传世画作里的气象密码

赣江

艺术科学巧融会

在人类历史上，由于受到科学技术不发达的限制，大部分时间里都没有任何工具可以用于测量空气质量。但最新的科学研究表明，伟大的画家的传世画作或许能够帮助我们了解过去的大气污染情况。

约瑟夫·特纳是英国历史上最伟大的画家之一，他大胆地用丰富的色彩来表达光的效果，使水彩画发生了深刻变化，在绘画的色彩处理上有些方面已经呈现出印象派的某些画法，因此有印象派先驱者之称。特纳一生创作了几百幅油画、几千幅水彩画和速写，给英国艺坛带来了巨大的活力，与此同时他的作品以氛围渲染恰到好处和视觉把握精准无误而著称。

然而科学家们在研究之后惊呼，特纳的杰作之所以令人惊叹不已还另有原因，那就是可以帮助现代人更好地了解地球曾经出现过的环境污染程度。

由希腊雅典科学院国家气象台的大气物理学教授克里斯多斯·S· 泽勒弗斯领导的国际研究小组发现，通过研究特纳等人画作中的天空景象，将画作中的颜色和气溶胶光学厚度联系在一起，或许可以分析出历史上的大气污染时间、 程度与原因。他们认为，特纳等画家的作品准确地记录了空气中的化学物质，其中的关键就在绘画大师描绘日落时所使用的颜色。

该项研究结果的报告发表在了《大气化学和物理学杂志》上，引起了普遍的关注。泽勒弗斯在报告中指出，在过去的100年中，大气中的悬浮颗粒物浓度一直呈上升趋势。他认为，由自然原因和人为原因造成的大气中粉尘含量上升，会阻碍阳光进入大气层，导致全球变暗。与此同时，地球表面接收到的热量减少，从而产生冷却效应。

日落颜色有讲究

泽勒弗斯的国际研究小组对181 位著名画家在1500年至2000年间创作的554幅描绘日落景象的名画进行了仔细分析，在这500年期间地球上有50多次大型火山发生了喷发现象。研究结果显示，当1815年印度尼西亚的坦博拉火山喷发时，画家们发现天空的颜色发生了变化。火山喷发释放出来的火山灰和气体飘散到了大气中，并逐渐飘向全世界。由于这些火山灰和气溶胶粒子比通常折射了更多阳光，因此在火山喷发之后的三年，画家们通常使用亮红色和橘色来描绘欧洲的日落情景，让艺术与科学不可思议地融会交织在一起，创作出史上天空最红的一大批画作，反映了真实的气候环境。

坦博拉火山位于印度尼西亚的松巴哇岛，是一座复合型火山。它1815 年4月5日开始爆发，持续到7月中旬。爆发的火山伴着轰轰的巨响，在2500千米之外都能听到。火山不断向高空喷出火山灰和气体，高度达45千米，厚重的火山灰在随后三天完全笼罩了周围480千米范围内的天空。4月12日中午时分，距火山几百千米以外的爪哇岛天空黑得几乎伸手不见五指。火山直到7月15日才停止喷射气体和火山灰，熔岩流从火山口倾泻而下，在淹没了山脚下大片农田后流入海中，激起冲天水雾。火山爆发时伴随的地震使海底地壳沉陷，引起了海啸， 滔天巨浪将位于火山旁的坦博拉镇夷为平地。

坦博拉火山这次爆发的指数（VEI）为7，属于超级“普林尼式喷发”，是世界上有历史记载的最大的一次火山爆发。在整个爆发过程中，火山上部失去了700亿吨山体，形成了一个直径达6000多米、深700米的巨大火山口。当烟雾消散以后，只见整个火山已“喷掉了山顶”，高度从4100米减为2850米。喷出150～170立方千米火山灰，释放的能量可能达到了8亿吨TNT，相当于第二次世界大战末期美国投在日本的那颗小男孩原子弹爆炸威力的6.2万倍。火山喷出的火山灰总共有600 亿吨之多，堆积厚度由近向远逐渐变薄，火山灰在距火山400千米的地方仍有22厘米厚。坦博拉火山爆发影响了整个世界一年多的气候状况，平均气温下降 0.53摄氏度，造成全球气候异常，远至北美洲和欧洲的气候也深受影响。1816年成为“无夏之年”，北半球农作物歉收，家畜死亡，导致19世纪最严重的饥荒。坦博拉火山爆发使10000多人丧生，另外60000余人死于饥饿和疾病。

如实记录道真情

特纳是描绘当时日落景象的绘画大师之一，科学家们对他和其他画家的作品进行研究，试图从中找出过去大气成分的相关信息。1829年，特纳在英国英格兰南部城市奇切斯特附近的佩特沃斯创造出了著名画作《湖边，打斗的雄鹿》，这幅杰作清楚地展示了科学家们想要的效果。

“大自然向伟大艺术家的心灵和灵魂传达信息，但是我们也发现，他们在描绘日落时大脑中预想的绿色和红色包含了重要的环境信息。”泽勒弗斯表示，“在能够用仪器测量之前，油画提供了对那时大气中悬浮颗粒的可靠评估。”

