《沙丘》是弗蘭克·赫伯特(Frank Herbert)創作的史詩科幻小說，現已被改編為同名電影上映。小說的故事發生在遙遠的未來，一顆沙漠星球厄拉科斯(Arrakis)上。赫伯特精雕細琢勾勒出了一個細節豐富的世界，它真實到我們乍一看，就可以想像自己正置身沙漠之中。
然而，假如真的存在這樣的世界，那它的真實情況會如小說和電影中展現的那樣嗎？
我們是專長於氣候模式的科學家，為了回答上述問題，我們用氣候模型模擬了厄拉科斯這顆沙漠星球。我們想知道小說中描繪的世界中的物理和環境，是否與真實的氣候模型相悖。
圖註：厄拉科斯氣候模型的可視化演示圖。在Climate Archive網站裏這是一個3D的球，可以自由旋轉和拖拽，在左側菜單可以選擇雲層、溫度、降水、風力等不同的顯示圖層。
做完這個模型以後，我們高興地發現赫伯特在書中所設想的環境竟然在很大程度上符合預期。雖然這是一個科幻小說，不過我們這些觀眾和讀者偶爾也需要給我們的懷疑按一下暫停鍵：人類可以在這顆沙漠行星上的絕大部分地區生存下去，就是會有些艱難。除此以外，我們還發現了厄拉科斯上一些很有趣的事。
如何建立一個奇幻世界？
如何建立一個沙漠星球的氣候模型？現在手頭上有一些常用於預測地球上天氣和氣候的氣候模型，我們就從這開始改起。在使用這些不同類別的模型之前，我們必須要先輸入從山脈走向到太陽輻射強度再到大氣成分物質組成的所有數據。然後這個模型就可以開始模擬氣候了，還會大致告訴你這顆行星上的天氣可能是什麼樣的。
首先，雖然這是科幻，我們還是先假設沙漠星球厄拉科斯影響天氣和氣候的基本物理定律和地球上的一般無二。當然，如果我們的模型呈現出一些匪夷所思和稀奇古怪的東西，這也有可能說明在厄拉科斯上物理定律和地球並不相同，或者弗蘭克赫伯特對厄拉科斯的幻想，只是幻想而已。
圖註：厄拉科斯的高度圖（以米為單位）來源：Farnsworth等人，作者提供
然後，我們需要根據小說和隨附的沙丘百科全書中所有找到的詳細信息，設定氣候模型關於厄拉科斯的特定參數，這些參數包括行星的地形和它的軌道。厄拉科斯的公轉軌道基本上是圓的，類似於今天的地球。行星軌道形狀也確實會很顯着地影響行星上的氣候——《權力的遊戲》裏的冬天漫長而又不規則，所謂的「凜冬將至」的原因，可能就是複雜的行星軌道造成的。
最後，我們要告訴模型厄拉科斯的大氣是由什麼組成的。儘管厄拉科斯上二氧化碳的含量相比地球而言略少（百萬分之350，而地球上是百萬分之417）一些，絕大多數成分和今天地球上的大氣組成非常相似。而最大的區別，卻是臭氧濃度：在地球上，靠近地表的大氣中臭氧濃度非常低，只有0.000001%左右；但在厄拉科斯上，這個數是0.5%。
大氣中臭氧佔比在氣候模型中非常重要。因為大氣中成分佔比其實是動態變化的，假如我們以20年為評估時間周期，臭氧的全球變暖潛能值比二氧化碳多約65倍。
圖註：厄拉科斯的大部分地區都是荒涼的沙漠。來源：Chiabella James/華納兄弟
在給模型輸入了所有必要的數據後，我們接下來要做的，就是坐下來靜靜等待，因為跑完這樣複雜的模型通常需要三個多星期的時間。我們需要一台巨大的超級計算機日夜不停地處理模擬厄拉科斯所需的繁複的計算。
最終，我們的發現也值得這麼久的等待。
這居然還很合理？
