? 大氣的預(yù)測性是有限的陵珍。即使是用超級計(jì)算機(jī)眼坏，全球天氣數(shù)值模型GCPMs的預(yù)測結(jié)果在6天之后準(zhǔn)確性開始出現(xiàn)明顯下降段多，17天之后，預(yù)測準(zhǔn)確率降至為氣候平均態(tài)荞驴，亦即與猜成過去幾年的平均值一樣的誤差[1]叠国。這是因?yàn)橐粋€很小的擾動或者計(jì)算誤差，也會對全球大氣模式帶來較大影響戴尸。1963年粟焊，氣象學(xué)家洛倫茲提出了在確定性系統(tǒng)中的非周期現(xiàn)象。在模式中參數(shù)的微小改變將導(dǎo)致最后完全不一樣的結(jié)果，有規(guī)律的项棠、周期性的行為變成完全混亂的狀態(tài)悲雳，稱之為“混沌理論”，更通俗易懂的傳播概念是“蝴蝶效應(yīng)”香追。這種最初只在氣象中出現(xiàn)的混沌無序現(xiàn)象合瓢，后來被發(fā)現(xiàn)廣泛存在于其他系統(tǒng)中，諸如精神病的發(fā)病透典、心率的節(jié)奏晴楔、股市的波動等。
? 除了大氣流體的初始微小變化能引起最后的劇烈變動外峭咒，大氣中還存在著突發(fā)的非線性變化税弃，例如超強(qiáng)火山爆發(fā)釋放的氣溶膠，由于10公里高度以上的平流層的存在而輸送至全球凑队，改變了原先的大氣輻射收支平衡和化學(xué)組分则果，進(jìn)而影響局地氣候′霭保火山灰既可以后向散射和吸收太陽短波輻射西壮，也可以改變云的形成和云反射特性來影響氣候。雖然火山爆發(fā)的頻次小于人為排放氣溶膠叫惊，數(shù)量小于自然釋放的海鹽氣溶膠款青，但是由于火山一般是在高海拔地區(qū)，所以火山灰氣溶膠能到自由大氣(>1000 m)中霍狰，甚至沖破對流層頂?shù)竭_(dá)平流層抡草，所以火山灰對全球輻射收支平衡的影響是和人類排放硫酸鹽氣溶膠同一量級的[2]。雖然自工業(yè)革命后全球變暖的趨勢明顯蚓耽，但是2000年之后出現(xiàn)了升溫趨勢的放緩渠牲，這可能與1998年以后全球平均光學(xué)氣溶膠(AOD)厚度的增加有關(guān)[3]。平流層氣溶膠的增加減少了入射的太陽輻射步悠，從而減緩了溫室效應(yīng)签杈。
? 大氣數(shù)值模型一般關(guān)注近地面(<5 km高度)的氣象參數(shù)答姥。但是如果忽略了10 km高度以上平流層氣溶膠尤其是火山灰氣溶膠的輻射強(qiáng)迫，往往會夸大全球的升溫趨勢[4]谚咬。除了陸地釋放的氣溶膠產(chǎn)生的輻射強(qiáng)迫外鹦付，海洋環(huán)流和海溫變動的影響也不容忽視，El Nino/Southern Oscillation (ENSO)和La-Nina周期震蕩造成的變暖趨勢放緩是氣候的正常變動择卦，所以在量化人類排放溫室氣體對全球變暖的效應(yīng)時敲长，需要同時扣除火山爆發(fā)和海溫周期震蕩的影響[5]郎嫁。2000年-2010年間，平流層的水汽量下降了10%祈噪，而水汽又是重要的溫室氣體泽铛，所以平流層水汽也是氣候變化的重要驅(qū)動因子之一[6]。