沙丘：厄拉科斯的氣候和宜居系外行星的尋找

（圖源：華納兄弟）

弗蘭克·赫伯特的沙丘是一部帶有環(huán)保信息的史詩級(jí)科幻小說。小說和衍生的電影的故事背景都在沙漠星球厄拉科斯上，在這顆沙漠星球上，許多勢(shì)力都?jí)粝胫阉脑斐梢粋€(gè)更綠的行星，就像改造火星一樣。

我們用一個(gè)類似于天氣預(yù)報(bào)模型的電腦模型仔細(xì)的研究了厄拉科斯的氣候，我們發(fā)現(xiàn)赫伯特創(chuàng)造的世界在天氣方面還是挺準(zhǔn)確的——并且是宜居的，甚至可能十分宜居。

但是，厄拉科斯歷史上并不都是沙漠。根據(jù)沙丘的描述，曾經(jīng)厄拉科斯91%的表面都由海洋覆蓋，直到某種古老的災(zāi)難帶來了整個(gè)星球的沙漠化。隨著沙蟲的入侵，剩下的水被它們帶入了地下洞穴，導(dǎo)致整個(gè)星球變成了一個(gè)巨大的撒哈拉沙漠。

（這些是榨干厄拉科斯水源的生物——沙蟲的幼蟲階段，圖源：華納兄弟）

為了研究海洋對(duì)星球宜居程度和氣候的影響，我們將用同一個(gè)模型去研究新的一顆行星，將它稱為厄拉科斯2.0。這個(gè)星球與厄拉科斯完全相同，只不過被海洋淹沒了。

根據(jù)計(jì)算機(jī)的計(jì)算，厄拉科斯2.0的平均溫度大約為4℃。這主要是因?yàn)楹Ｑ螽a(chǎn)生的水汽會(huì)導(dǎo)致更多的雪和云，這兩者都會(huì)將太陽的光反射回外太空（因?yàn)樗麄兌际前咨模Ｍ瑫r(shí)，地球和厄拉科斯2.0的大氣層（假設(shè)成分相似）會(huì)產(chǎn)生“鹵素”（元素周期表第17族，氟，氯等元素屬于“鹵素”），“鹵素”通過消耗大氣中的臭氧（理論上一個(gè)有力的溫室氣體）以冷卻行星。根據(jù)小說的描述，厄拉科斯的臭氧含量比地球上要高的多，因此比地球更加冷一些（地球平均溫度為15℃）

（作者從沙丘百科全書中收集了信息以建立原創(chuàng)的模型，他又增加了一個(gè)平均深度1000米的海洋，圖源：Farnsworth et al, CC BY-SA）

并不意外的是，由于海洋的大量蒸發(fā)，厄拉科斯2.0比厄拉科斯?jié)駶櫫?6倍。這意味著植物可以大量生長，創(chuàng)造出大量的綠植，而不像厄拉科斯一樣光禿禿一片。

更濕等于更穩(wěn)定

海洋同樣削弱了極端溫度的存在。由于水的比熱容比陸地的大（這就是為什么英國這個(gè)島國的夏天和冬天比較溫和，而烏魯木齊的夏天和冬天顯得極端很多），因此海洋行星的氣候就比沙漠行星的相對(duì)穩(wěn)定很多。

（厄拉科斯和厄拉科斯2.0的對(duì)比，圖源：Image credit: Seb Steinig / Climate Archive）

在厄拉科斯中，其最高溫度可以達(dá)到70℃以上；但是在厄拉科斯2.0中，最高的溫度大約在45℃左右（人類所記錄的最高溫度是1913年在美國加州死亡谷記錄的56.7℃）。這意味著夏天的厄拉科斯2.0也十分的宜居。森林和農(nóng)作物可以在（仍然被冰雪覆蓋的）兩極之外生長。

但是厄拉科斯2.0的熱帶地區(qū)也有一個(gè)不好的地方。那里會(huì)遭受大型氣旋襲擊，因?yàn)榫薮笄覝嘏暮Ｑ髸?huì)儲(chǔ)存大量的能量和水汽去驅(qū)動(dòng)這些巨大的臺(tái)風(fēng)。