在小說和電影的描繪中，厄拉科斯是一顆擁有無情的火熱太陽與荒涼的沙石荒地的星球，是一顆需要「日出警告」的星球。但當你在厄拉科斯上向極地地區的城市阿拉肯（Arrakeen）和迦太基（Carthag）接近時，氣候開始變得宜人。
事實真的如此嗎？
氣候模型向我們講述了一個不同的故事。在我們的厄拉科斯氣候模型中，厄拉科斯熱帶地區最炎熱月份的溫度在45°C左右，而在最冷的月份，溫度也不會低於15°C。這和地球上的情形相去並不遠。在這顆沙漠星球上，極端溫度更多地出現在中緯度地區和極地地區。在極地地區，沙漠上夏天最高溫度可能高達70°C（書中也有提及）。那裏的冬天同樣極端，中緯度地區溫度可能會低至-40°C，而極地地區則會低至-75°C。
圖註：厄拉科斯的每月溫度分佈圖。極地地區冬天非常寒冷，夏天卻也非常炎熱。作者提供
在書中，厄拉科斯從來沒有下過雨。然而，我們的模型表明厄拉科斯上其實還是會有一些降水過程的，儘管量非常少。這些降水分佈僅局限於夏季和秋季高緯度地區的山區和高原上。在熱帶和極地地區，也許會有一些多多少少隨着季節變動的雲，但沒有雨。
作者在書中還提到，至少在北半球，存在着一些歷史悠久的極地冰蓋。這可能是小說與模型最大的不同之處了。在模型里，夏季的高溫足夠融化任何位於極地的冰蓋，並且到了冬天，也不會有降水讓這些冰蓋有機會發展壯大。
雖炎熱，但宜居
人類能在這樣一個沙漠星球上生存嗎？
首先，我們必須假設小說中和電影中的費里曼人等種族與今天的人類的耐熱能力比較相似。如果這樣的話，科學的結果和書、電影中描繪的情節恰恰相反，熱帶地區似乎才是厄拉科斯上最適合居住的地方。
由於熱帶地區空氣濕度很低，因此雖然這裏的氣溫很高，但永遠不會達到人類可生存的絕熱飽和溫度（濕球溫度，wet-bulb temperature）的上限——一種結合溫度和濕度的用于衡量「宜居性」的標準。通俗來講，濕球溫度就是當前環境僅通過蒸發水分所能達到的最低溫度。當環境溫度又高，而濕度又大時，人體就無法通過蒸發汗液的方式排出熱量了。
事實上，厄拉科斯上大多數人居住的中緯度地區，反而卻是最危險的地區。在低地，月平均氣溫通常在50-60°C以上，每日的最高氣溫甚至比這更高。顯然，這樣的高溫對人類來說是致命的。
電影中，在厄拉科斯上居住點以外區域活動的所有人都必須穿着「蒸餾服」。這套衣服給人體降溫，讓穿着者保持涼爽，並從出汗、排尿和呼吸的過程中回收身體水分並提供飲用水。在書中，厄拉科斯上沒有降水，沒有江河湖海，連大氣中都甚少有可以回收的水分，因此「蒸餾服」至關重要。
冬天，這顆沙漠星球在熱帶以外的其它區域會變得非常寒冷。雖然天氣熱有辦法熬過去了，但如果沒有相應科技，冬天的低溫也會讓此地變得不再宜居，像阿拉肯和迦太基這樣的非赤道地區的城市會同時遭受熱和冷兩方面的挑戰，幾乎可以看做是地球上西伯利亞部分地區氣候的更極端版。那裏有令人不適的炎熱夏季，也有冰冷刺骨的嚴寒冬季。
儘管我們提到了很多《沙丘》中不甚合理的地方，但要記住，赫伯特早在1965年就寫出了小說《沙丘》的第一部。兩年以後，諾貝爾獎獲得者真鍋淑郎才發表他開創性的第一個氣候模型的研究。那時的赫伯特沒有現代超級計算機的澎湃算力，甚至連現在常見的個人電腦都沒有。
鑑於此，他創造的沙漠世界，在六十年後的今天看來，真的已經很別致了。