莫高窟108窟内空气温湿度的变化过程及其对窟内水汽和热量来源的启示

周启友，李禾澍，王 冬，王彦武

(1. 南京大学地球科学与工程学院，江苏南京 210046； 2. 敦煌研究院保护研究所，甘肃敦煌 736200)

0 引 言

位于敦煌市东南25km处的莫高窟是我国首批全国重点文物保护单位和首批世界文化遗产，它以其精美的绘画、彩塑以及丰富的文化宝藏而闻名于世。但在建窟之后1650多年的今天，莫高窟的洞窟壁画和彩塑却面临着不同程度的盐害问题，一直困扰着洞窟的保护工作。这些盐害问题包括：疱疹(可溶盐在地仗层和颜料层间富集并推顶颜料层呈疱状凸起)、酥碱(盐分在壁画表面富集形成的结晶)、起甲(壁画颜料层、底色层呈气泡状鼓起、破裂和卷曲起翘)等。究其根本原因是水、盐和气体在墙体、地仗以及窟内空间运移并在地仗层盐分浓缩结晶的结果。事实上，早在1995年张明泉等[1]就指出，是水盐运移导致了壁画地仗层中的病害。陈港泉等[2]对莫高窟第351窟壁画疱疹的研究表明，由于水的侵入而将大量的盐分带入，水分蒸发后盐分结晶而形成了疱疹。靳治良等[3]对壁画酥碱的研究也表明酥碱中盐分结晶的析出是伴随着水分蒸发而发生的结果。

因此，要解决壁画的盐害问题，就需要从根本上查明洞窟墙体内的水、盐和气体的运移过程，切断水汽来源，从而阻止盐分在地仗层的浓缩和结晶。为此，很多学者通过对窟内外温湿度的监测，来探讨了窟内的水汽运移过程。例如，闫玲等[4]通过对莫高窟第53窟内外温湿度的监测分析，认为洞窟内存在吸放湿的调节作用，并建立了洞窟壁画的等温吸湿-放湿数理模型。王亚军等[5]也通过对敦煌莫高窟第87窟窟内温度和相对湿度的监测和分析发现，窟内温湿度特征因位置不同而有所差异，窟内上部测点平均温度高于下部测点的，而上部测点相对湿度低于下部测点的。李红寿等[6]更是采用封闭与开放洞窟的监测方法，推断在莫高窟北区的132窟内有来自围岩的水分进入洞窟。但遗憾的是，直至今天学者们都还没有找到说明洞窟水汽来源的直接证据。

在此背景下，本研究通过在莫高108窟内的温湿度和空气压力的监测，获得了窟内温湿度场的分布及其时间变化过程，揭示了窟内水汽和热量的来源，为窟内水汽来自围岩的假设提供了直接证据。

1 试验洞窟状况

108窟位于莫高窟近地面一层，靠近南侧。窟内地面低于窟外地面1.41m，进入窟内的过道呈长方形，长5.5m，宽2.8m，高4.0m。窟主体下部近似为正方形，上部为倒扣的四边行斗状，长11.3m，宽10.40m，窟顶高8.2m，正方形高5.0m。中间为佛像台，上有佛像数座，佛像台和洞窟壁面之间有环绕通道隔开，佛像台前为一小平坦区域。

除洞窟后壁面外，洞窟其他壁面上均有壁画。后壁面上未有任何壁画可见，一部分是裸露的地仗层，其余则是露出的砂砾石层面。洞窟四周靠近地面约0.6m一带，有显著的壁画盐害迹象。

洞窟后壁面上的砂砾石层，属于典型的第四纪冲积物，砾石粒径在3cm左右，磨圆度较好，有一定程度的水平层理。砂砾石之间有不同程度的钙质或泥质胶结，但还未达到成岩的程度，水和气可在其间缓慢运移。砂砾石层虽然总体上比较均一，但在小尺度范围上粒径、结构和胶结程度方面都有显著的不同。这种小尺度范围内的非均质性可能使得其间的水汽运移通道具有明显的选择性。

在气候条件方面，根据王旭东等[7]的统计，莫高窟多年平均降水量为23.2mm，空气相对湿度年平均值为32%，最高相对湿度88%，最低相对湿度仅有7%，夏季(6～8月)降水量占全年降水量的一半以上。莫高窟地区的年平均蒸发量达4347.9mm，是年平均降水量的187倍。莫高窟地区每年日照总时数达2962.5h，明显高于北纬40°附近的年日照标准时数。莫高窟窟区年平均气温10.3°C，最高气温40.6°C，最低气温-31°C。因此，和其他洞窟一样，108窟也是在气候干燥，降雨稀少，蒸发和日照强烈的环境条件下保存下来的。

