为了看看《沙丘》会不会成真，科学家们用超级计算机算了三星期

Posted 2021-12-07 程序员的店小二

来源： 中科院物理所

科幻电影《沙丘》已于近日在各大影院上映，里面恶劣的自然环境给人留下了深刻印象：极度的干旱和高温迫使人们要穿上特制的蒸馏服才能活下来，植物、动物也非常稀少。这样的世界真的存在吗？人在其中能存活下来吗？在这篇文章中，来自中国科学院青藏高原研究所、布里斯托大学的气候模式专家给出了他们的模拟结果。

《沙丘》是弗兰克 · 赫伯特 (Frank Herbert) 创作的史诗科幻小说，现已被改编为同名电影上映。小说的故事发生在遥远的未来，一颗沙漠星球厄拉科斯 (Arrakis) 上。赫伯特精雕细琢勾勒出了一个细节丰富的世界，它真实到我们乍一看，就可以想象自己正置身沙漠之中。

然而，假如真的存在这样的世界，那它的真实情况会如小说和电影中展现的那样吗？

我们是专长于气候模式的科学家，为了回答上述问题，我们用气候模型模拟了厄拉科斯这颗沙漠星球。我们想知道小说中描绘的世界中的物理和环境，是否与真实的气候模型相悖。

厄拉科斯气候模型的可视化演示图。在 Climate Archive 网站里这是一个 3D 的球，可以自由旋转和拖拽，在左侧菜单可以选择云层、温度、降水、风力等不同的显示图层。

做完这个模型以后，我们高兴地发现赫伯特在书中所设想的环境竟然在很大程度上符合预期。虽然这是一个科幻小说，不过我们这些观众和读者偶尔也需要给我们的怀疑按一下暂停键：人类可以在这颗沙漠行星上的绝大部分地区生存下去，就是会有些艰难。除此以外，我们还发现了厄拉科斯上一些很有趣的事。

如何建立一个奇幻世界？

如何建立一个沙漠星球的气候模型？现在手头上有一些常用于预测地球上天气和气候的气候模型，我们就从这开始改起。在使用这些不同类别的模型之前，我们必须要先输入从山脉走向到太阳辐射强度再到大气成分物质组成的所有数据。然后这个模型就可以开始模拟气候了，还会大致告诉你这颗行星上的天气可能是什么样的。

首先，虽然这是科幻，我们还是先假设沙漠星球厄拉科斯影响天气和气候的基本物理定律和地球上的一般无二。当然，如果我们的模型呈现出一些匪夷所思和稀奇古怪的东西，这也有可能说明在厄拉科斯上物理定律和地球并不相同，或者弗兰克赫伯特对厄拉科斯的幻想，只是幻想而已。

厄拉科斯的高度图（以米为单位） 来源：Farnsworth 等人，作者提供

然后，我们需要根据小说和随附的沙丘百科全书中所有找到的详细信息，设定气候模型关于厄拉科斯的特定参数，这些参数包括行星的地形和它的轨道。厄拉科斯的公转轨道基本上是圆的，类似于今天的地球。行星轨道形状也确实会很显著地影响行星上的气候——《权力的游戏》里的冬天漫长而又不规则，所谓的 “凛冬将至” 的原因，可能就是复杂的行星轨道造成的。

最后，我们要告诉模型厄拉科斯的大气是由什么组成的。尽管厄拉科斯上二氧化碳的含量相比地球而言略少（百万分之 350，而地球上是百万分之 417）一些，绝大多数成分和今天地球上的大气组成非常相似。而最大的区别，却是臭氧浓度：在地球上，靠近地表的大气中臭氧浓度非常低，只有 0.000001% 左右；但在厄拉科斯上，这个数是 0.5% 。

大气中臭氧占比在气候模型中非常重要。因为大气中成分占比其实是动态变化的，假如我们以 20 年为评估时间周期，臭氧的全球变暖潜能值比二氧化碳多约 65 倍。

厄拉科斯的大部分地区都是荒凉的沙漠。来源：Chiabella James / 华纳兄弟

在给模型输入了所有必要的数据后，我们接下来要做的，就是坐下来静静等待，因为跑完这样复杂的模型通常需要三个多星期的时间。我们需要一台巨大的超级计算机日夜不停地处理模拟厄拉科斯所需的繁复的计算。