泽勒弗斯和他的同事们对16世纪以来这500多幅描绘日落景象名画的高质量数码照片进行研究，试图从中找出每幅画沿着地平线的红色和绿色的使用频率能否提供大气中气溶胶粒子数量的信息。

“我们发现，不管是哪位画家还是哪一种画派，大师们在绘画日落景象时所使用的红色和绿色的比例都与大气中的火山气溶胶有关。他们的画作基本上都能忠实地反映出过去5个世纪中全球50多次大型火山喷发后大气污染的状况。”泽勒弗斯解释道，“受到火山灰污染严重的天空区域发散的太阳光更多，因此看起来会更红。而矿物产生的或者人类产生的气溶胶，也会起到同样的效果。”

在德国早期浪漫主义风景画家卡斯帕·弗里德里希1818年创作的画作《夕阳前的妇女》和英国著名水彩画家约翰·克罗姆1816年创作的《诺维奇附近的风车》中，深赭色的天空映入眼帘。可以断定这不是画家的夸张，而完全有可能是真实写照。当时火山爆发散射的微小颗粒飘入高空，让欧洲的落日持续3年呈现出鲜红的颜色。

科学家们注意到，欧洲画家们笔下的夕阳自从工业革命开始变得越来越红，即使没有出现火山爆发的情况也是如此。他们由此得出结论，在过去的150年中，画家们在不经意间捕捉到了当时欧洲大气污染不断增长的变化，并且将其如实地记录下来。

古为今用帮助大

气溶胶是由固体或液体小质点分散并悬浮在气体介质中形成的胶体分散体系，又称气体分散体系。它包括大气气溶胶和人造气溶胶两大类，其中大气气溶胶对地球环境和气候变化有着极其重要的影响，人工制造的气溶胶广泛应用于工业、农业、医药及国防领域。

大气气溶胶又称颗粒物，指悬浮在大气中的液态或固态粒子，主要包括六大类7种气溶胶粒子：沙尘气溶胶、碳气溶胶（黑碳和有机碳气溶胶） 、硫酸盐气溶胶、硝酸盐气溶胶、铵盐气溶胶和海盐气溶胶。它们能作为水滴和冰晶的凝结核（见大气凝结核、大气冰核）、太阳辐射的吸收体和散射体，并参与各种化学循环，是大气的重要组成部分。雾、烟、霾、轻雾、微尘和烟雾等都是天然的或人为的原因造成的大气气溶胶。

气溶胶光学厚度定义为介质的消光系数在垂直方向上的积分，用于描述气溶胶对光的衰减作用。它是气溶胶的光学属性之一，表示的是单位截面的垂直气柱上的透过率，有时候又叫大气混浊度。数值范围在0～1之间，0代表完全不透明大气，1代表完全透明的大气，气溶胶光学厚度越大，大气透过率越低。值的大小主要由气溶胶质粒的数密度、尺度分布、气溶胶类型等物理、光学属性来决定。

含有较高量气溶胶的太空具有较高的气溶胶光学厚度，这是研究团队计算出来的用于画作中红色和绿色比例的一个参数。他们用这些数值与冰芯和“火山爆炸”的数据进行比较，从中找到很好的相关性。

为了进一步验证他们的发现，泽勒弗斯和他的研究团队请来一位画家，创作了一幅反映2010 年6月撒哈拉尘云笼罩期间和之后九头蛇岛的日落画作。九头蛇岛是希腊著名景点，岛上没有汽车，空气十分清新。对这次沙尘暴事件，画家并不知情。然后科学家把用现代仪器测量到的当时撒哈拉沙尘暴气溶胶光学厚度的数据，和这幅作品以及以前大师画作数码照片上估计的红色和绿色比例进行比对，发现它们完全匹配。

2010年6月1日，非洲撒哈拉沙漠的沙尘在强劲东风的吹拂下，飞越大西洋上空，抵达南美洲。这条看起来细小的沙尘带事实上相当庞大，而且非常重要。每年北半球的冬天，沙尘暴会从撒哈拉沙漠卷走大约4000万吨的沙尘，并一直吹到南美洲亚马逊河盆地。

气溶胶光学厚度可直接用于气候模型，对此参数的估计有助于研究人员了解气溶胶在过去如何影响了地球的气候，提高未来气候变化的预测水平。“我们希望提供一种可供选择的方法，用以研究和利用过去大气环境的信息。”泽勒弗斯博士在谈到这项研究的目的时说，“因年代久远，时过境迁，这些古老的信息是无法用仪器测量到的。”

美国科罗拉多州立大学化学和大气科学教授A·R· 拉维山卡拉评价说，泽勒弗斯和他的研究小组对特纳和其他几名同期画家的作品做进一步研究，并试图通过测量画家描绘晚霞时所使用的红绿颜色的配比，计算出大气中粉尘含量的变化。这项创新型的科学研究表明，伟大的画家或许能够帮助我们了解过去的大气污染情况，让我们更好地重建地球温度的变化，探索气候变化的规律。