火星1800公里長雲指向無塵結冰過程，自然界中尚屬首次

在火星年的幾個月裡，每天清晨都會有一道長達1,800公里、幾乎是英國兩倍長度的白色冰雲，從阿爾西亞山（Arsia Mons）火山側翼剝離。一項新研究發現，要在電腦中重建這道雲，唯一的方法是讓水蒸氣直接凝結成冰晶，過程中完全不需要一粒塵埃作為起點。物理學家稱之為「均質成核」（homogeneous nucleation），而在此之前，它只存在於教科書中，從未在任何可觀測的天空中出現過。

地球上幾乎每一朵雲都需要一個「種子」。水蒸氣凝結在鹽粒、煤煙、花粉或塵埃上，水滴或冰晶便由此生長。在火星上，科學家認為這些種子便是懸浮在稀薄大氣中的細微塵埃。然而，阿爾西亞山延伸雲（Arsia Mons Elongated Cloud, AMEC）——這顆行星上最引人注目的雲——似乎完全跳過了這個步驟。

這項發現的意義不僅止於某一顆行星上的一朵奇異雲朵。大氣科學家建構天氣與氣候模型時——無論是針對地球還是其他星球——都假設雲是在微粒上形成的。一個自然界中不依賴微粒成雲的案例，意味著這個假設存在例外，而研究團隊表示，這個例外可能也適用於地球和金星上最高、最冷的雲層。

「為了在我們的模型中創造出AMEC，我們發現必須納入一些奇特的物理機制……這些物理機制雖然寫在教科書裡，卻被視為理論，通常被認為不會在自然界中發生，」領導這項研究的巴黎動力氣象實驗室（Laboratoire de Météorologie Dynamique）的Jorge Hernández-Bernal說。「它肯定從未被實際觀測到過。」

日出時形成、向西奔馳數小時的雲

阿爾西亞山是一座盾狀火山，高約20公里，是塔爾西斯高原（Tharsis plateau）上三座並排的巨大火山中最南端的一座。這道雲並非來自火山噴發。它是水冰，形成於火山西坡上方約45公里處。

同一個研究團隊先前的觀測已經拼湊出它的每日規律。雲在黎明前開始形成，然後以大約每秒170公尺的速度向西延伸約兩個半小時。當它停止增長時，長長的尾巴會脫離火山，飄移直到蒸發，在午前消失。這個循環在火星年約80天的時間裡每天清晨重複，時間點落在南半球夏至前後，正值塵埃季節，而該緯度帶的其他雲層在此時相當稀少。

這個時間點正是這道雲長期無法被解釋的原因。大多數火星軌道探測器在午後飛越火星，而那時雲已經消失了。歐洲太空總署（European Space Agency, ESA）的火星快車號（Mars Express）軌道器與微量氣體軌道探測器（ExoMars Trace Gas Orbiter），是少數能夠觀測清晨側的太空船。

研究方法

這個由巴黎地區兩個大氣實驗室組成的團隊，使用了一個高解析度的火星天氣模型，該模型將為地球設計的天氣研究與預報模式（Weather Research and Forecasting, WRF）求解器，與火星行星氣候模型（Mars Planetary Climate Model）的物理機制結合。接著，他們將模型輸出結果與火星快車號上三種儀器的影像進行比對：視覺監控相機（Visual Monitoring Camera）、高解析度立體相機（High Resolution Stereo Camera）與OMEGA光譜儀。

在標準雲物理機制——即冰只能在塵埃上形成——的設定下運行時，模型失敗了。它產生了正確的風場，但沒有產生那條又長又清晰的尾巴。缺失的關鍵是一道強烈的山嶽波（mountain wave）。當風流經阿爾西亞山時，火山的龐大體積會在幾分鐘內將潮濕的空氣團抬升數公里。根據ESA的資料，空氣在十分鐘內降溫約30度，相對濕度攀升到地球日常生活的十萬倍以上。

在那一刻，空氣中蘊含的過量水蒸氣多到足以自行凝結成冰。一旦研究人員將均質冰核作用加入模型，雲便出現在它在火星上實際出現的位置，長出尾巴，在脫離前變窄，並在清晨稍晚時分脫離，與真實的雲非常相似。在論文的預印本版本中，團隊計算出，在空氣最冷的核心區域，每立方公分有數百個冰粒子以這種方式形成。這足以吸收掉過量的水蒸氣，因此尾巴在風將其向西吹送時能保持穩定。

