科学家模拟出《沙丘》行星的气候模型:现实中的人类真的能在 Arrakis 生存吗?

架空世界:任脑中遨游的世界,吗?

法兰克‧赫伯特的《沙丘》是 2021 年上映的硬派科幻电影[注1]。《沙丘》之名,在科幻迷眼中,被视为科幻类型文本的开山始祖之一,更是难以电影化的科幻小说作品;在电影《沙丘》中,行星厄拉科斯(Arrakis)是作品中的主要场景,一片荒芜的沙漠行星,除了有着珍贵的香料矿,还有可怕的沙虫。

这样的架空世界,屡屡存在於各个作品中,《魔戒》中有中土大陆(Middle Earth),《冰与火之歌》中有维斯特落大陆与厄斯索斯大陆,《星际大战》更有具双日的环联星运转行星克卜勒16b[1]塔图因星球。身为读者,以及一位地球科学模拟科学家,有时不禁会想:这些架空是否真的有可能存在?这些作家设计的世界,真的能存在吗?

今日,布里斯托大学气象研究所的 Dr. Alexander Farnworth 与他的同事 Dr. Sebastian Steinig,以及薛菲尔德大学的 Dr. Michael Farnsworth 就实际验证了一次,究竟一个架空星球的气候环境,是否为真?是否真的适合人类居住?

《沙丘》的气候模型:低碳高臭氧的沙漠环境

在他们发表的文章[2]中,他们使用了气候模型来模拟厄拉科斯的气候。Dr. Farnworth 亦提到[3],他们使用的是同样用在 IPCC(The Intergovernmental Panel on Climate Change,跨政府气候变化专门委员会)报告中,用以预测未来气候变迁状况的 HadAM3B-M2.1D 模型[4],其不需要海洋模式,所以海洋模式也就不用运行了(当然也可以省下计算资源)。

这个模型使用与地球相同的物理行为与物理参数。他们也使用了《沙丘百科》所提供的资料,来告之气候模型应使用的地型状态以及星球轨道,而星球轨道将大大影响到一个星球上的季节情况。最後,则是厄拉科斯星球的大气组成:350 ppm 的二氧化碳、0.5% 的臭氧层。这两个数字会影响到地球的温室效应,只不过虽然厄拉科斯的二氧化碳浓度低,但是同样是温室气体的臭氧值高,因此具一定的温室效应。

等这些数据确定後,气候模型就可以开始运作并且计算。这个气候模型一共跑了三周多,作者另外提到,他们总共模拟了五百年,而且还使用了地球的部份大气情况来跑厄拉科斯的数据(当然同样是为了省下电脑运算资源的策略)。幸运的是,在初始的几年中,大气就乾了,而五百年後,大部份的水都保存在地底[3]。这也不难想象,尚未蒸发到大气中的水会因重力渗流到地表下保存,而在没有植物行光合作用的情况下,大气中的水蒸气也将成为厄拉科斯上居民争夺的「黄金」。

为什麽要算五百年的气候状态?因为气候/气象模型喂进去的只是 Initial Condition,也就是「初始条件」,而初始条件只是气候模型的开端而已,不能当做结果。所以算到最後,这个气候模型必须达到「平衡态」——也就是说,模型算出来的四季,与下一年算出来的四季,必须要有极小的差值。等这个差值小到可以忽略时,这种数值模型才算是成功的。

住在「赤道比高纬度区域还舒适」的沙漠星球

在书中描述了厄拉科斯是极为严苛的生存环境,像是人会利用「蒸馏服」来回收排出的汗、尿,再自己喝,连血都会快速凝固来防止蒸发。书中描述的厄拉科斯是个非常乾热的地方,所以大多数的人会住在两极地区。

但是根据气候模型,热带/赤道地区,在夏天会达到 45°C,冬天则不低於 15°C,但是在中纬度与两极地区,最高温会达到 70°C,在中纬度最低温会达到 -40°C,两极则会到 -75°C。其主要的原因就是两极地区的大气湿度高、云层厚,造成其极端的气候状况。

另外与书中描写不同的,是降雨状态。书中的厄拉科斯没有降雨,但是依据气候模型的计算,在高纬度的夏天,还有山区与高原地区,还是有非常少量的降雨。也因为前述提到的极端温差,所以两极地区也不存在冰帽。

最後的问题,人类可以住在厄拉科斯吗?根据气候模型,人类最有可能居住在热带地区,而不是书中提到的中纬度:毕竟中高纬度才是最热的地方,也是最不适合人类居住的气温。如果有谁想要用岩石煎牛排,是可以考虑到中纬度一游吧?

