火星の長さ1800キロの雲、ちりなしで氷ができる現象を示す初の手がかり

火星の年の数カ月間、毎朝、長さ最大1,800km（英国のほぼ2倍）に及ぶ白い氷の筋が、アルシア・モンス火山の側面から剥がれ落ちる。新たな研究によると、これをコンピュータ上で再現する唯一の方法は、水蒸気を塵の粒なしに直接氷の結晶に凍らせることだという。物理学者はこれを均質核形成と呼び、これまでは教科書に存在するだけで、誰も観測した空には存在しなかった。

地球上のほぼすべての雲には種が必要だ。水蒸気は塩の粒、煤、花粉、塵の上に凝結し、そこから水滴や氷の結晶が成長する。火星では、その種は薄い大気中に漂う微細な塵だと考えられている。火星で最も印象的な雲であるアルシア・モンス細長雲は、その過程を完全に飛ばしているように見える。

これは、一つの奇妙な雲が一つの惑星にあるという以上の意味を持つ。大気科学者は、雲は粒子の上に形成されるという前提で、地球や他の世界の天気予報モデルや気候モデルを構築する。そうではない自然の事例は、その前提に例外があることを意味し、研究チームはその例外が地球や金星の最も高く、最も冷たい雲にも当てはまる可能性があると述べている。

「AMECをモデルで再現するには、いくつかの特殊な物理学を取り入れる必要があることがわかりました…教科書には載っているものの、理論的なものとして扱われ、通常は自然界では起こらないと考えられている物理学です」と、研究を主導したパリの気象力学研究所のホルヘ・エルナンデス＝ベルナル氏は述べた。「これまで実際に観測されたことは確かにありません。」

夜明けに発生し、数時間にわたって西へ流れる雲

アルシア・モンスは、標高約20kmの楯状火山で、タルシス台地に並ぶ3つの巨大火山の最南端に位置する。この雲は噴火によるものではない。水の氷であり、地表から約45km上空、火山の西側斜面に形成される。

同じグループによる以前の観測で、その日々の行動パターンが解明された。雲は夜明け前に形成され始め、その後約2時間半かけて秒速約170メートルで西へと伸びていく。成長が止まると、長い尾は火山から切り離され、午後になる前に蒸発するまで漂い続ける。このサイクルは、火星の年ごとに約80日間、毎朝繰り返される。それは南半球の夏至の頃で、塵の多い季節にあたり、通常その緯度では雲はほとんど見られない。

このタイミングこそ、この雲が長い間説明できなかった理由である。ほとんどの火星探査機は午後に火星を通過するが、その頃には雲はすでに消えている。欧州宇宙機関（ESA）の探査機マーズ・エクスプレスとエクソマーズ・トレース・ガス・オービターは、朝側を観測できる数少ない宇宙船の一つである。

研究手法

パリ地域の2つの大気研究所からなるチームは、地球用に構築されたコードであるWeather Research and Forecastingソルバーと、火星惑星気候モデルの物理学を結合した、火星の高解像度気象モデルを使用した。そして、その出力をマーズ・エクスプレスの3つの機器（ビジュアル・モニタリング・カメラ、高解像度ステレオ・カメラ、OMEGA分光計）からの画像と比較した。

氷が塵の上でしか形成できないという標準的な雲物理学で実行すると、モデルは失敗した。正しい風は再現できたが、長く鋭い尾は再現できなかった。欠けていたのは、強い山岳波だった。風がアルシア・モンスを越えるとき、火山の塊が湿った空気の塊を数分間で数km押し上げる。ESAによると、空気は10分間で約30度冷却され、相対湿度は地球上の日常生活の10万倍以上のレベルに達する。

その時点で、空気は非常に多くの過剰な蒸気を含んでいるため、自然に凍結する。研究者らが均質核形成をモデルに追加すると、火星で実際に発生する場所に雲が現れ、尾を伸ばし、切り離される前に細くなり、実際の雲と同様に午後遅くに分離した。査読前の論文では、研究チームは、最も冷たい空気の塊の中で、1立方センチメートルあたり数百の氷粒子がこの方法で形成されると計算した。これは過剰な水蒸気を吸収するのに十分であり、風が雲を西へ運ぶ間、尾は安定した状態を保つ。

