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藝術(shù)科學(xué)巧融會(huì)

在人類(lèi)歷史上，由于受到科學(xué)技術(shù)不發(fā)達(dá)的限制，大部分時(shí)間里都沒(méi)有任何工具可以用于測(cè)量空氣質(zhì)量。但最新的科學(xué)研究表明，偉大的畫(huà)家的傳世畫(huà)作或許能夠幫助我們了解過(guò)去的大氣污染情況。

約瑟夫·特納是英國(guó)歷史上最偉大的畫(huà)家之一，他大膽地用豐富的色彩來(lái)表達(dá)光的效果，使水彩畫(huà)發(fā)生了深刻變化，在繪畫(huà)的色彩處理上有些方面已經(jīng)呈現(xiàn)出印象派的某些畫(huà)法，因此有印象派先驅(qū)者之稱(chēng)。特納一生創(chuàng)作了幾百幅油畫(huà)、幾千幅水彩畫(huà)和速寫(xiě)，給英國(guó)藝壇帶來(lái)了巨大的活力，與此同時(shí)他的作品以氛圍渲染恰到好處和視覺(jué)把握精準(zhǔn)無(wú)誤而著稱(chēng)。

然而科學(xué)家們?cè)谘芯恐篌@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(xiàn)代人更好地了解地球曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)的環(huán)境污染程度。

由希臘雅典科學(xué)院國(guó)家氣象臺(tái)的大氣物理學(xué)教授克里斯多斯·S· 澤勒弗斯領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究小組發(fā)現(xiàn)，通過(guò)研究特納等人畫(huà)作中的天空景象，將畫(huà)作中的顏色和氣溶膠光學(xué)厚度聯(lián)系在一起，或許可以分析出歷史上的大氣污染時(shí)間、 程度與原因。他們認(rèn)為，特納等畫(huà)家的作品準(zhǔn)確地記錄了空氣中的化學(xué)物質(zhì)，其中的關(guān)鍵就在繪畫(huà)大師描繪日落時(shí)所使用的顏色。

該項(xiàng)研究結(jié)果的報(bào)告發(fā)表在了《大氣化學(xué)和物理學(xué)雜志》上，引起了普遍的關(guān)注。澤勒弗斯在報(bào)告中指出，在過(guò)去的100年中，大氣中的懸浮顆粒物濃度一直呈上升趨勢(shì)。他認(rèn)為，由自然原因和人為原因造成的大氣中粉塵含量上升，會(huì)阻礙陽(yáng)光進(jìn)入大氣層，導(dǎo)致全球變暗。與此同時(shí)，地球表面接收到的熱量減少，從而產(chǎn)生冷卻效應(yīng)。

日落顏色有講究

澤勒弗斯的國(guó)際研究小組對(duì)181 位著名畫(huà)家在1500年至2000年間創(chuàng)作的554幅描繪日落景象的名畫(huà)進(jìn)行了仔細(xì)分析，在這500年期間地球上有50多次大型火山發(fā)生了噴發(fā)現(xiàn)象。研究結(jié)果顯示，當(dāng)1815年印度尼西亞的坦博拉火山噴發(fā)時(shí)，畫(huà)家們發(fā)現(xiàn)天空的顏色發(fā)生了變化?；鹕絿姲l(fā)釋放出來(lái)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(yáng)光，因此在火山噴發(fā)之后的三年，畫(huà)家們通常使用亮紅色和橘色來(lái)描繪歐洲的日落情景，讓藝術(shù)與科學(xué)不可思議地融會(huì)交織在一起，創(chuàng)作出史上天空最紅的一大批畫(huà)作，反映了真實(shí)的氣候環(huán)境。

坦博拉火山位于印度尼西亞的松巴哇島，是一座復(fù)合型火山。它1815 年4月5日開(kāi)始爆發(fā)，持續(xù)到7月中旬。爆發(fā)的火山伴著轟轟的巨響，在2500千米之外都能聽(tīng)到。火山不斷向高空噴出火山灰和氣體，高度達(dá)45千米，厚重的火山灰在隨后三天完全籠罩了周?chē)?80千米范圍內(nèi)的天空。4月12日中午時(shí)分，距火山幾百千米以外的爪哇島天空黑得幾乎伸手不見(jiàn)五指?；鹕街钡?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(méi)了山腳下大片農(nóng)田后流入海中，激起沖天水霧?；鹕奖l(fā)時(shí)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(zhèn)夷為平地。

