Alex Farnsworth 是布里斯托大学气象学高级研究员；Michael Farnsworth 是谢菲尔德大学未来电气机械制造中心的首席研究员；Sebastian Steinig 是布里斯托大学古气候建模研究员。这篇文章最初发表在The Conversation。
弗兰克·赫伯特创作的科幻小说史诗系列《沙丘》，现已改编成同名电影，故事设定在遥远的未来，发生在沙漠星球阿拉吉斯。赫伯特描绘了一个细节丰富、乍一看仿佛真实可信的世界，让我们仿佛置身其中。
然而，如果这样的世界真的存在，它究竟会是什么样子呢？
我们是具有气候建模专业知识的科学家，因此我们模拟了阿拉吉斯的气候来找出答案。我们想知道这样一个世界的物理规律和环境是否能与真实的气候模型相媲美。
这是我们阿拉吉斯气候模型的可视化图
您可以在我们的网站 Climate Archive 上放大特定特征，并突出显示温度或风速等信息。
完成之后，我们非常高兴地发现，赫伯特设想的环境在很大程度上符合预期。我们可能需要偶尔忽略一些不合理之处，但阿拉吉斯的大部分地区确实可以居住，尽管不适宜。
如何构建像阿拉吉斯这样的幻想世界？
我们从一个常用于预测地球天气和气候的气候模型开始。要使用这类模型，您必须确定物理定律（就地球而言，这些定律是众所周知的），然后输入从山脉形状到太阳强度或大气成分的所有数据。然后，模型可以模拟气候，并大致告诉您天气可能是什么样子。
我们决定保留管理地球天气和气候的基本物理定律。如果我们的模型呈现出完全陌生和奇异的结果，这可能表明阿拉吉斯上的定律与地球不同，或者弗兰克·赫伯特对阿拉吉斯的奇幻设想仅仅是幻想。
接下来，我们需要根据主要小说和配套的《沙丘百科全书》中的详细信息，告诉气候模型关于阿拉吉斯的一些信息。这包括行星的地形和轨道，其轨道基本上是圆形的，类似于今天的地球。轨道的形状真的会影响气候：想想《权力的游戏》中漫长而不规则的冬天。
最后，我们告诉模型大气由什么组成。它的大部分与今天的地球相似，尽管二氧化碳含量较低（350 ppm，而我们是 417 ppm）。最大的区别是臭氧浓度。在地球上，低层大气中的臭氧含量非常少，仅占 0.000001% 左右。在阿拉吉斯，它占 0.5%。臭氧很重要，因为它在 20 年内比二氧化碳对大气变暖的效率高出约 65 倍。
输入所有必需的数据后，我们就坐下来等待。像这样复杂的模型需要时间来运行，在本例中超过三周。我们需要一台巨大的超级计算机来处理模拟阿拉吉斯所需的数十万次计算。然而，我们的发现是值得等待的。
阿拉吉斯的气候基本上是合理的
书籍和电影描述了一个太阳无情、荒凉的沙石地带的行星。然而，当您靠近极地地区，即阿拉基恩和卡塔格城市时，书中描绘的气候开始转变为可能被推断为更宜居的形态。
然而，我们的模型讲述了另一个故事。在我们阿拉吉斯模型中，热带地区最暖月份的温度约为 45°C，而在最冷月份，温度不会低于 15°C。这与地球相似。最极端的温度实际上会发生在温带和极地地区。这里的夏天，沙地温度可能高达 70°C（书中也有提及）。冬天同样极端，温带地区低至 -40°C，极地地区低至 -75°C。
这是反直觉的，因为赤道地区接收到的太阳能更多。然而，在模型中，阿拉吉斯极地地区拥有显著更多的水分和高云层，这有助于变暖气候，因为水蒸气是一种温室气体。
书中说阿拉吉斯没有降雨。然而，我们的模型确实表明，在夏季和秋季，在较高纬度地区，并且只在山脉和高原上，会发生少量降雨。热带和极地地区也会有一些云，这会因季节而异。
书中还提到，阿拉吉斯存在极地冰盖，至少在北半球是这样，而且已经存在了很长时间。但这也是书中与我们的模型差异最大的地方，我们的模型表明夏季温度会融化任何极地冰，而且冬天也不会有降雪来补充冰盖。
炎热但宜居
人类能在这样一个沙漠星球上生存吗？首先，我们必须假设书中和电影中类人生物与今天的人类具有相似的热耐受性。如果是这样，那么与书籍和电影相反，热带似乎是最宜居的地区。由于那里的湿度如此之低，可存活的湿球温度——衡量“宜居性”的指标，结合了温度和湿度——从未被超过。
温带地区，阿拉吉斯的大部分居民居住在那里，实际上是热量方面最危险的地区。在低洼地区，月平均温度经常超过 50°C 至 60°C，日最高温度甚至更高。这样的温度对人类来说是致命的。
我们确实知道，在阿拉吉斯除了宜居地区之外，所有类人生命都必须穿“蒸馏服”，该服装旨在保持穿着者凉爽，并通过排汗、排尿和呼吸回收身体水分，以提供饮用水。这一点很重要，因为书中指出阿拉吉斯没有降雨，没有不流动的水体，而且几乎没有可回收的大气水分。
除了热带地区，该星球还会变得非常寒冷，冬季温度如果没有技术支持也是无法生存的。像阿拉基恩和卡塔格这样的城市将面临热应激和寒冷应激的双重困扰，这比地球上的西伯利亚部分地区更为极端，西伯利亚部分地区既有令人不适的炎热夏天，也有极其寒冷的冬天。
重要的是要记住，赫伯特早在 1965 年就写了第一部《沙丘》小说。这比最近的诺贝尔奖得主 Syukuro Manabe 发表他开创性的第一个气候模型早了两年，而且赫伯特没有现代超级计算机，甚至没有任何计算机的优势。考虑到这一点，他创造的世界在六十年后看起来仍然非常一致。
作者修改了一个广泛用于系外行星研究的气候模型，并将其应用于《沙丘》中的行星。这项工作是在他们业余时间进行的，旨在作为一项适当的科普活动，展示气候科学家如何使用数学模型来更好地理解我们的世界和系外行星。这项工作将为未来关于沙漠世界和系外行星的学术成果提供素材。
