城读│看名画识空气污染
看名画识空气污染
Master Paintings Tell Story
about Air Pollution
科学家们计算1500-2000年541幅日落名画近地天空的红绿比，以此作为测量大气气溶胶光学厚度的替代指标，估算历史时期由于大规模火山爆发和工业革命以来工业排放所造成的空气污染。
C. S. Zerefos, P. Tetsis, A. Kazantzidis, V. Amiridis, S. C. Zerefos, J. Luterbacher, K. Eleftheratos, E. Gerasopoulos, S. Kazadzis, A. Papayannis. Further evidence of important environmental information content in red-to-green ratios as depicted in paintings by great masters. Atmospheric Chemistry and Physics, 2014; 14 (6): 2987 DOI: 10.5194/acp-14-2987-2014
Source: http://www.atmos-chem-phys.net/14/2987/2014/acp-14-2987-2014.html
Picture source: Caspar David Friedrich, Woman in front of the Setting Sun, 1818. Credit: Caspar David Friedrich/Wikimedia Commons
关于艺术与科学，物理学家理查德·费曼曾与他的一个艺术家朋友有过一段对话。艺术家朋友拿起一枝花说道，“我作为一个艺术家，可以看到一枝花是多么美丽。可你们科学家总是把它分解枝离，弄得干巴、枯燥无味。”
费曼不同意，反驳道：“他（艺术家）所领略的美也同样能被我和其他人看到。尽管在艺术美学上我不如他那么训练有素、品味细致……其次，我从这朵花里领略的比他要多的多。我能想见花里边的一个个细胞，它们也很美。美不仅存在于肉眼可观的度量空间，而且也存在于更细微的度量空间……科学只会增加并丰富美，绝不会减少它”。
由希腊和德国研究者组成的团队对1500-2000年554幅日落名画的颜色的红绿比进行计算，近似测量五百年期间地球近地大气的空气污染程度即为费曼所说“科学增加并丰富美”的一个绝佳例证。艺术大师画笔下日落的颜色，不仅给人带来美的体验，而且还为测量艺术大师们提起画笔时空气的污染程度提供了线索——特别是几次大型的火山爆发，释放了大量的火山灰和气体到大气中；此外，工业革命时期向大气排放污染，空气悬浮颗粒散射太阳光线，从而使日落看起来特别红。
研究的领衔者Christos Zerefos解释道：“这是首次尝试用科学分析艺术名画，讲述历史上大气变化的故事”。
科学家如何分析艺术大师的日落名画？
科学家们通过分析日落绘画作品近地天空的颜色，来测算当时空气污染的程度，或者说，空气中悬浮微粒的含量。
悬浮在大气中的各种固体和液体微小粒子称为大气气溶胶(aerosols)。气溶胶可能来自自然，例如火山爆发、扬尘、森林山火浓烟或者沙尘暴，也可能来自人为活动，例如工厂废气排放和汽车尾气。气溶胶散射太阳光线，从而使日落看起来更红。
气溶胶对地球气候的影响非常复杂。当气溶胶散射光线时，对气候产生重要影响，取决于气溶胶大小、类型和区位的不同，气溶胶既有可能降低地球表面温度，也有可能升高地球表面温度。例如1991年菲律宾皮纳图博火山爆发，降低了地球温度；但是气溶胶也可能吸热导致变暖，例如气溶胶吸收汽油和煤炭燃烧排放的煤烟，加速冰山融化。气溶胶既能促进云朵的形成，也可能阻止云朵的产生。吸气时，某些气溶胶可能对身体有害。
大气气溶胶光学厚度(aerosol optical depth, AOD)是指气溶胶通过吸收或发散光线，从而阻止光的传播的程度。这一指标可以用于研究空气质量、环境健康和气候变化等。
但是，精确的气象测量直到1850年代才开始，如何测量历史上大气气溶胶光学厚度呢？
科学家们发现绘画作品的颜色与大气气溶胶厚度存在关联。1851年印尼坦博拉火山爆发后，欧洲的画家们观察到天空的颜色发生了变化。火山灰和气体喷入天空，传播到全世界，气溶胶微粒散射太阳光，产生了特别明亮的红色和橙色的日落，这种效果持续了三年。英国画家特纳是当时捕捉描绘这一令人赞叹的日落奇观的画家之一。
因此，科学家对特纳以及其他画家的日落作品进行分析，通过计算日落名画的红绿比，以此作为测量大气气溶胶光学厚度的替代指标，估算大气中悬浮的微粒数量，特别是来自火山爆发或工业污染的气溶胶，从而获取历史上大气构成的信息。
The Lake, Petworth: Sunset, Fighting Bucks, by J. M. W. Turner
研究者们收集了1500-2000年间181位画家创作的554幅日落题材的画作，包括鲁本斯、伦勃朗、特纳、托马斯·庚斯博罗和威廉·霍加斯等画家。绘画创作时期跨越500年时间，期间包含世界范围内50多次大型火山爆发和19世纪以来的工业革命时期。
研究者计算日落画作中地平线附近的红绿比，并按时间把日落画作分组，每50年为一组。红绿比越高，说明气溶胶含量更高，天空更脏，空气污染更严重。
主要研究发现包括：
火山爆发后三年的日落画作，其红绿比最高。在排除其他干扰因素的影响之后，例如年龄对颜色感知的影响等，火山爆发对日落画作红绿比的提高具有独立的影响。
德国画家卡斯帕·大卫·弗里德里希(Caspar David Friedrich)1818年创作的《日落下的女子》描绘了一名女子在深赭色的日落下伸展双臂，反映了1815年印尼坦博拉火山爆发的影响。火山灰喷发到大气中，传播到全世界，随后三年，整个欧洲都经历了特别红和橘色的日落。
德国画家卡尔·弗里德里希·辛克尔(Karl Friedrich Schinkel)1817年绘画作品The Banks of the Spree near Stralau
在火山活动期间，日落画作的红色色调飙升。此画作为德加1885年创作的《赛马》，反映了火山爆发的影响。
工业革命以后，即使在没有火山活动的年份，日落场景也变得越来越红，气溶胶光学厚度从19世纪中期的0.15增加到20世纪末的0.2，说明了工业革命150年期间累积的空气污染的影响，艺术家们的绘画创作无意中记录了工业污染信息。
上图分别是2010年希腊伊德拉岛的画作和照片，照片由作者C. Zerefos所摄，绘画由作者请画家P. Tetsis完成。左边的画作和照片比右边的看起来更红更模糊，说明大气气溶胶含量更高。
结语
大自然与艺术家的心与灵魂对话，艺术家画日落时，他们大脑所识别的红绿比包含了重要的环境信息。
无论是什么画派，大师们作画的红绿比提供了一个独立的指标，可用于测量大气气溶胶光学厚度。绘画为估算历史时期大气气溶胶含量提供一个可靠的来源，特别是在精确测量工具出现之前的时期尤为重要。
大气气溶胶光学厚度可以直接用于气候模型，有助于理解历史上气溶胶如何影响地球气候，也有助于对未来气候变化的预测。
利用艺术进行科学研究，是最近兴起的一个跨学科领域。第一次气象测量直到1850年代才出现，所以绘画提供了一个重要的历史环境信息来源。艺术有助于科学研究，科学也可以增加欣赏美的维度。
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