从《沙丘》中获得寻找地外行星的启示

周一 · 知古通今|周二 · 牧夫专栏

周三 · 视频天象|周四 · 观测指南

周五 · 深空探测|周六 · 茶余星话|周日 · 太空探索

翻译：刘海牧

校对：王茸 尹天任

审阅：校对组

美编：毫秒

后台：胡永葳

原文链接：https://phys.org/news/2024-03-dune-climate-arrakis-habitable-exoplanets.html

来源：华纳兄弟

弗兰克-赫伯特的《沙丘》是一部以环保为核心思想的史诗般的科幻小说。小说和电影以沙漠星球厄拉科斯（Arrakis）为背景，书中人物梦想把这个星球变成一个更加绿色的世界——就像当今一些人对火星的设想一样。

我们使用气候模型对厄拉科斯星球进行了模拟，这是一种类似于天气预报的计算机程序。我们发现，早在计算机气候模型出现之前，赫伯特所创造的世界就已经非常科学——虽然不宜人，但可以居住。

然而，厄拉科斯星球并不一直是沙漠。在沙丘传说中，星球的91％都曾被海洋覆盖，直到某次远古大灾难导致其沙漠化。厄拉科斯星球上的沙鳟鱼（即电影中巨大沙虫的幼年阶段）是一种外来入侵物种，它们进一步侵蚀了星球上仅存的水源。沙鳟鱼大量繁殖，将液体带入地下深处的洞穴，导致星球变得越来越干旱。

为了了解大海洋对地球气候和宜居性的影响，我们现在使用了相同的气候模型——在不改变其他因素的情况下，让是否有海洋作为变量。

根据我们的计算，当厄拉科斯星球大部分地区被海洋淹没时，全球的平均气温将下降 4°C。这主要是因为海洋会给大气增加水分，从而导致更多的雪和某些类型的云，这两种气象因素都会将太阳能量反射回太空。但同时还有一个原因是地球上的海洋和（我们假设的）厄拉科斯星球上的海洋会释放 "卤素"，通过消耗臭氧来冷却地球。

不出所料，海洋世界的湿度要高出 86 倍，因为有大量的水从海洋中蒸发。这意味着植物可以生长，水不再像沙漠厄拉科斯那样是有限的资源。

使厄拉科斯星球干涸的沙鳟鱼是电影中巨大沙虫的幼虫阶段

来源：华纳兄弟

更湿润的世界会更稳定

海洋还能减少极端温度，因为水的加热和冷却速度比陆地慢。（这也是四面环海的英国冬夏相对温和，而深入内陆的地方往往夏季炎热、冬季寒冷的原因之一）。因此，海洋行星的气候比沙漠行星更稳定。

在厄拉科斯沙漠中，气温将达到 70°C或更高，而在海洋状态下，模型的最高气温记录在 45°C 左右。这意味着海洋中的厄拉科斯即使在夏天也可以生存。森林和耕地可以在（仍然寒冷多雪的）极地之外生长。

不过，这也有一个不利因素。热带地区将受到大型气旋的冲击，因为巨大而温暖的海洋中含有大量驱动飓风所需的能量和水分。

作者从小说和《沙丘百科全书》中收集信息，建立了最初的模型。然后，他们添加了一个平均深度为 1000 米的海洋。

图片来源：Farnsworth 等人，CC BY-SA

寻找宜居行星

这一切并不完全是抽象的，因为科学家们也在遥远的星系中寻找适合居住的 "系外行星"。目前，我们只能使用巨大的太空望远镜来探测这类行星，寻找那些在大小、温度、可用能量、承载水的能力等因素上与地球相似的行星。

我们知道，在宇宙中，沙漠世界可能比类地行星更常见。具有潜在维持生命的海洋的行星通常会在所谓的 "宜居带"被发现：离太阳足够远，以避免太热（所以比热得沸腾的金星要远），但又足够近，以避免一切都被冻结（所以比木星的冰卫星木卫三要近）。

研究发现，对于拥有大型海洋的行星来说，这个宜居带特别小。它们的水有可能完全冻结，从而使行星变得更加寒冷，或者在温室效应失控的情况下蒸发掉，在这种情况下，水蒸气层会阻止热量散发，从而使行星变得越来越热。

因此，沙漠行星的宜居带要大得多，因为在外缘，它们的冰雪覆盖较少，会吸收更多的太阳热量，而在内缘，水蒸气较少，因此温室效应失控的风险较小。

还需要注意的是，虽然与当地恒星的距离可以给出行星的一般平均温度，但这种平均值可能会产生误导。例如，厄拉科斯星球的沙漠和海洋平均温度都适合居住，但海洋星球的极端日温要高得多。

目前，即使是最强大的望远镜也无法测量如此详细的温度。它们也无法看到遥远星球上大陆排列的细节。这同样意味着平均值具有误导性。例如，虽然我们模拟的海洋厄拉科斯星球非常适合居住，但大部分陆地都在终年积雪的极地地区，因此实际可居住的陆地面积要少得多。

无论是沙漠还是海洋情况下，厄拉科斯星球都比我们发现的其他星球更适合居住。

图片来源：Farnsworth等人, CC BY-SA

在我们遥远的未来，地球将形成一个以赤道为中心的超级大陆。该大陆将使地球变得过于炎热，哺乳动物和其他生命无法生存，可能导致大规模灭绝。

如果宇宙中最有可能的移居行星是沙漠，那么它们很可能是非常极端的环境，需要大量的技术解决方案和资源才能维持生命--例如，沙漠世界很可能没有富含氧气的大气层。

但这并不能阻止人类的尝试。例如，埃隆-马斯克（Elon Musk）和SpaceX就有在离我们最近的沙漠世界火星建立殖民地的宏伟目标。但是，他们将面临的诸多挑战只会凸显我们的地球作为文明摇篮的重要性——尤其是海洋资源丰富的世界可能并不像我们希望的那样多。如果人类最终殖民到其他世界，他们很可能要面对许多与《沙丘》中人物相同的问题。

责任编辑：杨伯顺

牧夫新媒体编辑部

『天文湿刻』 牧夫出品

微信公众号：astronomycn

《沙丘》剧照

谢谢阅读