虽然书中的描述与实际气候模拟的状况有一点落差,但是作者们也提到,《沙丘》原着出版时间早(1965 年),比真锅淑郎发表第一支地表模式早了整整四年,在这样的落差下,《沙丘》原着中对厄拉科斯的气候描述,虽与气候模型模拟的结果有部分落差,但并无大错。

Dr. Alexander Farnworth 给中文读者的话

笔者与撰写《沙丘》气候模拟的文章作者进行了一些交流,除了学术交流外,也荣幸邀请了作者给中文读者一些感言:

「从数十年前开始,我便一直是法兰克·赫伯特的作品《沙丘》的超级粉丝,而他也打开了从我童年时开始,对奇幻世界的眼界。这也让我有机会用一个科学家的角度,来重新检视童年时有对此世界的奇想。我希望就此成果,也能够一样能吸引更多的人来了解我们的气候是如何运作,知道为什麽要保护我们的星球,更希望能够激发更多下一代的气候学家。」[3]

I have been a massive fan of Frank Herbert’s Dune since childhood due to the fantastical world he first envisioned many decades ago, to be able to look at it as a scientist was a fantastic experience and brought back that childhood wonder. So, I hope this work equally inspires others to learn about how our climate works, how we should not take our planet for granted and maybe even inspires the next generation of climate scientists.

大气科学是一门很有趣的学问,人类仰望星空,是透过地球的大气层才有了闪烁的星光,也是有大气层才保护人类免受宇宙射线侵害。人类在埃及、商朝、伽立略等年代,都建立了对星体运动的了解,但大气动力学要一直等到纳维尔-斯托克斯方程出现後,才有飞跃般的进展,更惶论在能用数值模型解释气候、气象模型,以及人类拥有更精确、更大量的气象资料後,才能大量验证大气运动,进而改良大气模型,才能达到预测气象与气候推测(Climate Projection)的能力。但这非常需要大量的人力,以及大量的知识才能达到。

真锅淑郎博士在近六十年前,以少数人力建构了第一代的地表模式,而现在最新的《通用地表模式第五版(Community Land Model Ver. 5)》,是横跨多国的合作开发的模式[5],而这还只是地表模式,大气模型中还有形成云或雨的 Microphysics、辐射能量传导模式的 Radiative Transfering Scheme、解大气间传输的 Planetary Boudary Layer Physics、属海洋领域的洋流模式,属水文领域的三维地下水模型,以及用来进行数值解的计算流体动力学,更惶论日新月异的电脑资讯工程的发展,这些的确都需要未来学子们加入并一同改进,也是未来泛地球科学学门需要的生力军。

注解

  1. 2021 年上映的科幻电影《沙丘》旧译为《沙丘魔堡》。除了 1984 年大卫·林区所拍摄的初代电影使用旧译名称外,还有九零年代的同名即时战略游戏;游戏版的《沙丘魔堡II》,也是《终极动员令(Command & Conquer) 》创作公司Westwood的代表作之一。

参考资料

  1. Doyle, L. R., Carter, J. A., Fabrycky, D. C., Slawson, R. W., Howell, S. B., Winn, J. N., … & Fischer, D. (2011). Kepler-16: a transiting circumbinary planet. Science, 333(6049), 1602-1606.
  2. Farnwoth, A, Farnwoth, M, Steinig, S, 2021, Dune: we simulated the desert planet of Arrakis to see if humans could survive there. https://theconversation.com/dune-we-simulated-the-desert-planet-of-arrakis-to-see-if-humans-could-survive-there-170181?fbclid=IwAR2EhRwjxNsGtFdkZGic8SZRS7cOgQbjfFXt27PmGYyZoVLH3BpANma569g
  3. Farnworth, A, 2021, Personal Communication.
  4. Valdes, P. J., Armstrong, E., Badger, M. P. S., Bradshaw, C. D., Bragg, F., Crucifix, M., Davies-Barnard, T., Day, J. J., Farnsworth, A., Gordon, C., Hopcroft, P. O., Kennedy, A. T., Lord, N. S., Lunt, D. J., Marzocchi, A., Parry, L. M., Pope, V., Roberts, W. H. G., Stone, E. J., Tourte, G. J. L., and Williams, J. H. T.: The BRIDGE HadCM3 family of climate models: [email protected] v1.0, Geosci. Model Dev., 10, 3715–3743, https://doi.org/10.5194/gmd-10-3715-2017, 2017.
  5. Lawrence, D. M., Fisher, R. A., Koven, C. D., Oleson, K. W., Swenson, S. C., Bonan, G., … & Zeng, X. (2019). The Community Land Model version 5: Description of new features, benchmarking, and impact of forcing uncertainty. Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 11(12), 4245-4287.
    https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2018MS001583

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