坦博拉火山這次爆發(fā)的指數(shù)（VEI）為7，屬于超級(jí)“普林尼式噴發(fā)”，是世界上有歷史記載的最大的一次火山爆發(fā)。在整個(gè)爆發(fā)過(guò)程中，火山上部失去了700億噸山體，形成了一個(gè)直徑達(dá)6000多米、深700米的巨大火山口。當(dāng)煙霧消散以后，只見(jiàn)整個(gè)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(dá)到了8億噸TNT，相當(dāng)于第二次世界大戰(zhàn)末期美國(guó)投在日本的那顆小男孩原子彈爆炸威力的6.2萬(wàn)倍?；鹕絿姵龅幕鹕交铱偣灿?00 億噸之多，堆積厚度由近向遠(yuǎn)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(fā)影響了整個(gè)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(yuǎn)至北美洲和歐洲的氣候也深受影響。1816年成為“無(wú)夏之年”，北半球農(nóng)作物歉收，家畜死亡，導(dǎo)致19世紀(jì)最嚴(yán)重的饑荒。坦博拉火山爆發(fā)使10000多人喪生，另外60000余人死于饑餓和疾病。

如實(shí)記錄道真情

特納是描繪當(dāng)時(shí)日落景象的繪畫(huà)大師之一，科學(xué)家們對(duì)他和其他畫(huà)家的作品進(jìn)行研究，試圖從中找出過(guò)去大氣成分的相關(guān)信息。1829年，特納在英國(guó)英格蘭南部城市奇切斯特附近的佩特沃斯創(chuàng)造出了著名畫(huà)作《湖邊，打斗的雄鹿》，這幅杰作清楚地展示了科學(xué)家們想要的效果。

“大自然向偉大藝術(shù)家的心靈和靈魂傳達(dá)信息，但是我們也發(fā)現(xiàn)，他們?cè)诿枥L日落時(shí)大腦中預(yù)想的綠色和紅色包含了重要的環(huán)境信息?！睗衫崭ニ贡硎荆霸谀軌蛴脙x器測(cè)量之前，油畫(huà)提供了對(duì)那時(shí)大氣中懸浮顆粒的可靠評(píng)估?！?/p>

澤勒弗斯和他的同事們對(duì)16世紀(jì)以來(lái)這500多幅描繪日落景象名畫(huà)的高質(zhì)量數(shù)碼照片進(jìn)行研究，試圖從中找出每幅畫(huà)沿著地平線(xiàn)的紅色和綠色的使用頻率能否提供大氣中氣溶膠粒子數(shù)量的信息。

“我們發(fā)現(xiàn)，不管是哪位畫(huà)家還是哪一種畫(huà)派，大師們?cè)诶L畫(huà)日落景象時(shí)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(guān)。他們的畫(huà)作基本上都能忠實(shí)地反映出過(guò)去5個(gè)世紀(jì)中全球50多次大型火山噴發(fā)后大氣污染的狀況。”澤勒弗斯解釋道，“受到火山灰污染嚴(yán)重的天空區(qū)域發(fā)散的太陽(yáng)光更多，因此看起來(lái)會(huì)更紅。而礦物產(chǎn)生的或者人類(lèi)產(chǎn)生的氣溶膠，也會(huì)起到同樣的效果?！?/p>

在德國(guó)早期浪漫主義風(fēng)景畫(huà)家卡斯帕·弗里德里希1818年創(chuàng)作的畫(huà)作《夕陽(yáng)前的婦女》和英國(guó)著名水彩畫(huà)家約翰·克羅姆1816年創(chuàng)作的《諾維奇附近的風(fēng)車(chē)》中，深赭色的天空映入眼簾。可以斷定這不是畫(huà)家的夸張，而完全有可能是真實(shí)寫(xiě)照。當(dāng)時(shí)火山爆發(fā)散射的微小顆粒飄入高空，讓歐洲的落日持續(xù)3年呈現(xiàn)出鮮紅的顏色。

科學(xué)家們注意到，歐洲畫(huà)家們筆下的夕陽(yáng)自從工業(yè)革命開(kāi)始變得越來(lái)越紅，即使沒(méi)有出現(xiàn)火山爆發(fā)的情況也是如此。他們由此得出結(jié)論，在過(guò)去的150年中，畫(huà)家們?cè)诓唤?jīng)意間捕捉到了當(dāng)時(shí)歐洲大氣污染不斷增長(zhǎng)的變化，并且將其如實(shí)地記錄下來(lái)。

