傳世畫作里的氣象密碼

贛江

藝術科學巧融會

在人類歷史上，由于受到科學技術不發達的限制，大部分時間里都沒有任何工具可以用于測量空氣質量。但最新的科學研究表明，偉大的畫家的傳世畫作或許能夠幫助我們了解過去的大氣污染情況。

約瑟夫·特納是英國歷史上最偉大的畫家之一，他大膽地用豐富的色彩來表達光的效果，使水彩畫發生了深刻變化，在繪畫的色彩處理上有些方面已經呈現出印象派的某些畫法，因此有印象派先驅者之稱。特納一生創作了幾百幅油畫、幾千幅水彩畫和速寫，給英國藝壇帶來了巨大的活力，與此同時他的作品以氛圍渲染恰到好處和視覺把握精準無誤而著稱。

然而科學家們在研究之后驚呼，特納的杰作之所以令人驚嘆不已還另有原因，那就是可以幫助現代人更好地了解地球曾經出現過的環境污染程度。

由希臘雅典科學院國家氣象臺的大氣物理學教授克里斯多斯·S· 澤勒弗斯領導的國際研究小組發現，通過研究特納等人畫作中的天空景象，將畫作中的顏色和氣溶膠光學厚度聯系在一起，或許可以分析出歷史上的大氣污染時間、 程度與原因。他們認為，特納等畫家的作品準確地記錄了空氣中的化學物質，其中的關鍵就在繪畫大師描繪日落時所使用的顏色。

該項研究結果的報告發表在了《大氣化學和物理學雜志》上，引起了普遍的關注。澤勒弗斯在報告中指出，在過去的100年中，大氣中的懸浮顆粒物濃度一直呈上升趨勢。他認為，由自然原因和人為原因造成的大氣中粉塵含量上升，會阻礙陽光進入大氣層，導致全球變暗。與此同時，地球表面接收到的熱量減少，從而產生冷卻效應。

日落顏色有講究

澤勒弗斯的國際研究小組對181 位著名畫家在1500年至2000年間創作的554幅描繪日落景象的名畫進行了仔細分析，在這500年期間地球上有50多次大型火山發生了噴發現象。研究結果顯示，當1815年印度尼西亞的坦博拉火山噴發時，畫家們發現天空的顏色發生了變化。火山噴發釋放出來的火山灰和氣體飄散到了大氣中，并逐漸飄向全世界。由于這些火山灰和氣溶膠粒子比通常折射了更多陽光，因此在火山噴發之后的三年，畫家們通常使用亮紅色和橘色來描繪歐洲的日落情景，讓藝術與科學不可思議地融會交織在一起，創作出史上天空最紅的一大批畫作，反映了真實的氣候環境。

坦博拉火山位于印度尼西亞的松巴哇島，是一座復合型火山。它1815 年4月5日開始爆發，持續到7月中旬。爆發的火山伴著轟轟的巨響，在2500千米之外都能聽到。火山不斷向高空噴出火山灰和氣體，高度達45千米，厚重的火山灰在隨后三天完全籠罩了周圍480千米范圍內的天空。4月12日中午時分，距火山幾百千米以外的爪哇島天空黑得幾乎伸手不見五指。火山直到7月15日才停止噴射氣體和火山灰，熔巖流從火山口傾瀉而下，在淹沒了山腳下大片農田后流入海中，激起沖天水霧。火山爆發時伴隨的地震使海底地殼沉陷，引起了海嘯， 滔天巨浪將位于火山旁的坦博拉鎮夷為平地。

坦博拉火山這次爆發的指數（VEI）為7，屬于超級“普林尼式噴發”，是世界上有歷史記載的最大的一次火山爆發。在整個爆發過程中，火山上部失去了700億噸山體，形成了一個直徑達6000多米、深700米的巨大火山口。當煙霧消散以后，只見整個火山已“噴掉了山頂”，高度從4100米減為2850米。噴出150～170立方千米火山灰，釋放的能量可能達到了8億噸TNT，相當于第二次世界大戰末期美國投在日本的那顆小男孩原子彈爆炸威力的6.2萬倍。火山噴出的火山灰總共有600 億噸之多，堆積厚度由近向遠逐漸變薄，火山灰在距火山400千米的地方仍有22厘米厚。坦博拉火山爆發影響了整個世界一年多的氣候狀況，平均氣溫下降 0.53攝氏度，造成全球氣候異常，遠至北美洲和歐洲的氣候也深受影響。1816年成為“無夏之年”，北半球農作物歉收，家畜死亡，導致19世紀最嚴重的饑荒。坦博拉火山爆發使10000多人喪生，另外60000余人死于饑餓和疾病。

如實記錄道真情

特納是描繪當時日落景象的繪畫大師之一，科學家們對他和其他畫家的作品進行研究，試圖從中找出過去大氣成分的相關信息。1829年，特納在英國英格蘭南部城市奇切斯特附近的佩特沃斯創造出了著名畫作《湖邊，打斗的雄鹿》，這幅杰作清楚地展示了科學家們想要的效果。

“大自然向偉大藝術家的心靈和靈魂傳達信息，但是我們也發現，他們在描繪日落時大腦中預想的綠色和紅色包含了重要的環境信息。”澤勒弗斯表示，“在能夠用儀器測量之前，油畫提供了對那時大氣中懸浮顆粒的可靠評估。”

