بارش تگرگ عجیبی از توپ‌های خمیری یخی متشکل از مخلوط‌های یخی آمونیاک و آب در سیاره مشتری وجود دارد. این پدیده توسط رعد و برق‌های شدید که این توپ‌های خمیری یخی را در طول طوفان‌های بزرگ روشن می‌کنند، قابل مشاهده است که اطلاعات بیشتری در مورد جو سیاره مشتری و شرایط جوی آن ارائه می‌دهد.
از شک تا تاییدیه سه‌بعدی
در آن زمان کریس موکل (Chris Moeckel) از دانشگاه کالیفرنیا به همراه امریتا ایمکه پاتر (Emerita Imke Pater)، به این نظریه بدلیل نیاز به شرایط خاص جوی، بدبین بودند. دانشمندان به مدت چهار سال این نظریه را به چالش کشیدند، اما در نهایت رد شد. این بدبینی به دلیل شرایط پیچیده و خاص جوی مورد نیاز برای این فرضیه بود.
سطوح کم‌عمق در مقابل طوفان‌های عمیق
موکل می‌گوید: «هر بار که به سیاره مشتری نگاه می‌کنید، بیشتر سطح آن را می‌بینید. سطحی که کم‌عمق است، اما چند چیز مانند گرداب‌ها و این طوفان‌های بزرگ می‌توانند در آن مشاهده شوند.»
یافته‌های جدید فضاپیمای جونو نشان می‌دهد که آمونیاک در سراسر عرض‌های جغرافیایی در عمق حدود ۱۵۰ کیلومتری کاهش یافته است که این موضوع با مشاهدات قبلی که کاهش آمونیاک را در عمق ۵۰ کیلومتری نشان می‌دادند، متفاوت است. این پدیده نشان‌دهنده توزیع غیرعادی آمونیاک در جو مشتری است و دانشمندان در تلاش‌اند تا با استفاده از مدل‌های طوفانی این موضوع را توضیح دهند.
سیاره‌های غول‌پیکر گازی مانند مشتری و زحل و غول‌های یخی مانند سیاره نپتون و اورانوس، هدف اصلی ماموریت‌های فضایی فعلی و تلسکوپ‌های بزرگ از جمله تلسکوپ فضایی جیمز وب هستند.
موکل توضیح می‌دهد: «در واقع ما نشان می‌دهیم که بالای جو سیاره می‌تواند نمایانگر بسیار بدی از درون سیاره باشد؛ زیرا طوفان‌هایی مانند طوفان‌های توپ خمیری، جو را از هم جدا می‌کنند. پس ترکیب شیمیایی قله ابرهای جو لزوما منعکس‌کننده ترکیبات در اعماق جو سیاره نیستند و بعید است که سیاره مشتری نیز استثنا باشد. ما می‌توانیم این موضوع را به سیاره‌های اورانوس، نپتون و سیاره‌های فراخورشیدی دیگر تعمیم دهیم.»
جو سیاره مشتری با جو سیاره زمین متفاوت است. این سیاره از گاز هیدروژن و هلیوم با مقادیر کمی از مولکول‌های گازی مانند آمونیاک و آب ساخته شده که از توده جو سنگین‌تر هستند. همچنین سیاره مشتری طوفان‌هایی مانند لکه سرخ بزرگ (Great Red Spot) دارد که قرن‌ها طول می‌کشند. در این سیاره گاز آمونیاک و بخار آب بالا می‌روند و تبدیل به قطرات منجمد مانند برف می‌شوند و به طور مداوم می‌بارند؛ همچنین در این سیاره هیچگونه سطح جامدی برای برخورد وجود ندارد، پس این قطرات باران چه زمانی باید از سقوط کردن بایستند؟
موکل بیان می‌کند: «روی زمین، شما یک سطح دارید و باران در نهایت به این سطح برخورد خواهد کرد. سوال این است که اگر سطح را بردارید، چه اتفاقی می‌افتد؟ قطرات باران تا چه حد به اعماق سیاره فرو می‌روند؟ این چیزی است که ما در سیاره‌های غول‌پیکر مشاهده می‌کنیم.»
موکل با تشبیه به یک قابلمه آب جوش توضیح می‌دهد: «ابرهای متلاطم باعث می‌شوند که باور کنید جو کاملا مخلوط است. اگر به بالای جو نگاه کنید، آن را در حال جوشیدن می‌بینید و فرض می‌کنید که کل ظرف در حال جوشیدن است، اما این یافته‌ها نشان می‌دهد که اگرچه به نظر می‌رسد بالای آن در حال جوشیدن است، اما در زیر آن لایه‌ای وجود دارد که بسیار پایدار و کند است.»
