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保信息的史詩級科幻小說。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，許多勢力都夢想著把它改造成一個更綠的行星，就像改造火星一樣。

我們用一個類似于天氣預報模型的電腦模型仔細的研究了厄拉科斯的氣候，我們發現赫伯特創造的世界在天氣方面還是挺準確的——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。根據沙丘的描述，曾經厄拉科斯91%的表面都由海洋覆蓋，直到某種古老的災難帶來了整個星球的沙漠化。隨著沙蟲的入侵，剩下的水被它們帶入了地下洞穴，導致整個星球變成了一個巨大的撒哈拉沙漠。

（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）

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

根據計算機的計算，厄拉科斯2.0的平均溫度大約為4℃。這主要是因為海洋產生的水汽會導致更多的雪和云，這兩者都會將太陽的光反射回外太空（因為他們都是白色的）。同時，地球和厄拉科斯2.0的大氣層（假設成分相似）會產生“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（理論上一個有力的溫室氣體）以冷卻行星。根據小說的描述，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的模型，他又增加了一個平均深度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，厄拉科斯2.0比厄拉科斯濕潤了86倍。這意味著植物可以大量生長，創造出大量的綠植，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穩定很多。

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

在厄拉科斯中，其最高溫度可以達到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的熱帶地區也有一個不好的地方。那里會遭受大型氣旋襲擊，因為巨大且溫暖的海洋會儲存大量的能量和水汽去驅動這些巨大的臺風。

對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家也在做這些工作。目前，人類只能通過巨大的太空望遠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PHI，縱軸為地球相似指數ESI，可見厄拉科斯和厄拉科斯2.0比太陽系內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緣，金星表面溫度高是因為其濃厚的大氣層），同時離宿主恒星夠近而不會太冷（在木星冰封衛星木衛三以內）。進一步研究表明，對于存在大型海洋的行星來講，宜居帶會變得更小。因為這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。

對于沙漠星球而言，宜居帶會寬的很多。因為在宜居帶的內緣，水蒸氣變少，熱量可以很好的散失到外界，冷卻整個星球；在宜居帶的外緣，雪會變少而冰會吸收熱量，加熱整個星球。

同時要注意的是，盡管根據某個行星和太陽間的距離可以給出一個大概的“平均溫度”，但有時這個平均溫度是帶有誤導性的。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，世界上最強大的望遠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。這同樣會導致一個有誤導性的平均溫度。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大陸，這塊大陸會讓地球變得超級熱，比許多動物能承受的最高溫還熱，導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，那這些極端的環境可能需要大規模的科技發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劃。但是他們面臨的種種困難再一次讓人類意識到地球才是我們文明的搖籃——特別是海洋行星比我們預期中數量要少得多。如果我們人類在未來踏上了殖民其他行星的道路，未來人類很可能要解決沙丘中角色要解決的問題。

BY: Warner Bros

FY: Chen Li

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