2 监测方法

为了监测洞窟内温度场和湿度场的变化过程，自2015年5月6日起，在窟内12个地点设置了高精度的温度(精度1/10B级的PT100)和湿度传感器(图1)。这12个地点中的8个分别设定在洞窟底面和顶面的四角，第9个和10个分别设置在洞窟的入口和佛像台上，以期能够获得洞窟内空气温度的空间分布及其随时间的变化过程。从2015年7月30日开始，又在1、3、5和7号位置设置了4个空气压力传感器，对窟内的空气压力进行了监测。

图1 108窟内温湿度和空气压力传感器的设定位置

对窟内温湿度和空气压力的监测，采用了2台澳大利亚产的dataTaker数据采集器按半个小时间隔进行。所用传感器均在出厂前进行了标定，其中温度可通过dataTaker直接测定无需换算，但空气相对湿度和压力值需要通过dataTaker测定的电压再根据厂家提供的传感器标定曲线换算后才能得到。现场监测前，在实验室内对此测定方法进行了测试，结果表明所测结果是可靠和稳定的，无需中途再次校验。在现场监测时，由于意外的电源供给故障问题，致使数据监测出现了多次中断，温度和湿度同步监测的时段较少，因此本研究仅选用了2015年5月至7月的有效资料进行分析。尽管这些资料代表的仅仅是一个温度上升的时段，但它仍为揭示洞窟水汽和热量的来源提供了重要依据。

3 窟内空气温度的时间变化过程与空间分布特征

图2给出了2015年5月到7月近三个月间洞窟内不同位置空气温度随时间的变化过程。可以看出，洞窟内的温度在此期间近乎线性增加。从5月初的12°以下增加到了7月底的16°附近，温度升高了4°左右。尽管与窟外同期大气温度的变化相比，4℃温度的变化并不算大，但在长时间条件下，这一变化所带来的影响不可忽略。

图2 108窟内2015年5月到7月不同位置空气温度随时间的变化过程

在图2中可以清晰地看到，在所监测的12个传感器中，以位于上层的4个监测点温度较高，而位于底层的4个监测点温度较低，其中8号和3号监测点分别是温度最高和最低的位置。窟内空气温度的这种上高下低的差异随着夏季的逐渐到来进一步地增大。到达7月底时，窟上层和窟底面的温度差异竟达到了近2℃。由于5～8号传感器的设置位置还不是洞窟的顶部，如果这种上高下低的温度差异按同样的趋势变化的话，那么窟顶面与地面温度的差异在7月底就有可能达到3℃以上。

窟内温度的上高下低现象，与窟外地面附近温度下高上低的特征完全相反，即窟内的空气温度是逆向分布。因此，单从温度分布的角度看，与窟外气流普遍的向上运动相反，窟内空气总体上比较稳定，气流甚至可能有下沉的现象。

为了说明窟内同一时间温度场的分布，用颜色的不同和圆点的大小表示12个监测点之间温度的相对大小，圆点大且为红色的是温度高的监测点。图3给出了5月11日零点和7月21日零点洞窟内的空气温度分布状况。可以看出，窟内位于4号和8号监测点之间的温度差异最大，同时随着时间的增加1号与5号之间、2号与6号之间的温度差异也在逐渐增大。

从图2中还可以看到一个更重要的现象是窟内温度昼夜变化在上层和底层之间的显著差异。对于靠近地面的监测点1～4号，温度的昼夜波动较小，说明这些位置受窟外昼夜温度变化的影响很小。而对于上层的监测点5～8号，其温度具有显著的昼夜波动现象，说明位于这些位置的空气温度明显受到了窟外昼夜温度变化的影响。那么，窟外温度的昼夜变化是通过什么途径影响到了窟内空气的温度呢？热的传输有三种途径，分别是传导、对流和辐射。108窟平常不对外开放，窟口处的门是关闭的，窟内和窟外没有大的缝隙可供空气交换和光线通过，因此可以认为窟外通过对流和热辐射直接对窟内空气的温度施加影响是很困难的。那么，窟外对窟内温度施加影响的唯一途径就是热传导作用。由于空气是良好的热绝热材料，显然窟外通过进口处的空气以热传导的方式影响窟内的温度是不可能的。剩下的唯一可能就是洞窟周围的墙体，难道真是制作洞窟的砂砾石层通过热传导方式影响了窟内空气温度的变化吗？