موکل ادامه می‌دهد: «در سیاره مشتری به نظر می‌رسد که اکثر باران‌های آب و برف آمونیاک در جو سرد مشتری بالا می‌روند و هنگام ریزش تبخیر می‌شوند.» محققان توانستند این مشاهدات را از طریق شبیه‌سازی آب و هوای پویا و استاندارد توضیح دهند. مشاهدات رادیویی فضاپیمای جونو، مناطقی را که اختلاط ضعیفی داشتند نیز ردیابی کرد. این مناطق به طرز عجیبی فاقد آمونیاک بودند و هیچ مکانیسم شناخته‌شده‌ای که بتواند این مشاهدات را توضیح دهد، وجود نداشت.
این مسئله منجر به نظریه‌هایی مبنی بر تشکیل سنگ‌های تگرگ از آب و یخ آمونیاک شد که از جو خارج می‌شوند و آمونیاک را از بین می‌برند، اما اینکه چگونه سنگ‌های تگرگی می‌توانند به اندازه کافی سنگین باشند که صدها کیلومتر به درون جو سقوط کنند، یک معما بود.
برای توضیح اینکه چرا آمونیاک در بخش‌هایی از جو مشتری وجود ندارد، تریستان گیلوت (Tristan Guillot) دانشمند سیاره‌شناس، نظریه‌ای را ارائه داد که مبتنی بر طوفان‌های شدید و سنگ‌های تگرگ به نام توپ‌های خمیری بود.
تشکیل توپ‌های خمیری و سقوط عمیق
توپ‌های خمیری می‌توانند آب و آمونیاک را با نسبت ۳ به ۱ به دام بیندازند که به دلیل اندازه و وزن خود به عمق اتمسفر سقوط می‌کنند و آمونیاک را همراه خود می‌برند. این فرآیند می‌تواند توضیح دهد که چرا آمونیاک در جو بالایی وجود ندارد.
این فرآیند به شرایط خاصی وابسته است. طوفان‌ها باید دارای صعودهای بسیار قوی، در حدود ۱۰۰ متر بر ثانیه، باشند و ذرات آبی باید به سرعت با آمونیاک مخلوط شده و به اندازه‌ای بزرگ شوند که بتوانند سقوط را تحمل کنند.
موکل بیان می‌کند: «سفر توپ‌های خمیری از حدود ۵۰ تا ۶۰ کیلومتر پایین‌تر از عرشه ابر به صورت قطرات آب شروع می‌شود. این قطرات به سرعت تا بالای عرشه ابر بالا می‌روند. در آنجا منجمد می‌شوند و سپس بیش از صد کیلومتر به داخل سیاره سقوط می‌کنند. در آنجا شروع به تبخیر و رسوب مواد می‌کنند؛ بنابراین، ما شاهد این سامانه عجیب بودیم که بسیار پایین‌تر از عرشه ابر فعال می‌شود و تا بالای جو می‌رود و سپس در اعماق سیاره فرو می‌رود.»
موکل ادامه می‌دهد: «یک نقطه کوچک زیر ابر وجود داشت که شبیه خنک شدن یعنی ذوب شدن یخ یا افزایش آمونیاک یعنی ذوب و آزاد شدن آمونیاک بود. این واقعیت که هر دو استدلال فقط با توپ‌های خمیری توجیه می‌شد، مرا متقاعد کرد.»
به گفته هوآژی (Huazhi)، از موسسه فناوری کالیفرنیا، این شواهد رادیویی نمی‌توانسته تنها توسط قطرات باران آب یا برف آمونیاک ایجاد شده باشد. دانشمندان در سراسر جهان به طور منظم با تلسکوپ‌های زمینی، سیاره مشتری را رصد می‌کنند و زمان‌بندی آنها با نزدیک‌ترین فاصله فضاپیمای جونو از این سیاره، هر ۶ هفته یکبار همزمان است.
محققان در فاصله زمانی فوریه۲۰۱۷ تا آوریل۲۰۱۹ از داده‌های تلسکوپ فضایی هابل (HST) و آرایه بسیار بزرگ (VLA) در نیومکزیکو برای تکمیل مشاهدات جونو استفاده کردند تا تصویری سه‌بعدی از تروپوسفر مشتری ایجاد کنند. موکل می‌گوید: «من یک مدل برش‌نگاری یا توموگرافی را توسعه دادم که مشاهدات رادیویی را می‌گیرد و آنها را به یک تصویر سه‌بعدی از آن قسمت از جو که توسط جونو دیده می‌شود، تبدیل می‌کند.«
برش‌نگاری نوعی تصویربرداری سه‌بعدی است. در برش‌نگاری، عکس، برشی از حجم است که امکان دارد در هر یک از سه جهت فضا باشد. تصویر سه‌بعدی از آن نوار باریک از سیاره مشتری تایید کرد که بیشتر تغییرات آب و هوا در ۱۰ کیلومتری جو بالایی آن اتفاق می‌افتد.
به گفته موکل، لایه چگالش آب نقش مهمی در کنترل دینامیک و آب و هوای سیاره مشتری ایفا می‌کند که تنها، قدرتمندترین طوفان‌ها و امواج‌ها می‌توانند از این لایه عبور کنند.