每隔20至30年，土星大气层便会剧烈翻涌，出现环绕整颗行星的巨大雷暴，产生强烈闪电和大规模云层扰动。这类风暴的核心——因类比木星大红斑而俗称“大白斑”——面积可达地球大小。与中心平静且没有闪电的木星大红斑不同，土星大白斑中心活跃，并拖着长长的尾部，最终绕行整颗行星。
过去140年间，人们在土星上观测到六场此类风暴，它们交替出现在赤道和中纬度地区。最近一场于2010年12月出现，并在六个月内环绕了整颗行星。这些风暴通常发生在土星北半球最倾向太阳之时。不过，究竟是什么引发了它们，以及它们为何如此罕见，一直尚不清楚。
如今，两位加州理工学院行星科学家的新研究提出了这些风暴的一种可能成因。该研究于4月13日刊载于《 自然地球科学》期刊的在线先行版。
行星科学教授安德鲁·英格索尔（Andrew Ingersoll）及其研究生程力（Cheng Li）通过数值建模模拟了风暴的形成过程，发现风暴可能由土星大气中水分子的重量引起。与构成这颗气态巨行星大部分大气的氢和氦相比，水分子较重；当它们降水析出时，会使上层大气变得更轻，从而抑制对流。
随着时间推移，这会导致上层大气冷却。但最终，冷却的作用会超过对流受抑制的影响，温暖潮湿的空气迅速上升并引发雷暴。英格索尔说：“上层大气如此寒冷、质量又如此之大，因此需要20至30年，这种冷却才会触发下一场风暴。”
英格索尔和李发现，这一机制与美国国家航空航天局（NASA）的卡西尼号飞船对2010年大白斑的观测相符。自2004年以来，卡西尼号一直在观测土星及其卫星。
研究人员还提出，木星上没有环绕整颗行星的风暴，或许可以用木星大气中的水蒸气少于土星大气来解释。这是因为，在氢氦大气中，饱和气体（即在特定温度下含有其所能容纳的最大水分量的气体）冷却时，密度会经历一个最低点。也就是说，水析出时气体密度先降低，随后随着进一步冷却而升高。李说：“经过这个最低点是抑制对流的关键，但首先必须有足够的水蒸气。”
英格索尔和李指出，伽利略号飞船和哈勃太空望远镜的观测表明，土星确实有足够的水，能够经历这一密度最低点，而木星则没有。2016年11月，正在飞往木星的美国国家航空航天局（NASA）朱诺号飞船将开始测量该行星上的水含量。英格索尔说：“这不仅有助于我们了解气象状况，也有助于理解行星的形成，因为在巨行星大气中，水预计是仅次于氢和氦的第三丰富分子。”
本文由 加州理工学院合作发布。本文的发布并不代表世界经济论坛认可其中观点。
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作者：凯西·斯维蒂尔是加州理工学院的撰稿人。
图片：这张由美国国家航空航天局（NASA）卡西尼号飞船于2011年2月拍摄的图像，显示了土星北半球的一场巨大风暴。NASA/JPL-Caltech/太空科学研究所