為什麼地球的雲不會這樣形成

這個物理機制並非新發現。新的是親眼目睹它在運作。水蒸氣需要極端的過飽和狀態才能在沒有幫助的情況下結冰，而在地球上，達到這個臨界點的空氣幾乎總是會先找到一個微粒。即使在地球最高雲層於黃昏時分發光的中間層（mesosphere），均質成核也僅被視為理論上的可能性來討論。金星的高層大氣也是如此。

火星在一個特定地點提供了恰到好處的條件。大氣稀薄，且在該高度攜帶相對較少的塵埃粒子，而阿爾西亞山的高度足以引發劇烈而快速的抬升。「水蒸氣直接轉變為冰雲粒子，沒有任何中間步驟，」Hernández-Bernal說。「這就像冷凝水滴出現在房間中央，而不是在窗戶上。」

ESA的火星快車號計畫科學家Colin Wilson表示，這艘探測器「發現了AMEC，多年來持續追蹤監測它，現在正協助揭開其形成之謎。」

尚未解決的問題

這項證據是一個與影像吻合的模型，而非對冰晶形成的直接測量。沒有任何儀器採樣過這道雲，在阿爾西亞山上空45公里處也無法做到。作者們自己的措辭也反映了這一點：論文的標題稱均質成核是「被雲所『暗示』」，而摘要則說結果「強烈暗示」它在火星上發生。

吻合度也並非完美無瑕。Hernández-Bernal承認，模型雲的某些方面並未完全符合觀測結果。在同行評審前發布的論文版本中，模擬的雲比真實的雲窄了30%到50%，開始時間晚了約一個半小時，並且在脫離前僅達到觀測長度的大約四分之一。最終經同儕審查的文本目前尚未公開，作者表示其中包含了進一步的分析。

最有力的替代解釋是存在一群非常細小的塵埃，粒子小於100奈米。沒有人測量過在該季節，阿爾西亞山上空漂浮著多少這種塵埃。團隊測試了這個可能性，發現這種更細的塵埃會產生寬闊、彌散的霧霾，而不是火星快車號高解析度相機所拍攝到的那條清晰明亮的尾巴。然而，在缺乏直接數據的情況下，這個替代解釋只是被削弱，而非被排除。

關於阿爾西亞山雲的常見問題

什麼是阿爾西亞山延伸雲？

它是一道水冰雲，每天清晨在火星上高20公里的阿爾西亞山西側形成。它可以延伸長達1,800公里，並在火星年約80天的時間裡每天重複，時間點落在南半球夏至前後。

火星上的這道長雲是火山噴發嗎？

不是。當它的影像廣為流傳時，許多人誤以為是火山煙柱，但阿爾西亞山並未噴發。這道雲由水冰構成，其形狀是由流經火山的風所塑造。

什麼是均質成核？

它是指冰或水滴直接從蒸氣中形成，不需要塵埃或其他粒子作為起點。它需要極端的過飽和狀態，因此在真實空氣中極少可能發生。這項研究是它在行星大氣中發生的首個有力案例。

地球上的雲也是這樣形成的嗎？

幾乎所有的雲都是在塵埃、鹽或煤煙等粒子上形成的。科學家曾提出，地球中間層中一些最高的雲可能是在沒有這些粒子的情況下形成的，但沒有人觀測到過。火星的這項結果給了研究人員一個重新審視的理由。

下一步

這項研究於2026年10月7日發表在《自然·地球科學》（Nature Geoscience）期刊。這道雲每年火星南半球的春季和夏季都會回歸，而火星快車號與微量氣體軌道探測器仍是少數能夠在黎明時觀測它的太空船。團隊表示，他們的下一個工作將是測試均質成核是阿爾西亞山獨有的現象，還是也會發生在其他火星雲層中，以及它是否在火星的全球水循環中扮演任何角色。

參考文獻：Hernández-Bernal et al., “Homogeneous ice nucleation from water vapour suggested by elongated clouds on Mars,” Nature Geoscience, 2026. DOI: 10.1038/s41561-026-02089-9

標籤: 天文學, esa, 火星, Arsia Mons, Mars Express, 行星大氣