分析1979-2003年的數(shù)據(jù)辑鲤，研究者發(fā)現(xiàn)了兩次明顯的冷卻降溫與強(qiáng)火山爆發(fā)釋放的氣溶膠有關(guān)盔腔，分別是位于墨西哥的埃爾奇瓊(El Chichón) 火山爆發(fā)(1982年3月)和位于菲律賓的皮納圖博(Pinatubo)火山爆發(fā)(1991年6月) [7]。Benjamin等人2014年進(jìn)一步指出了證據(jù)月褥，表明火山爆發(fā)造成的平流層氣溶膠厚度增加弛随，和衛(wèi)星觀測得到的氣溫呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，使平流層增溫宁赤、對流層降溫[8]舀透。綜上所述，強(qiáng)烈的火山爆發(fā)釋放到平流層的氣溶膠礁击，對氣候模型預(yù)測結(jié)果帶來較大的不確定性盐杂。怎樣通過觀測加深對火山灰氣溶膠的理解逗载，并將其轉(zhuǎn)化為超級計(jì)算機(jī)能理解的符號和代碼語言哆窿，是目前必須要做的。
? 火山灰氣溶膠有兩面性码荔，既能減緩氣候變化，還會對人類的生存帶來直接的毀滅性影響感挥。El Chichón 火山爆發(fā)造成方圓7 km內(nèi)的村莊全部毀滅缩搅，2000多人死亡。Pinatubo 火山爆發(fā)噴出約100億噸的巖漿和2千萬噸的二氧化硫触幼，為地表帶來大量的礦物和金屬硼瓣；又對平流層注入大量的氣溶膠，蔓延至全球各地置谦，氣溶膠在形成一層硫酸霧“面紗”堂鲤，全球平均氣溫下降約0.5°C。
? 在人類漫長的進(jìn)化史上谅阿，火山灰氣溶膠也是夢魘半哟。史坦尼·安布魯士(Stanley Ambrose)提出史前人類的分布受到大型火山爆發(fā)造成的巨災(zāi)所影響酬滤。那次火山爆發(fā)在七至七萬五千年前的印尼多峇湖發(fā)生，強(qiáng)度為火山爆發(fā)指數(shù)的8級寓涨，即超大規(guī)模級數(shù)敏晤。大量的火山灰令全球溫度在之后數(shù)年間下降了3至3.5攝氏度，在地球北部甚至下降了10-15度缅茉，引起一次冰河時期嘴脾。巨災(zāi)之后一段時間，氣候好轉(zhuǎn)蔬墩，劫難后的幸存者們在各自的不同地域發(fā)展繁衍译打，最后人類再次遍布整個地球[10]∧绰火山冬天理論認(rèn)為火山爆發(fā)后產(chǎn)生大量的火山灰奏司、硫酸等物質(zhì)到大氣層中，提升地球?qū)μ柕姆凑章收敛澹瑢⑻栞椛浞祷氐厍蛲庠涎螅瑢?dǎo)致全球氣溫下降。若要引起長期冷卻效應(yīng)黄锤，主要取決于是否有大量的硫化合物注入平流層搪缨，這些化合物經(jīng)歷一系列反應(yīng)后會產(chǎn)生硫酸鹽氣溶膠。這些氣溶膠除了在平流層透過反射阻擋太陽輻射鸵熟，還會吸收地表輻射來增加平流層溫度[9]副编。
? 1816年是是自歐洲黑暗的中世紀(jì)之后，北半球最寒冷的一年流强，又稱為“無夏之年”(Year Without a Summer)痹届。一般相信1816年的反常氣溫是由于之前的幾次火山爆發(fā)。例如1812年打月，加勒比海蘇弗里耶爾火山(La Soufrière volcano)爆發(fā)队腐。同年，印度尼西亞阿武火山(Awu)爆發(fā)奏篙。1813年柴淘，日本諏訪之瀨島火山(Suwanosejima)爆發(fā)。但是最直接的影響還是1815年4月荷屬東印度森巴瓦島上坦博拉火山(Mount Tambora)爆發(fā)[[11]报破。