最终，我们的发现也值得这么久的等待。

这居然还很合理？

在小说和电影的描绘中，厄拉科斯是一颗拥有无情的火热太阳与荒凉的沙石荒地的星球，是一颗需要 “日出警告” 的星球。但当你在厄拉科斯上向极地地区的城市阿拉肯（Arrakeen）和迦太基（Carthag）接近时，气候开始变得宜人。

事实真的如此吗？

气候模型向我们讲述了一个不同的故事。在我们的厄拉科斯气候模型中，厄拉科斯热带地区最炎热月份的温度在 45°C 左右，而在最冷的月份，温度也不会低于 15°C。这和地球上的情形相去并不远。在这颗沙漠星球上，极端温度更多地出现在中纬度地区和极地地区。在极地地区，沙漠上夏天最高温度可能高达 70°C（书中也有提及）。那里的冬天同样极端，中纬度地区温度可能会低至 -40°C，而极地地区则会低至 -75°C。

厄拉科斯的每月温度分布图。极地地区冬天非常寒冷，夏天却也非常炎热。作者提供 

在书中，厄拉科斯从来没有下过雨。然而，我们的模型表明厄拉科斯上其实还是会有一些降水过程的，尽管量非常少。这些降水分布仅局限于夏季和秋季高纬度地区的山区和高原上。在热带和极地地区，也许会有一些多多少少随着季节变动的云，但没有雨。

作者在书中还提到，至少在北半球，存在着一些历史悠久的极地冰盖。这可能是小说与模型最大的不同之处了。在模型里，夏季的高温足够融化任何位于极地的冰盖，并且到了冬天，也不会有降水让这些冰盖有机会发展壮大。

虽炎热，但宜居

人类能在这样一个沙漠星球上生存吗？

首先，我们必须假设小说中和电影中的费里曼人等种族与今天的人类的耐热能力比较相似。如果这样的话，科学的结果和书、电影中描绘的情节恰恰相反，热带地区似乎才是厄拉科斯上最适合居住的地方。

由于热带地区空气湿度很低，因此虽然这里的气温很高，但永远不会达到人类可生存的绝热饱和温度（湿球温度，wet-bulb temperature）的上限——一种结合温度和湿度的用于衡量 “宜居性” 的标准。通俗来讲，湿球温度就是当前环境仅通过蒸发水分所能达到的最低温度。当环境温度又高，而湿度又大时，人体就无法通过蒸发汗液的方式排出热量了。

事实上，厄拉科斯上大多数人居住的中纬度地区，反而却是最危险的地区。在低地，月平均气温通常在 50-60°C 以上，每日的最高气温甚至比这更高。显然，这样的高温对人类来说是致命的。

沙漠中穿着 “蒸馏服” 的主角一行人。来源：Chiabella James / 华纳兄弟 

电影中，在厄拉科斯上居住点以外区域活动的所有人都必须穿着 “蒸馏服”。这套衣服给人体降温，让穿着者保持凉爽，并从出汗、排尿和呼吸的过程中回收身体水分并提供饮用水。在书中，厄拉科斯上没有降水，没有江河湖海，连大气中都甚少有可以回收的水分，因此“蒸馏服” 至关重要。

冬天，这颗沙漠星球在热带以外的其它区域会变得非常寒冷。虽然天气热有办法熬过去了，但如果没有相应科技，冬天的低温也会让此地变得不再宜居，像阿拉肯和迦太基这样的非赤道地区的城市会同时遭受热和冷两方面的挑战，几乎可以看做是地球上西伯利亚部分地区气候的更极端版。那里有令人不适的炎热夏季，也有冰冷刺骨的严寒冬季。

尽管我们提到了很多《沙丘》中不甚合理的地方，但要记住，赫伯特早在 1965 年就写出了小说《沙丘》的第一部。两年以后，诺贝尔奖获得者真锅淑郎才发表他开创性的第一个气候模型的研究。那时的赫伯特没有现代超级计算机的澎湃算力，甚至连现在常见的个人电脑都没有。

鉴于此，他创造的沙漠世界，在六十年后的今天看来，真的已经很别致了。

作者：

Alex Farnsworth, 中国科学院青藏高原研究所、University of Bristol

Michael Farnsworth, University of Sheffield

Sebastian Steinig, University of Bristol

翻译：NKXXX

审校：zhenni