對(duì)系外宜居行星的搜尋

上面的并不只是抽象的分析，搜尋宜居系外行星的科學(xué)家也在做這些工作。目前，人類只能通過巨大的太空望遠(yuǎn)鏡去搜尋那些在大小，溫度，水資源等因素上與地球相似的行星。

（該圖橫軸為行星宜居指數(shù)PHI，縱軸為地球相似指數(shù)ESI，可見厄拉科斯和厄拉科斯2.0比太陽系內(nèi)幾乎所有天體都宜居，圖源Farnsworth et al, CC BY-SA）

我們知道沙漠星球在宇宙中比類似地球的行星更常見。擁有可支持生命的海洋的行星一般位于宜居帶中：這里離宿主恒星夠遠(yuǎn)而不至于太熱（例如水星軌道外，有研究表明金星可能正好在宜居帶內(nèi)緣，金星表面溫度高是因?yàn)槠錆夂竦拇髿鈱樱瑫r(shí)離宿主恒星夠近而不會(huì)太冷（在木星冰封衛(wèi)星木衛(wèi)三以內(nèi)）。進(jìn)一步研究表明，對(duì)于存在大型海洋的行星來講，宜居帶會(huì)變得更小。因?yàn)檫@些行星上的水要么被全部凍住，使行星變得更冷；要么全部煮沸形成溫室氣體，使行星變得更熱。

對(duì)于沙漠星球而言，宜居帶會(huì)寬的很多。因?yàn)樵谝司訋У膬?nèi)緣，水蒸氣變少，熱量可以很好的散失到外界，冷卻整個(gè)星球；在宜居帶的外緣，雪會(huì)變少而冰會(huì)吸收熱量，加熱整個(gè)星球。

同時(shí)要注意的是，盡管根據(jù)某個(gè)行星和太陽間的距離可以給出一個(gè)大概的“平均溫度”，但有時(shí)這個(gè)平均溫度是帶有誤導(dǎo)性的。例如厄拉科斯和厄拉科斯2.0，二者有著相似的平均溫度，但是厄拉科斯2.0的極端溫度明顯比厄拉科斯的極端溫度低，讓厄拉科斯2.0變得更加宜居。

目前，世界上最強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡也不能直接探測到行星的溫度，它們也不能探測到行星表面大陸的分布。這同樣會(huì)導(dǎo)致一個(gè)有誤導(dǎo)性的平均溫度。例如厄拉科斯2.0在模型中看起來十分宜居，但是它的兩極也會(huì)像地球上的兩極一樣一直下雪，減少可宜居的面積。

這些考慮對(duì)我們的未來也是很重要的。如果未來的地球以赤道為中心形成了一塊超級(jí)大陸，這塊大陸會(huì)讓地球變得超級(jí)熱，比許多動(dòng)物能承受的最高溫還熱，導(dǎo)致又一次生物大滅絕。

（人類的確可以在厄拉科斯上生活，但是過得肯定不舒服。圖源：Funcom）

如果宇宙中可宜居的星球大部分都是沙漠星球，那這些極端的環(huán)境可能需要大規(guī)模的科技發(fā)展和巨大的投入才能使這顆行星具有承載生命的能力。例如沙漠星球的大氣層中含氧量較低。

但是這并不會(huì)停止人類的嘗試，伊隆·馬斯克和他的SpaceX有著在離我們最近的沙漠星球——火星上建立殖民地的宏偉計(jì)劃。但是他們面臨的種種困難再一次讓人類意識(shí)到地球才是我們文明的搖籃——特別是海洋行星比我們預(yù)期中數(shù)量要少得多。如果我們?nèi)祟愒谖磥硖ど狭酥趁衿渌行堑牡缆罚磥砣祟惡芸赡芤鉀Q沙丘中角色要解決的問題。

BY: Warner Bros

FY: Chen Li

如有相關(guān)內(nèi)容侵權(quán)，請(qǐng)?jiān)谧髌钒l(fā)布后聯(lián)系作者刪除

轉(zhuǎn)載還請(qǐng)取得授權(quán)，并注意保持完整性和注明出處