火星1800公里长云指向无尘结冰过程，自然界中尚属首次

在火星年的几个月里，每天早晨，一条长达1800公里（几乎相当于英国长度的两倍）的白色冰带从阿尔西亚蒙斯（Arsia Mons）火山的侧翼剥离。一项新研究发现，在计算机中重建它的唯一方法是让水蒸气直接冻结成冰晶，而无需任何尘埃颗粒来启动这一过程。物理学家称之为均相成核，而在此之前，它只存在于教科书中，从未在任何观测到的天空中出现过。

地球上几乎每朵云都需要一个种子。水蒸气凝结在盐粒、烟尘、花粉或尘埃上，水滴或冰晶由此生长。在火星上，种子被认为是悬浮在稀薄大气中的细微尘埃。而阿尔西亚蒙斯延伸云（Arsia Mons Elongated Cloud），这颗行星上最引人注目的云，似乎完全跳过了这一步。

这不仅仅关乎一颗行星上的一朵奇怪的云。大气科学家在构建地球和其他星球上的天气和气候模型时，都假设云是在颗粒上形成的。一个自然界的反例意味着这一假设存在例外，研究团队表示，这一例外可能同样适用于地球和金星上最高、最冷的云。

“为了在我们的模型中创建AMEC，我们发现需要引入一些奇特的物理学……这些物理学虽然被收录在教科书中，但被视为理论上的，通常被认为不会在自然界发生，”豪尔赫·埃尔南德斯-贝尔纳尔（Jorge Hernández-Bernal）说，他来自巴黎的Laboratoire de Météorologie Dynamique，是这项工作的负责人。“此前肯定从未有人目睹过它的实际发生。”

日出时形成、向西运行数小时的云

阿尔西亚蒙斯是一座约20公里高的盾状火山，是排列在塔尔西斯高原上的三座巨型火山中最南端的一座。这朵云并非来自火山喷发。它是水冰，形成于火山西坡上方约45公里处。

同一研究小组之前的观测拼凑出了它的日常规律。云在黎明前开始形成，然后以大约每秒170米的速度向西延伸约两个半小时。当它停止增长时，长长的尾部从火山脱离并飘散，直到下午前蒸发。每个火星年，在南半球夏至前后，大约80天里，每天早晨都会重复这一循环，那是一个多尘的季节，而在那些纬度上，其他云层却很少见。

正是这个时间点解释了为什么这朵云长期得不到解释。大多数火星轨道器在下午穿越火星，那时云已经消失。欧洲航天局的火星快车轨道器和ExoMars微量气体轨道器是少数能够观测早晨一侧的航天器之一。

他们是如何做到的

该团队来自巴黎地区的两个大气实验室，他们使用了一个高分辨率火星天气模型，该模型将专为地球构建的天气研究与预报（WRF）求解器与火星行星气候模型的物理学相结合。然后，他们将模型输出与火星快车上三台仪器的图像进行了比较：视觉监测相机、高分辨率立体相机和OMEGA光谱仪。

在标准云物理（即冰只能在尘埃上形成）条件下运行，模型失败了。它产生了正确的风，但没有产生长而尖锐的尾部。缺失的部分是一股强大的山地波。当风吹过阿尔西亚蒙斯时，火山体在几分钟内将潮湿的气团抬升数公里。根据欧洲航天局的说法，空气在十分钟内降温约30度，相对湿度攀升到地球日常生活的10万倍以上。

此时，空气中含有如此多的多余水蒸气，以至于它自行冻结。一旦研究人员将均相冰核化加入模型，云就出现在火星上实际出现的位置，长出了尾巴，在释放前变窄，并在早晨晚些时候脱离，与真实的云非常相似。在论文的预审版本中，研究团队计算出，在最冷的空气团中，每立方厘米会形成数百个冰粒子。这足以吸收多余的水蒸气，因此尾部在风将其向西携带时保持稳定。

为什么地球上的云不会这样做

这种物理学并不新鲜。新鲜的是看到它在起作用。水蒸气需要极端的过饱和度才能在无辅助下冻结，而在地球上，达到这一点的空气几乎总是先找到一个颗粒。即使在中间层（地球最高的云在黄昏时发光的地方），均相成核也仅被作为理论可能性讨论过。金星的高层大气也是如此。

火星在一个地点提供了合适的组合。大气稀薄，在那个高度携带的尘埃颗粒相对较少，而阿尔西亚蒙斯足够高，能够迫使剧烈而快速的抬升。“水蒸气直接变成冰云颗粒，没有任何中间步骤，”埃尔南德斯-贝尔纳尔说。“这就像在房间中央出现凝结水滴，而不是在窗户上。”

欧洲航天局火星快车项目科学家科林·威尔逊（Colin Wilson）表示，该探测器“发现了AMEC，对其进行了多年的跟踪和监测，现在正在帮助揭示其形成的秘密。”

它没有解决的问题

证据是一个与图片匹配的模型，而不是对冰晶形成的测量。没有仪器对云进行过采样，在阿尔西亚蒙斯上方45公里处也无法进行采样。作者自己的措辞也反映了这一点：论文标题说均相成核是“被暗示”的，摘要说结果“强烈暗示”它在火星上发生。

匹配也不完美。埃尔南德斯-贝尔纳尔承认，模型云的某些方面并不完全符合观测结果。在同行评审前发布的论文版本中，模拟的云比真实的云窄30%到50%，开始时间晚了大约一个半小时，并且在脱离前只达到了观测长度的四分之一左右。最终经过同行评审的文本尚未免费公开，作者表示其中包含了进一步的分析。

最有力的替代解释是一群非常细小的尘埃，颗粒小于100纳米。没有人测量过在那个季节阿尔西亚蒙斯上空漂浮着多少这样的尘埃。团队进行了测试，发现这种更细的尘埃会产生宽而弥散的薄雾，而不是火星快车高分辨率相机所看到的尖锐明亮的尾部。然而，在没有直接数据的情况下，这种替代解释被削弱了，但并未被排除。

关于阿尔西亚蒙斯云的常见问题

什么是阿尔西亚蒙斯延伸云？

它是水冰云，每天早晨在阿尔西亚蒙斯（一座20公里高的火星火山）的西侧形成。它可以延伸至1800公里，每个火星年在南半球夏至前后大约80天里每天重复出现。

火星上的长云是火山喷发吗？

不是。当它的图像广泛传播时，许多人以为它是火山烟羽，但阿尔西亚蒙斯并未喷发。这朵云由水冰组成，由流经火山的风塑造而成。

什么是均相成核？

它是冰晶或液滴直接从水蒸气中形成，无需尘埃颗粒或其他粒子作为起点。它需要极端的过饱和度，因此在真实空气中很少可能。这项研究是它发生在行星大气中的第一个有力证据。

地球上的云是这样形成的吗？

几乎所有的云都是在尘埃、盐或烟尘等颗粒上形成的。科学家曾提出，地球中间层的一些最高云可能在没有它们的情况下形成，但没有人观测到。火星的结果给了研究人员重新审视的理由。

接下来是什么

该研究于2026年10月7日发表在《自然·地球科学》上。这朵云每个火星年都在南半球的春季和夏季回归，而火星快车和ExoMars微量气体轨道器仍然是少数能够在黎明观测它的航天器。研究团队表示，他们的下一步工作将测试均相成核是阿尔西亚蒙斯独有的，还是发生在其他火星云中，以及它是否在行星的全球水循环中发挥作用。

参考文献：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

标签: 天文学, esa, 火星, Arsia Mons, Mars Express, 云