坦博拉火山的爆發(fā)是人類歷史上最大規(guī)模的火山爆發(fā)之一悠就，火山爆發(fā)指數(shù)為VEI-7，所噴出的火山灰總體積多達(dá)150立方公里充易，而且抵達(dá)高至 43 公里之平流層梗脾。火山灰最遠(yuǎn)一直到達(dá)南北極盹靴，因此一個半世紀(jì)之后的氣象學(xué)家們能通過勘探冰芯發(fā)現(xiàn)它們的存在炸茧。當(dāng)年的7月和8月瑞妇，歐洲因寒冷導(dǎo)致糧食歉收，引發(fā)的饑荒死亡超過20萬人梭冠。
? 1816年的這次超強(qiáng)火山爆發(fā)辕狰，也給歐洲的藝術(shù)發(fā)展造成深遠(yuǎn)影響。在強(qiáng)烈火山噴發(fā)活動后控漠，火山灰進(jìn)入高空并在平流層游蕩多年蔓倍，厚度有時會超過一千米⊙谓荩火山灰及硫酸鹽氣溶膠籠罩在天空偶翅，大量太陽輻射被其反射，熱量難以抵達(dá)近地面碉渡。氣溶膠顆粒又是形成云層冰晶所需的凝結(jié)核聚谁，這也導(dǎo)致火山灰影響之處多陰雨天氣，加劇了氣溫的下降滞诺。平流層的火山灰氣溶膠潛藏在高高的雨云之中形导，但是又不能被降雨清除，所以全世界都被蒙上了一層“面紗”习霹。由于大量氣溶膠粒子對陽光的散射朵耕，遠(yuǎn)至英國倫敦亦可見日落彩霞。1816年序愚，約翰·康斯太勃爾(John Constable)畫出一幅油畫憔披，上面是英國南部海岸的避風(fēng)港韋茅斯灣 (Weymouth Bay)等限，天空中籠罩著一片陰云爸吮。他在日記中寫道：“到處都有火山引起的大風(fēng)”。這也是歐洲這一年火山爆發(fā)影響下造成的大風(fēng)陰雨天氣的寫照望门。
來源：The art story，下同筹误。
? 1816年桐早，在坦博拉火山爆發(fā)之后，德國浪漫主義風(fēng)景畫家卡斯帕·大衛(wèi)·弗里德里希(Caspar David Friedrich)繪制了《港口景色》(View of a Harbor)和《晨霧中的新勃蘭登堡》(Neubrandenburg in the morning mist)兩幅風(fēng)景畫厨剪，生動地描繪了當(dāng)時的天空哄酝。由于出身境遇，死亡祷膳、憂愁陶衅、自然等題材是卡斯帕所迷戀的主題。他有極端敏銳的觀察力直晨，常常漫步于山林海濱搀军，又擅于表達(dá)光線與色彩的精微細(xì)節(jié)膨俐。他認(rèn)為“從一粒砂中也可以看到自然的神妙≌志洌” 根據(jù)瑞利散射定律焚刺，沒有氣溶膠時，太陽光譜中的波長較短的紫门烂、藍(lán)乳愉、青等顏色的光容易散射出來，故天空呈蔚藍(lán)色屯远。而當(dāng)火山灰氣溶膠彌漫在平流層中時匾委，波長較長的紅、橙氓润、黃等顏色的光赂乐，被氣溶膠粒子大量散射到天空，故火山爆發(fā)后天空橙紅色較為顯著咖气。從圖6可以看出挨措，火山灰氣溶膠使得歐洲出現(xiàn)亮紅色和橘色的天空，這樣的情況一直持續(xù)了三年時間崩溪。
