的云层。当它们到达可见云层下方约14英里的高度时，氨就像防冻剂一样，融化冰并与冰结合形成一层粘稠的氨水液体，表面覆盖着水冰——蘑菇球。蘑菇球不断上升，直到变得过重，然后回落穿过大气层，不断增长，直至到达水凝结层并蒸发。这最终导致氨和水从高层大气（绿色和蓝色层）重新分配到云层下方深处，从而形成了在射电观测中可见的氨耗尽区域。图片来源：NASA/JPL-Caltech/SwRI/CNRS

“每次观察木星，它大多只是表面，”莫克尔说。“它很浅，但有一些东西——涡旋和这些大风暴可以穿透它。”

“朱诺号探测显示，氨在所有纬度（深达约150公里）范围内都已耗尽，这真的很奇怪，”德·帕特说道，他10年前就发现氨在深达约50公里的范围内耗尽。“克里斯试图用他的风暴系统比我们预期的要深得多来解释这一点。”

像木星和土星这样的气态巨行星，以及像海王星和天王星这样的冰巨行星，是当前太空任务和大型望远镜（包括詹姆斯·韦伯太空望远镜）关注的重点，部分原因是它们可以帮助我们了解太阳系的形成历史，以及对遥远系外行星（其中许多行星体积巨大且由气态构成）的地面真实观测。由于天文学家只能观测到遥远系外行星的高层大气，因此，了解如何解读这些观测结果中的化学特征可以帮助科学家推断系外行星内部的细节，即使是类地行星也是如此。

莫克尔说：“我们基本上表明，大气层顶部实际上不能很好地代表行星内部的情况。”

这是因为像那些形成蘑菇球的风暴会分离大气，因此云顶的化学成分并不一定反映大气深层的成分。木星不太可能是独一无二的。

“可以将其扩展到天王星、海王星——当然也包括系外行星，”德帕特说。

木星的大气与地球截然不同。它主要由氢气和氦气组成，并含有微量的气态分子，例如氨和水，这些分子比整体大气重。地球的大气主要由氮气和氧气组成。木星也存在像大红斑这样的风暴，持续数个世纪。虽然氨气和水蒸气会上升，冻结成像雪一样的水滴，并持续下雨，但由于没有固体表面，雨滴会落到哪里呢？

“地球有一个表面，雨水最终会落在这个表面，”莫克尔说。“问题是：如果把这个表面拿走会发生什么？雨滴会落到地球多远的地方？这就是我们在巨行星上遇到的情况。”

几十年来，这个问题一直激起行星科学家的兴趣，因为降雨和风暴等过程被认为是行星大气的主要垂直混合器。几十年来，人们一直基于“大气混合良好”的简单假设，推断着像木星这样的气态巨行星的内部构成。

射电望远镜的观测（其中大部分由德帕特及其同事进行）表明，这个简单的假设是错误的。

“湍流云顶会让你相信大气混合得很匀，”莫克尔说道，他引用了一锅沸腾的水来打比方。“如果你看云顶，你会看到它在沸腾，你会认为整锅水都在沸腾。但这些发现表明，尽管云顶看起来像在沸腾，但下面实际上是一层非常稳定且缓慢的云层。”

莫克尔表示，在木星上，大部分水雨和氨雪似乎在寒冷的大气层高处循环，并在下落时蒸发。然而，甚至在朱诺号抵达木星之前，德·帕特和她的同事就报告说，木星高层大气缺乏氨。然而，他们能够通过动态和标准天气模型来解释这些观测结果，这些模型预测雷暴中氨会降水到水层，在那里水蒸气会凝结成液体。

然而，朱诺号的射电观测追踪到混合较差的区域深度要大得多，可达约150公里，许多区域令人费解地缺乏氨，而且目前还没有已知的机制能够解释这些观测结果。这导致有人提出，水和氨冰必须形成冰雹，然后落出大气层并带走氨。但这些足够重、能够落入大气层数百公里的冰雹是如何形成的，仍然是个谜。

为了解释木星大气部分区域为何缺乏氨，行星科学家特里斯坦·吉洛特提出了一个理论，该理论涉及猛烈的风暴和被称为蘑菇球的冰雹。根据该理论，风暴期间强烈的上升气流可以将微小的冰粒抬升到云层上方——超过60公里的高度。在这些高度，冰粒与氨蒸气混合，氨蒸气的作用类似于防冻剂，将冰融化成泥状液体。随着这些粒子不断上升和下降，它们会变得越来越大——就像地球上的冰雹一样——最终变成垒球大小的蘑菇球。

这些蘑菇球可以以3比1的比例捕获大量的水和氨。由于它们的大小和重量，它们会坠落到大气层深处——远低于风暴开始的地方并携带着氨。这有助于解释为什么氨似乎在高层大气中缺失：它被拖拽下来，隐藏在行星深处，在那里留下了微弱的信号，可以用射电望远镜观测到。

然而，这一过程取决于许多具体条件。风暴需要有非常强的上升气流，大约每秒100米，而且泥浆颗粒必须快速与氨混合，并变得足够大，才能在坠落过程中存活下来。

“蘑菇球的旅程基本上始于云层下方约50到60公里处，当时是水滴。这些水滴迅速上升到云层顶部，在那里冻结，然后落入行星内部一百多公里，在那里开始蒸发并沉积物质，”莫克尔说。“所以，本质上，这是一个奇怪的系统，它在云层下方很远的地方被触发，一直到达大气层顶部，然后深深地沉入行星内部。”

朱诺号无线电数据中关于一个风暴云的独特特征使他和他的同事确信这确实是真实发生的事情。

“云层下方有一小块区域，看起来要么像是在冷却，也就是冰融化，要么像是在增强氨，也就是氨融化并释放，”莫克尔说。“最终，我被说服了，因为这两种解释都只适用于蘑菇球。”

论文合著者、巨行星云层动力学专家、加州理工学院帕萨迪纳分校博士后研究员葛华志表示，无线电信号不可能由水雨滴或氨雪引起。

莫克尔说： “ 《科学进展》的论文从观察的角度表明，这个过程显然是正确的，这与我想要找到更简单答案的愿望背道而驰。”

世界各地的科学家定期使用地面望远镜观测木星，观测时间与朱诺号每六周最接近木星的时间一致。在两篇论文涵盖的时间段——2017年2月和2019年4月——研究人员利用哈勃太空望远镜（HST）和位于新墨西哥州的甚大天线阵（VLA）的数据来补充朱诺号的观测数据，试图创建对流层的三维图像。哈勃太空望远镜在可见光波长下测量云顶反射光，而射电望远镜甚大天线阵（VLA）则探测到云层以下数十公里，提供全球背景信息。朱诺号的微波辐射计则探测了木星大气中有限区域的深层大气。

莫克尔说：“我开发了一种断层扫描方法，它利用无线电观测数据，将其转换成朱诺号所见大气层的三维渲染图。”

木星这一带的 3D 图像证实，大部分天气现象都发生在 10 公里以上的区域。“水凝结层在控制木星的动态和天气方面起着至关重要的作用，只有最强大的风暴和海浪才能突破这一层。”

莫克尔指出，他对木星大气的分析由于缺乏公开可用的朱诺号任务校准数据产品而被推迟。鉴于目前发布的数据水平，他被迫独立重建任务团队的数据处理方法——工具、数据和讨论。如果能早点分享，这些工具、数据和讨论内容本可以显著加速独立研究，并扩大科学参与度。他已将这些资源公开，以支持未来的研究工作。

编译自/ScitechDaily