木星神秘的天气被证实的“蘑菇球”现象所解释

木星高层大气或对流层的横截面，显示了穿过地球赤道或赤道带（EZ）的南北带状风暴的深度。蓝色和红色分别表示氨气的丰度高于正常值和低于正常值。通过追踪氨，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），尽管两种类型的风暴——迅速上升的氨羽（中心）和飓风般的漩涡——冲击得更深，并导致大气气体的混合。带有氨羽流的大规模风暴会产生比羽流和涡流更深的雨团。不同深度的压力以巴为单位表示，相当于地球上一个大气压。来源：uux.cn加州大学伯克利分校Chris Moeckel

（神秘的地球uux.cn）据加州大学伯克利分校（罗伯特·桑德斯）：想象一下，一个由氨和水组成的Slushee被包裹在坚硬的水冰壳中。现在想象一下，这些被称为“蘑菇球”的覆冰雪泥球，在雷暴期间像冰雹一样倾泻而下，被强烈的闪电照亮。

加州大学伯克利分校的行星科学家现在表示，木星上确实存在伴随着强烈闪电的蘑菇冰雹。事实上，蘑菇状冰雹暴可能发生在银河系中的所有气态行星上，包括我们太阳系的其他巨行星土星、天王星和海王星。

蘑菇球的想法最初是在2020年提出的，目的是解释美国国家航空航天局朱诺号任务和地球上的射电望远镜都探测到的木星高层大气中氨气分布的不均匀性。

当时，加州大学伯克利分校的研究生Chris Moeckel和他的顾问、天文学和地球与行星科学荣誉退休教授Imke de Pater认为，该理论过于复杂，需要高度特定的大气条件才能实现。

去年获得加州大学伯克利分校博士学位的Moeckel说：“Imke和我都觉得，‘这世界上不可能是真的’。”他现在是加州大学伯克利大学空间科学实验室的研究员。“要真正解释这一点，需要把很多东西放在一起，这似乎很奇怪。我基本上花了三年时间试图证明这是错误的。但我无法证明这是错的。”

3月28日发表在《科学进展》杂志上的这一确认与木星高层大气的首次3D可视化同时出现，Moeckel和de Pater最近在一篇论文中创建并描述了这一可视化，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。

这张平坦的木星地图揭示了氨在木星云层顶部下方的分布，在可见云层下方延伸了数十英里。红色区域表示氨耗尽的地方，而黑色区域表示氨从大气深处上升的地方。贫化区出现在赤道两侧（地图上纬度为0°）和两极（未显示）的带中，而氨的上升流在赤道以北最为突出。中纬度地区明显缺乏深层活动，这表明木星的大部分大气层相对较浅，只有少数风暴深入木星。图片来源：uux.cn加州大学伯克利分校Chris Moeckel和Imke de Pater

木星对流层的3D图像显示，木星上的大多数天气系统都是浅层的，只到达地球可见云层或“表面”以下10到20公里处，半径为7万公里。环绕地球的带中的大多数彩色漩涡图案都是浅的。

然而，一些天气在对流层中出现得更深，重新分配了氨和水，基本上分解了长期以来被认为是均匀大气的物质。三种类型的天气事件是飓风般的漩涡、与富含氨的羽状物结合的热点，这些羽状物以波浪状结构环绕地球，以及产生蘑菇球和闪电的大风暴。

莫克尔说：“每次你看到木星，它大多只是表面水平。”。“它很浅，但有一些东西——漩涡和这些大风暴——可以穿透。”

德佩特说：“朱诺号确实表明，氨在所有纬度上都耗尽了，直到大约150公里，这真的很奇怪。”他在10年前发现氨在大约50公里处耗尽了。“这就是克里斯试图解释的，他的风暴系统比我们预期的要深得多。”

木星和土星等气态巨星以及海王星和天王星等冰巨星是当前太空任务和大型望远镜的主要焦点，包括詹姆斯·韦伯太空望远镜，部分原因是它们可以帮助我们了解太阳系的形成历史和遥远系外行星的地面实况观测，其中许多行星都是大型气态行星。

由于天文学家只能看到遥远系外行星的上层大气，因此知道如何解释这些观测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。

莫克尔说：“我们基本上表明，大气层顶部实际上是地球内部情况的一个相当糟糕的代表。”。

这是因为像那些产生蘑菇球的风暴会分解大气层，因此云顶的化学成分不一定反映大气层深处的成分。木星不太可能是独一无二的。

德佩特说：“你可以把它扩展到天王星、海王星，当然也可以扩展到系外行星。”。

木星上的大气与地球上的大气截然不同。它主要由氢气和氦气组成，含有微量的气态分子，如氨和水，它们比大气重。地球的大气层主要是氮和氧。木星也有风暴，比如大红斑，持续了几个世纪。

当氨气和水蒸气上升，冻结成水滴，像雪一样，不断下雨时，没有固体表面可以撞击。雨滴在什么时候停止落下？

莫克尔说：“在地球上，你有一个表面，雨水最终会袭击这个表面。”。“问题是：如果你把表面拿走，会发生什么？雨滴会落在地球上多远？这就是我们在巨行星上的情况。”