なぜ地球の雲はこうならないのか

物理学自体は新しいものではない。新しいのは、それが実際に機能しているのを目にしたことだ。水蒸気が助けなしに凍結するには極度の過飽和状態が必要であり、地球上では、その状態に達した空気はほとんどの場合、最初に粒子を見つける。地球の最も高い雲が夕暮れ時に輝く中間圏でさえ、均質核形成は理論上の可能性として議論されてきたに過ぎない。金星の上層大気についても同様である。

火星は、一つの場所で適切な条件を提供する。大気は薄く、その高度では比較的塵の粒子が少ない一方、アルシア・モンスは激しく急速な上昇を強制するのに十分な高さがある。「水蒸気は中間段階なしに、直接氷の雲粒子に変わります」とエルナンデス＝ベルナル氏は述べた。「それは、窓ではなく部屋の真ん中に結露の滴が現れるようなものです。」

ESAのマーズ・エクスプレス・プロジェクト科学者であるColin Wilson氏は、探査機が「AMECを発見し、長年にわたって追跡・監視し、現在ではその形成の秘密を明らかにするのに貢献している」と述べた。

未解決の点

証拠は、画像と一致するモデルであり、氷の結晶が形成されるという測定ではない。どの機器もこの雲をサンプリングしておらず、アルシア・モンス上空45kmでは不可能である。著者ら自身の表現もそれを反映しており、論文のタイトルは均質核形成が雲によって「示唆される」と述べ、要旨では結果が火星でそれが起こっていることを「強く示唆する」と述べている。

一致も完璧ではない。エルナンデス＝ベルナル氏は、モデル化された雲のいくつかの側面が観測結果と完全には合わないことを認めている。査読前に投稿された論文のバージョンでは、シミュレートされた雲は実際のものより30％から50％狭く、開始が約1時間半遅れ、切り離される前に観測された長さの約4分の1にしか達しなかった。最終的な査読済みテキストはまだ自由に入手できず、著者らはさらなる分析が含まれていると述べている。

最も有力な代替説明は、100ナノメートル未満の粒子からなる非常に細かい塵の集団である。誰もその季節にアルシア・モンス上空にどれだけ浮遊しているかを測定したことはない。研究チームはこれをテストし、このより細かい塵は、マーズ・エクスプレスの高解像度カメラで見られるような鋭く明るい尾ではなく、広く拡散した霞を生成することを発見した。しかし、直接的なデータがないため、この代替説明は否定されるというよりは弱められている。

アルシア・モンス雲に関するよくある質問

アルシア・モンス細長雲とは何ですか？

火星の標高20kmの火山アルシア・モンスの西側で毎朝形成される水の氷の雲です。最大1,800kmまで伸びることがあり、火星の年ごとに南半球の夏至の頃、約80日間毎日繰り返されます。

火星の長い雲は火山の噴火ですか？

いいえ。その画像が広く出回ったとき、多くの人が噴煙だと思いましたが、アルシア・モンスは噴火していません。雲は水の氷でできており、火山の上を流れる風によって形作られています。

均質核形成とは何ですか？

塵の粒や他の粒子を介さずに、蒸気から直接氷や水滴が形成されることです。極度の過飽和状態が必要なため、実際の空気中ではほとんど起こり得ません。この研究は、惑星大気中でそれが起こっていることを示す初めての有力な事例です。

地球上の雲はこのように形成されますか？

ほとんどすべての雲は、塵、塩、煤などの粒子の上に形成されます。科学者たちは、地球の中間圏にある最も高い雲の一部は、それらなしで形成される可能性があると提案してきましたが、誰も観測していません。火星の結果は、研究者に再調査する理由を与えています。

今後の展望

この研究は、2026年10月7日付の『Nature Geoscience』に掲載された。この雲は、火星の年ごとに南半球の春から夏にかけて戻ってきており、マーズ・エクスプレスとエクソマーズ・トレース・ガス・オービターは、夜明けにそれを観測できる数少ない宇宙船のままである。研究チームは、次の研究では、均質核形成がアルシア・モンスに固有のものなのか、それとも火星の他の雲でも起こるのか、そしてそれが火星の全球的な水循環に何らかの役割を果たしているのかどうかをテストすると述べている。

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

タグ: 天文学, esa, 火星, Arsia Mons, Mars Express, 惑星大気