? 英國風(fēng)景畫大師特納(J.M.W. Turner)的作品向來以對光色的描繪而著稱，并影響了后來的印象主義者伶唯。1816年之后的幾幅特納的風(fēng)景畫作品中觉既，旭日失去奪目的光芒。不僅是特納乳幸，很多畫家如John Crome等的畫作中明暗度在1816年之后出現(xiàn)明顯下降瞪讼，1819年之后風(fēng)景畫中的天空才漸漸變明亮[12]。從下面兩張圖《奇切斯特運(yùn)河》(Chichester Canal) 和《佩特沃斯湖落日》(The Lake Petworth Sunset)可以看出粹断，天空中出現(xiàn)了明顯的橙紅色氣溶膠符欠。
? 不僅僅是1816年的這次火山爆發(fā)對西方風(fēng)景畫有直接影響瓶埋。Christos Zerefos等人分析了在1500年至1900年間希柿，共554幅181位藝術(shù)家描繪過的日落作品的色彩運(yùn)用。在這段時間里养筒，全球有50座大火山的噴發(fā)曾撤。這幾百幅作品記錄了火山灰氣溶膠對天空的影響，可以作為光學(xué)氣溶膠厚度(AOD)的近似[13]晕粪。Christos Zerefos等人定量化分析每幅畫的紅藍(lán)色對比挤悉，發(fā)現(xiàn)紅綠色比值與過去400年的火山灰塵幕指數(shù)（DVI）指數(shù)顯著相關(guān)。這一點(diǎn)證明兵多，雖然畫作是藝術(shù)家創(chuàng)作的尖啡，但是不約而同地反映了實(shí)際天空顏色橄仆。
? 愛德華?蒙克(Edvard Munch)創(chuàng)作于1893年的名作《吶喊》是繪畫史上最有影響的作品之一衅斩。在這位挪威畫家的筆下盆顾，天空呈現(xiàn)出絢爛又詭異的色彩。這種詭異的色彩其實(shí)是“珠母云”(nacreous clouds)畏梆，在挪威南部可以觀測到您宪。“珠母云”是一種天空變得色彩斑斕奠涌、霧靄朦朧的天氣條件宪巨，受到喀拉喀托火山(Krakatau)影響。蒙克在1892年1月22日的一篇日記中記錄了《吶喊》的靈感來源：“我跟兩個朋友一起迎著落日散步——我感受到一陣憂郁——突然間溜畅，天空變得血紅捏卓。我停下腳步，靠著欄桿慈格，累得要死——感覺火紅的天空像鮮血一樣掛在上面怠晴，刺向藍(lán)黑色的峽灣和城市——我的朋友繼續(xù)前進(jìn)——我則站在那里焦慮得發(fā)抖——我感覺到大自然那劇烈而又無盡的吶喊≡±Γ”
? 珠母云是極地平流層云(polar stratospheric cloud, PSC)的一種，是冬季出現(xiàn)在兩極地區(qū)平流層中的一種云选泻，通常分布在離地15-25km的高度范圍內(nèi)冲粤。II型PSC云滴較大，能夠前向散射陽光而呈現(xiàn)出乳白色页眯、如珍珠般的光澤梯捕，有時因?yàn)楣獾母缮嫘?yīng)還會帶上顏色（粉紅色或綠色）。在陽光的照射之下會呈現(xiàn)珍珠般的光澤餐茵，故而這種云也稱作“珠母云”或“貝母云”科阎。1883年8月印尼喀拉喀托火山爆發(fā)，等級為VEI-6忿族，釋放出250億立方米的氣溶膠，是人類歷史上最大的火山噴發(fā)之一蝌矛。在火山噴發(fā)后道批，大量火山灰和二氧化硫氣體進(jìn)入平流層，在一兩個月的較短時間內(nèi)形成硫酸鹽氣溶膠入撒，隨著平流層環(huán)流輸送到全球各處隆豹。當(dāng)硫酸鹽氣溶膠籠罩整個平流層時，天空的朝霞和晚霞異常漂亮茅逮，紅色璃赡、橙色的天空隨時都在判哥，不論是刮風(fēng)下雨，甚至在大雨之后更加清晰碉考。這是因?yàn)榻邓^程發(fā)生在對流層塌计，而硫酸鹽氣溶膠則在高高的平流層，是無法清洗掉侯谁。所以蒙克能看到火山后紅色的天空锌仅，那火山灰氣溶膠染紅的天空如此長久的出現(xiàn)，帶來美的震撼墙贱。