图3 108窟内5月11日(左)和7月21日(右)零点空气的温度场分布

为了回答这一问题，本研究放大了5月11～12日和7月21～22日的温度变化过程(图4)。从图中可以清楚地看到，上层空气的温度昼夜变化规律清晰，靠近地面的则不明显，而位于中间高度的11号和12号，虽温度昼夜变化明显，但波动幅度不如上层监测点。尤其是9号监测点，它位于洞窟入口处的地面，反而温度昼夜波动较小，这进一步说明窟外热量通过窟口以对流或辐射的途径进入窟内，进而影响窟内空气温度变化的可能性很小。

图4 108窟内5月11～12日(左)和7月21-22日(右)的空气温度变化过程

为此，本研究分析了5月11～20日和7月18～27日间各个监测点上温度昼夜变化的幅度，即一昼夜中温度的最大值与最小值之差(图5)。可以看出，无论在5月份还是在7月份，窟内空气温度的昼夜波动幅度在空间上都有显著的分布特征。在上层空气中，监测点5号和6号处的昼夜波动幅度最大，而7号和8号监测点处的昼夜波动幅度最小。由于5号和6号监测点位于洞窟的后壁面上，比7号和8号监测点更加远离洞窟出口，其温度的昼夜波动幅度反而大于后者更加说明窟内的热源很可能不是来自于窟口。

图5 108窟内5月11～20日间(左)和7月18～27日间(右)不同监测点上空气温度的昼夜波动幅度

采用与前面同样的方法，用圆点的大小和颜色的不同来表示温度昼夜波动幅度的相对大小，就可以得到5月17日和7月24日窟内昼夜温度波动幅度的空间分布(图6)。它清晰地说明昼夜温度波动最大的位置是5号监测点所处的位置，同时该监测点还是窟内温度最高的位置。难道在5号监测点附近有热源存在吗？确实，在5号监测点下方，1号监测点旁边，放置了数据采集仪器，仪器可能有微小的热量释出。要是来自于仪器的热量对空气温度有影响，它应该是一种持续稳定的影响，不应该是周期性的。况且离仪器最近的1号监测点，其温度也没有发现有明显的昼夜变化。因此，5号监测点处温度的昼夜波动不应该是来自于数据采集仪器的影响。

4 窟内空气湿度的时间变化过程与空间分布特征

窟内空气相对湿度传感器的设置位置和温度传感器的位置完全一样，监测时间间隔也是半小时。但由于相对湿度传感器外部供电中途中断，在5月至7月份的监测中仅获得了开始一个月份的有效数据。图 7给出了传感器所记录的窟内空气相对湿度随时间的变化过程。

图6 108窟内5月17日(左)和7月24日(右)空气温度昼夜波动幅度的空间分布

图7 108窟内不同位置空气相对湿度随时间的变化过程

从图7中首先看到，在整个观测时间范围内，窟内空气的相对湿度总体上都是增加。在没有外部水汽供给的条件下，随着温度的升高，理论上空气的相对湿度是随着温度的升高而减小。因此，窟内相对湿度总体上的增加与窟内同期温度的升高不吻合，除非水汽有一个从外部流入窟内的渠道，通过这一渠道窟内的空气获得了额外的水汽补给。

其次，从图7中还清楚地看到，在整个观测期内相对湿度出现了明显的三个峰值。一个在5月10日7∶30附近，另一个在5月20日22∶00左右，最后一个在5月30日0∶30前后。虽然三个时间点在温度变化曲线上都有一定的温度降低，但零点几度的温度变化就导致了如此大的空气相对湿度变化，是难以解释的，为此对窟内空气的绝对湿度进行了计算。

在已知空气温度t(单位：°C)的条件下，可根据下式计算该温度下空气饱和时的绝对湿度(单位：g/m3)：

(1)

当空气的相对湿度f(单位：%)已知时，该温度下非饱和空气的绝对湿度可由下式计算：

ρw(t)=ρws(t)×f/100

(2)

为此，根据方程(1)和(2)以及所监测的温度和相对湿度，就可以计算出窟内空气的绝对湿度及其随时间的变化过程。

图8给出了窟内空气的绝对湿度随时间变化的过程。可以看出，由于观测期间窟内温度的变化并不大，窟内温度的变化并不是空气湿度变化的主要因素。窟内空气的绝对湿度仍然具有类似相对湿度的变化趋势，随着时间的增加总体上呈现出增加的趋势，并在前述三个时间点前后，存在三个明显的迅速升高的峰值。这意味着，在此观测期间，窟内空气存在净的水汽输入。难道在窟内某个地方存在着水汽输入的通道吗？