古為今用幫助大

氣溶膠是由固體或液體小質(zhì)點(diǎn)分散并懸浮在氣體介質(zhì)中形成的膠體分散體系，又稱(chēng)氣體分散體系。它包括大氣氣溶膠和人造氣溶膠兩大類(lèi)，其中大氣氣溶膠對(duì)地球環(huán)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(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥及國(guó)防領(lǐng)域。

大氣氣溶膠又稱(chēng)顆粒物，指懸浮在大氣中的液態(tài)或固態(tài)粒子，主要包括六大類(lèi)7種氣溶膠粒子：沙塵氣溶膠、碳?xì)馊苣z（黑碳和有機(jī)碳?xì)馊苣z） 、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(jié)核（見(jiàn)大氣凝結(jié)核、大氣冰核）、太陽(yáng)輻射的吸收體和散射體，并參與各種化學(xué)循環(huán)，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(xué)厚度定義為介質(zhì)的消光系數(shù)在垂直方向上的積分，用于描述氣溶膠對(duì)光的衰減作用。它是氣溶膠的光學(xué)屬性之一，表示的是單位截面的垂直氣柱上的透過(guò)率，有時(shí)候又叫大氣混濁度。數(shù)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(xué)厚度越大，大氣透過(guò)率越低。值的大小主要由氣溶膠質(zhì)粒的數(shù)密度、尺度分布、氣溶膠類(lèi)型等物理、光學(xué)屬性來(lái)決定。

含有較高量氣溶膠的太空具有較高的氣溶膠光學(xué)厚度，這是研究團(tuán)隊(duì)計(jì)算出來(lái)的用于畫(huà)作中紅色和綠色比例的一個(gè)參數(shù)。他們用這些數(shù)值與冰芯和“火山爆炸”的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從中找到很好的相關(guān)性。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證他們的發(fā)現(xiàn)，澤勒弗斯和他的研究團(tuán)隊(duì)請(qǐng)來(lái)一位畫(huà)家，創(chuàng)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(huà)作。九頭蛇島是希臘著名景點(diǎn)，島上沒(méi)有汽車(chē)，空氣十分清新。對(duì)這次沙塵暴事件，畫(huà)家并不知情。然后科學(xué)家把用現(xiàn)代儀器測(cè)量到的當(dāng)時(shí)撒哈拉沙塵暴氣溶膠光學(xué)厚度的數(shù)據(jù)，和這幅作品以及以前大師畫(huà)作數(shù)碼照片上估計(jì)的紅色和綠色比例進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)它們完全匹配。

2010年6月1日，非洲撒哈拉沙漠的沙塵在強(qiáng)勁東風(fēng)的吹拂下，飛越大西洋上空，抵達(dá)南美洲。這條看起來(lái)細(xì)小的沙塵帶事實(shí)上相當(dāng)龐大，而且非常重要。每年北半球的冬天，沙塵暴會(huì)從撒哈拉沙漠卷走大約4000萬(wàn)噸的沙塵，并一直吹到南美洲亞馬遜河盆地。

氣溶膠光學(xué)厚度可直接用于氣候模型，對(duì)此參數(shù)的估計(jì)有助于研究人員了解氣溶膠在過(guò)去如何影響了地球的氣候，提高未來(lái)氣候變化的預(yù)測(cè)水平?！拔覀兿Ｍ峁┮环N可供選擇的方法，用以研究和利用過(guò)去大氣環(huán)境的信息?！睗衫崭ニ共┦吭谡劦竭@項(xiàng)研究的目的時(shí)說(shuō)，“因年代久遠(yuǎn)，時(shí)過(guò)境遷，這些古老的信息是無(wú)法用儀器測(cè)量到的?！?/p>

美國(guó)科羅拉多州立大學(xué)化學(xué)和大氣科學(xué)教授A·R· 拉維山卡拉評(píng)價(jià)說(shuō)，澤勒弗斯和他的研究小組對(duì)特納和其他幾名同期畫(huà)家的作品做進(jìn)一步研究，并試圖通過(guò)測(cè)量畫(huà)家描繪晚霞時(shí)所使用的紅綠顏色的配比，計(jì)算出大氣中粉塵含量的變化。這項(xiàng)創(chuàng)新型的科學(xué)研究表明，偉大的畫(huà)家或許能夠幫助我們了解過(guò)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(guī)律。