沙丘：厄拉科斯的气候和宜居系外行星的寻找

（图源：华纳兄弟）

弗兰克·赫伯特的沙丘是一部带有环保信息的史诗级科幻小说。小说和衍生的电影的故事背景都在沙漠星球厄拉科斯上，在这颗沙漠星球上，许多势力都梦想着把它改造成一个更绿的行星，就像改造火星一样。

我们用一个类似于天气预报模型的电脑模型仔细的研究了厄拉科斯的气候，我们发现赫伯特创造的世界在天气方面还是挺准确的——并且是宜居的，甚至可能十分宜居。

但是，厄拉科斯历史上并不都是沙漠。根据沙丘的描述，曾经厄拉科斯91%的表面都由海洋覆盖，直到某种古老的灾难带来了整个星球的沙漠化。随着沙虫的入侵，剩下的水被它们带入了地下洞穴，导致整个星球变成了一个巨大的撒哈拉沙漠。

（这些是榨干厄拉科斯水源的生物——沙虫的幼虫阶段，图源：华纳兄弟）

为了研究海洋对星球宜居程度和气候的影响，我们将用同一个模型去研究新的一颗行星，将它称为厄拉科斯2.0。这个星球与厄拉科斯完全相同，只不过被海洋淹没了。

根据计算机的计算，厄拉科斯2.0的平均温度大约为4℃。这主要是因为海洋产生的水汽会导致更多的雪和云，这两者都会将太阳的光反射回外太空（因为他们都是白色的）。同时，地球和厄拉科斯2.0的大气层（假设成分相似）会产生“卤素”（元素周期表第17族，氟，氯等元素属于“卤素”），“卤素”通过消耗大气中的臭氧（理论上一个有力的温室气体）以冷却行星。根据小说的描述，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（地球平均温度为15℃）

（作者从沙丘百科全书中收集了信息以建立原创的模型，他又增加了一个平均深度1000米的海洋，图源：Farnsworth et al, CC BY-SA）

并不意外的是，由于海洋的大量蒸发，厄拉科斯2.0比厄拉科斯湿润了86倍。这意味着植物可以大量生长，创造出大量的绿植，而不像厄拉科斯一样光秃秃一片。

更湿等于更稳定

海洋同样削弱了极端温度的存在。由于水的比热容比陆地的大（这就是为什么英国这个岛国的夏天和冬天比较温和，而乌鲁木齐的夏天和冬天显得极端很多），因此海洋行星的气候就比沙漠行星的相对稳定很多。

（厄拉科斯和厄拉科斯2.0的对比，图源：Image credit: Seb Steinig / Climate Archive）

在厄拉科斯中，其最高温度可以达到70℃以上；但是在厄拉科斯2.0中，最高的温度大约在45℃左右（人类所记录的最高温度是1913年在美国加州死亡谷记录的56.7℃）。这意味着夏天的厄拉科斯2.0也十分的宜居。森林和农作物可以在（仍然被冰雪覆盖的）两极之外生长。

但是厄拉科斯2.0的热带地区也有一个不好的地方。那里会遭受大型气旋袭击，因为巨大且温暖的海洋会储存大量的能量和水汽去驱动这些巨大的台风。

对系外宜居行星的搜寻

上面的并不只是抽象的分析，搜寻宜居系外行星的科学家也在做这些工作。目前，人类只能通过巨大的太空望远镜去搜寻那些在大小，温度，水资源等因素上与地球相似的行星。

（该图横轴为行星宜居指数PHI，纵轴为地球相似指数ESI，可见厄拉科斯和厄拉科斯2.0比太阳系内几乎所有天体都宜居，图源Farnsworth et al, CC BY-SA）

我们知道沙漠星球在宇宙中比类似地球的行星更常见。拥有可支持生命的海洋的行星一般位于宜居带中：这里离宿主恒星够远而不至于太热（例如水星轨道外，有研究表明金星可能正好在宜居带内缘，金星表面温度高是因为其浓厚的大气层），同时离宿主恒星够近而不会太冷（在木星冰封卫星木卫三以内）。进一步研究表明，对于存在大型海洋的行星来讲，宜居带会变得更小。因为这些行星上的水要么被全部冻住，使行星变得更冷；要么全部煮沸形成温室气体，使行星变得更热。

对于沙漠星球而言，宜居带会宽的很多。因为在宜居带的内缘，水蒸气变少，热量可以很好的散失到外界，冷却整个星球；在宜居带的外缘，雪会变少而冰会吸收热量，加热整个星球。

同时要注意的是，尽管根据某个行星和太阳间的距离可以给出一个大概的“平均温度”，但有时这个平均温度是带有误导性的。例如厄拉科斯和厄拉科斯2.0，二者有着相似的平均温度，但是厄拉科斯2.0的极端温度明显比厄拉科斯的极端温度低，让厄拉科斯2.0变得更加宜居。

目前，世界上最强大的望远镜也不能直接探测到行星的温度，它们也不能探测到行星表面大陆的分布。这同样会导致一个有误导性的平均温度。例如厄拉科斯2.0在模型中看起来十分宜居，但是它的两极也会像地球上的两极一样一直下雪，减少可宜居的面积。

这些考虑对我们的未来也是很重要的。如果未来的地球以赤道为中心形成了一块超级大陆，这块大陆会让地球变得超级热，比许多动物能承受的最高温还热，导致又一次生物大灭绝。

（人类的确可以在厄拉科斯上生活，但是过得肯定不舒服。图源：Funcom）

如果宇宙中可宜居的星球大部分都是沙漠星球，那这些极端的环境可能需要大规模的科技发展和巨大的投入才能使这颗行星具有承载生命的能力。例如沙漠星球的大气层中含氧量较低。

但是这并不会停止人类的尝试，伊隆·马斯克和他的SpaceX有着在离我们最近的沙漠星球——火星上建立殖民地的宏伟计划。但是他们面临的种种困难再一次让人类意识到地球才是我们文明的摇篮——特别是海洋行星比我们预期中数量要少得多。如果我们人类在未来踏上了殖民其他行星的道路，未来人类很可能要解决沙丘中角色要解决的问题。

BY: Warner Bros

FY: Chen Li