澤勒弗斯和他的同事們對16世紀以來這500多幅描繪日落景象名畫的高質量數碼照片進行研究，試圖從中找出每幅畫沿著地平線的紅色和綠色的使用頻率能否提供大氣中氣溶膠粒子數量的信息。

“我們發現，不管是哪位畫家還是哪一種畫派，大師們在繪畫日落景象時所使用的紅色和綠色的比例都與大氣中的火山氣溶膠有關。他們的畫作基本上都能忠實地反映出過去5個世紀中全球50多次大型火山噴發后大氣污染的狀況。”澤勒弗斯解釋道，“受到火山灰污染嚴重的天空區域發散的太陽光更多，因此看起來會更紅。而礦物產生的或者人類產生的氣溶膠，也會起到同樣的效果。”

在德國早期浪漫主義風景畫家卡斯帕·弗里德里希1818年創作的畫作《夕陽前的婦女》和英國著名水彩畫家約翰·克羅姆1816年創作的《諾維奇附近的風車》中，深赭色的天空映入眼簾。可以斷定這不是畫家的夸張，而完全有可能是真實寫照。當時火山爆發散射的微小顆粒飄入高空，讓歐洲的落日持續3年呈現出鮮紅的顏色。

科學家們注意到，歐洲畫家們筆下的夕陽自從工業革命開始變得越來越紅，即使沒有出現火山爆發的情況也是如此。他們由此得出結論，在過去的150年中，畫家們在不經意間捕捉到了當時歐洲大氣污染不斷增長的變化，并且將其如實地記錄下來。

古為今用幫助大

氣溶膠是由固體或液體小質點分散并懸浮在氣體介質中形成的膠體分散體系，又稱氣體分散體系。它包括大氣氣溶膠和人造氣溶膠兩大類，其中大氣氣溶膠對地球環境和氣候變化有著極其重要的影響，人工制造的氣溶膠廣泛應用于工業、農業、醫藥及國防領域。

大氣氣溶膠又稱顆粒物，指懸浮在大氣中的液態或固態粒子，主要包括六大類7種氣溶膠粒子：沙塵氣溶膠、碳氣溶膠（黑碳和有機碳氣溶膠） 、硫酸鹽氣溶膠、硝酸鹽氣溶膠、銨鹽氣溶膠和海鹽氣溶膠。它們能作為水滴和冰晶的凝結核（見大氣凝結核、大氣冰核）、太陽輻射的吸收體和散射體，并參與各種化學循環，是大氣的重要組成部分。霧、煙、霾、輕霧、微塵和煙霧等都是天然的或人為的原因造成的大氣氣溶膠。

氣溶膠光學厚度定義為介質的消光系數在垂直方向上的積分，用于描述氣溶膠對光的衰減作用。它是氣溶膠的光學屬性之一，表示的是單位截面的垂直氣柱上的透過率，有時候又叫大氣混濁度。數值范圍在0～1之間，0代表完全不透明大氣，1代表完全透明的大氣，氣溶膠光學厚度越大，大氣透過率越低。值的大小主要由氣溶膠質粒的數密度、尺度分布、氣溶膠類型等物理、光學屬性來決定。

含有較高量氣溶膠的太空具有較高的氣溶膠光學厚度，這是研究團隊計算出來的用于畫作中紅色和綠色比例的一個參數。他們用這些數值與冰芯和“火山爆炸”的數據進行比較，從中找到很好的相關性。

為了進一步驗證他們的發現，澤勒弗斯和他的研究團隊請來一位畫家，創作了一幅反映2010 年6月撒哈拉塵云籠罩期間和之后九頭蛇島的日落畫作。九頭蛇島是希臘著名景點，島上沒有汽車，空氣十分清新。對這次沙塵暴事件，畫家并不知情。然后科學家把用現代儀器測量到的當時撒哈拉沙塵暴氣溶膠光學厚度的數據，和這幅作品以及以前大師畫作數碼照片上估計的紅色和綠色比例進行比對，發現它們完全匹配。

2010年6月1日，非洲撒哈拉沙漠的沙塵在強勁東風的吹拂下，飛越大西洋上空，抵達南美洲。這條看起來細小的沙塵帶事實上相當龐大，而且非常重要。每年北半球的冬天，沙塵暴會從撒哈拉沙漠卷走大約4000萬噸的沙塵，并一直吹到南美洲亞馬遜河盆地。

氣溶膠光學厚度可直接用于氣候模型，對此參數的估計有助于研究人員了解氣溶膠在過去如何影響了地球的氣候，提高未來氣候變化的預測水平。“我們希望提供一種可供選擇的方法，用以研究和利用過去大氣環境的信息。”澤勒弗斯博士在談到這項研究的目的時說，“因年代久遠，時過境遷，這些古老的信息是無法用儀器測量到的。”

美國科羅拉多州立大學化學和大氣科學教授A·R· 拉維山卡拉評價說，澤勒弗斯和他的研究小組對特納和其他幾名同期畫家的作品做進一步研究，并試圖通過測量畫家描繪晚霞時所使用的紅綠顏色的配比，計算出大氣中粉塵含量的變化。這項創新型的科學研究表明，偉大的畫家或許能夠幫助我們了解過去的大氣污染情況，讓我們更好地重建地球溫度的變化，探索氣候變化的規律。