几十年来，这个问题引起了行星科学家的兴趣，因为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，对混合良好的大气的简单假设指导了对木星等气态巨行星内部组成的推断。

射电望远镜的观测，其中大部分是由de Pater及其同事进行的，表明这个简单的假设是错误的。

莫克尔说：“湍流的云顶会让你相信大气混合得很好。”。“如果你看顶部，你会看到它在沸腾，你会认为整个锅都在沸腾。但这些发现表明，即使顶部看起来像是在沸腾，但下面是一层非常稳定和缓慢的层。”

莫克尔说，在木星上，大部分的水雨和氨雪似乎在寒冷的大气层中循环，并在降落时蒸发。然而，甚至在朱诺号抵达木星之前，de Pater和她的同事就报告了高层大气中缺乏氨。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，该模型预测雷暴中氨会下到水层，水蒸气会凝结成液体。

但朱诺号的无线电观测将混合不良的区域追溯到更大的深度，低至约150公里，许多地区令人困惑地耗尽了氨，而且没有已知的机制可以解释这些观测结果。这导致人们提出，水和氨冰必须形成冰雹，从大气中掉出来并去除氨。但冰雹是如何形成的，其重量足以坠入数百公里的大气层，这是一个谜。

为了解释为什么木星大气层的部分区域缺少氨，行星科学家Tristan Guillot提出了一个涉及猛烈风暴和被称为蘑菇球的泥泞冰雹的理论。在这个想法中，风暴期间强烈的上升气流可以将微小的冰粒提升到云层上方60多公里处。

在这些高度，冰与氨蒸气混合，氨蒸气起到防冻剂的作用，将冰融化成泥泞的液体。随着粒子的不断上升和下降，它们会变得更大——就像地球上的冰雹一样——最终变成垒球大小的糊状球。

这些糊状物可以以3:1的比例捕获大量的水和氨。由于它们的大小和重量，它们会深入大气层——远低于风暴开始的地方——携带氨。这有助于解释为什么氨似乎从高层大气中消失了：它被拖下并隐藏在行星的深处，在那里留下了微弱的信号，可以用射电望远镜观察到。

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，泥泞的颗粒必须迅速与氨混合，并长得足够大，才能在秋季幸存下来。

莫克尔说：“蘑菇球之旅基本上是以水滴的形式在云层下方约50至60公里处开始的。水滴迅速上升到云层顶部，在那里冻结，然后落入地球100多公里处，在那里开始蒸发并沉积物质。”。

“所以，从本质上讲，这个奇怪的系统在云层之下被触发，一直延伸到大气层顶部，然后深入地球。”

朱诺号无线电数据中一个风暴云的独特特征使他和他的同事们相信，这确实是发生的事情。

莫克尔说：“云层下有一个小点，要么看起来像是冷却，即融化的冰，要么像是氨的增强，即氨的融化和释放。”。“事实上，这两种解释都只能用蘑菇球来解释，这最终说服了我。”

根据论文合著者、巨型行星云动力学专家、帕萨迪纳加州理工学院博士后葛华志的说法，无线电信号不可能是由雨滴或氨雪引起的。

莫克尔说：“《科学进展》的论文从观察的角度表明，这一过程显然是正确的，而我最希望找到一个更简单的答案。”。

一幅描绘木星上的猛烈风暴——以及可能的其他气态巨行星——如何产生蘑菇球和浅层闪电的插图。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，并为强大的上升气流提供燃料，将水冰向上携带到极端高度，偶尔在可见云层之上。一旦它们到达可见云层以下约14英里的高度，氨就会起到防冻剂的作用，融化冰，并与冰结合形成一种泥泞的氨水液体，表面覆盖着水冰——一种糊状物。蘑菇球不断上升，直到它们变得太重，然后通过大气回落，一直生长到到达水凝结层，在那里蒸发。这最终将氨和水从高层大气（绿色和蓝色层）重新分配到云层深处，在无线电观测中形成了氨耗尽的区域。图片来源：uux.cn美国国家航空航天局/加州理工学院喷气推进实验室/瑞士航天研究所/中国国家科学院

世界各地的科学家定期用地面望远镜观测木星，时间与朱诺每六周最接近木星的时间相吻合。在2017年2月和2019年4月，即这两篇论文所涵盖的时期，研究人员使用了哈勃太空望远镜（HST）和新墨西哥州甚大阵列（VLA）的数据来补充朱诺号的观测，试图创建对流层的3D图像。

可见光波长的HST提供了云顶反射光的测量结果，而射电望远镜VLA则探测了云层下方数十公里处，以提供全球背景。朱诺号的微波辐射计探测了木星大气层有限区域的深层大气。

莫克尔说：“我基本上开发了一种断层扫描方法，该方法将无线电观测结果转化为朱诺号看到的大气层部分的三维渲染。”。

木星这一条带的3D照片证实，大部分天气发生在10公里以上。

莫克尔说：“水凝结层在控制木星的动力学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，由于缺乏朱诺号任务的公开校准数据产品，他对木星大气层的分析被推迟了。鉴于目前公布的数据水平，他被迫独立重建任务小组的数据处理方法——工具、数据和讨论，如果早点分享，可以大大加快独立研究并扩大科学参与。此后，他公开了这些资源，以支持未来的研究工作。