图8 108窟内不同位置空气绝对湿度随时间的变化过程

事实上，窟内空气绝对湿度所体现出的昼夜变化就说明窟内空气的水汽和窟外有密切的联系。有趣的是，这种绝对湿度的昼夜变化仍然以分布在上层的5～8号监测点处表现显著，位于后壁中层位置的11～12号以及位于地面的3～4号监测点处也有明显的昼夜变化特征，最靠近窟口的9号监测点处却昼夜变化较小(图9)。而更为令人感到费解的是，绝对湿度的周期性变化似乎并不是严格以24h为周期的，其周期有长短的差异，这与温度严格遵守24h的周期变化明显不一样。

图9 108窟内5月16-19日间空气绝对湿度的时间变化过程

理论上，在静止和温度均匀的空气中空气绝对湿度的分布应该是底层高，上层小，因为绝对湿度大，相应的空气重力也就大。为此，选取了六个时间点绘制了窟内绝对湿度的相对分布图(图10)，图中左侧的分布图(a～c)代表了绝对湿度处于低值时间段的三个时间点，右侧的分布图(d～f)代表了绝对湿度处于峰值时间段的三个时间点。从图中可以清晰看出，绝对湿度的高值区域总体上位于窟内的上层和前部，而低值区域则位于窟内的底部和洞窟的左前方向。当绝对湿度处于低值时间段时，绝对湿度的高值区域主要分布在洞窟前部的3号和7号传感器处，而当绝对湿度处于峰值时间段时，上层区域的绝对湿度总体上增大，并在6号传感器处增加明显。绝对湿度的实际分布特征和事先的预测不一致。由此，可以认为窟内的水汽不是完全静止的，结合前述温度场的分布特征，可以断定窟内存在着由上层向下层和洞窟西侧的水汽运移现象，窟内上层存在着温度和水汽的来源。

5 窟内空气压力的时间变化过程

为了证实窟内存在着空气流动现象，在1、3、5和7号位置设置了4个空气压力传感器，从2015年7月30日开始对窟内的空气压力进行了监测(图11)。结果显示，窟内的空气压力也是变化的，并且存在着明显的昼夜变化现象。由于空气压力对环境压力的响应要比温度和湿度敏感得多，这一结果明确说明窟内的空气和外界的大气是密切相连的。就大小而言，位于洞窟前部的3号和7号都大于洞窟后部的1号和5号的空气压力。因此，窟内的空气至少不是静止不动的，它有一个由前部到后部的流动过程，并受到外部环境变化的影响。

图10 108窟内不同时间空气绝对湿度的空间分布

图11 108窟内2015年7月(左)和2016年5月(右)的空气压力变化过程

综上所述，窟内空气温度、湿度和压力的独立监测结果都一致说明，窟内空气与外部环境联系密切，存在着显著的昼夜变化以及水汽和能量的输入，而且以上层空气和靠前部(东侧)的区域变化幅度为大。由此判断，影响窟内空气的物质和能量的源应该在洞窟上层和靠前部的区域，这就是108窟东侧的外墙面。

6 结 论

通过设置在12个点的传感器，对108窟内不同位置的温度、湿度和空气压力进行了监测。结果表明，窟内温度存在着显著的昼夜和长期的变化，其中上层空气的温度变化尤其明显，而下层空气的温度变化则相对较小。在夏天，窟内的上层空气温度高于下层空气的温度。窟内空气的绝对湿度受外部环境严重影响，存在近似昼夜的变化。在分布上，窟内空气湿度在上层和前部高，而在下层和后部则较小。窟内存在着净的水汽输入过程，但水汽不是从洞窟的入口进入。同样，窟内的空气压力也存在着明显的昼夜变化过程，并受外部环境的影响而升高或下降，窟内东侧的空气压力大于西侧的空气压力。这些结果一致说明，在108窟的东侧上层存在着水汽和热量的来源。

尽管这一水汽和热量的来源是通过对窟内空气的监测而获得的，但显然它也是108窟墙体内的水汽和热量来源。因此，这一结论为揭示108窟盐害产生的原因，为下一步的盐害防治工作提供了思路，具有重要的科学意义和应用价值。

致谢： 在野外工作期间，得到了敦煌研究院保护研究所陈港泉和刘洲的热情帮助，在此表示感谢。