? 實(shí)際上热芹，除了自然排放的火山灰氣溶膠之外，人為排放的氣溶膠也能給藝術(shù)家?guī)盱`感惨撇。英國工業(yè)革命后伊脓，煤炭成了工業(yè)和居民供暖的主要能源。1899至1905年間魁衙，莫奈(Oscar-Claude Monet) 陸續(xù)創(chuàng)作了數(shù)十幅倫敦煤煙霧為主題的繪畫作品丽旅。陽光跳動在泰晤士河上，渲染著天空奇異的色彩變化纺棺，包括深深淺淺的紅榄笙、橙、藍(lán)祷蝌、紫各色茅撞。1952年12月4日至9日，在霧霾持續(xù)的5天中巨朦，有5000人喪生米丘，此后2個月，又有8000人因相關(guān)問題陸續(xù)喪生糊啡，這就是著名的“倫敦?zé)熿F”事件拄查。當(dāng)時的情況嚴(yán)重到原定在劇院上演的歌劇《茶花女》被迫取消，因?yàn)殪F霾滲入了劇院內(nèi)部棚蓄，沒人能看清舞臺堕扶。倫敦?zé)熿F對于很多人來說是一場噩夢，對于莫奈來說卻是他創(chuàng)作的靈感之源梭依。從霧氣之中稍算，光與空氣仿佛都現(xiàn)出了真面目，而這兩者正是印象派畫家夢寐以求所追逐的役拴。畫中那漫天黃色是高硫含量的煤燃燒后煙塵和硫酸鹽顆粒散布到空氣中糊探，成為水蒸汽的凝結(jié)核所致，形成的霧也比自然形成的霧更為持久，散射的光偏向于橙黃色科平。
? 平流層的存在不僅僅助力于氣溶膠的全球輸送瞪慧，還有助于聲波的傳輸髓考。唐代著名詩人王維有詩《鹿柴》云：“空山不見人，但聞人語響汞贸，返景入森林绳军，復(fù)照青苔上”。這首詩描繪的是空山深林在傍晚時分的幽靜景色矢腻。詩的絕妙處在于以動襯靜门驾，空谷傳音，愈見其空多柑。但是為什么在傍晚王維看到周圍并沒有人奶是，卻能聽到人說話的聲音呢？背景噪音變小了僅僅是其中一個因素竣灌。最根本的原因是聲波的折射現(xiàn)象聂沙。聲音的傳輸速度和氣溫有關(guān)，在熱空氣中的傳播速度比在冷空氣中的傳播速度快 初嘹。在對流層(<10 km)及汉，溫度隨高度的升高而降低；在較高的平流層(>10 km)中屯烦，氣溫又隨高度的增加而升高坷随。沿著地面?zhèn)鞑サ穆暡ǎ?jīng)過一段距離之后就漸漸聽不到了驻龟；而朝著高空傳播的聲音温眉，到達(dá)平流層后又慢慢向下彎曲，到一定遠(yuǎn)處又傳播到地面翁狐，造成了“近處聽不到遠(yuǎn)處反而能聽得到”的奇怪現(xiàn)象类溢。白天，由于地面接受太陽輻射露懒，溫度升高闯冷，近地聲速大于高空，聲音傳播路徑向上隐锭，到了夜晚窃躲，由于輻射冷卻，靠近地面空氣逐漸冷下來了钦睡，高空聲速比近地大，因而聲音會向地面折射。我們能夠在夜間聽見很遠(yuǎn)的聲音荞怒，其原理與光折射造成的“海市蜃樓”是非常類似的洒琢。“姑蘇城外寒山寺褐桌，夜半鐘聲到客船”衰抑，便是聲的折射的詩意寫照。
? 大氣作為混沌系統(tǒng)呛踊，它的非線性變化造成了五彩繽紛的自然現(xiàn)象，由此啟發(fā)了科學(xué)家啦撮、藝術(shù)家谭网、詩人甚至是宗教神學(xué)家對大氣的不斷探索，并各自創(chuàng)作出對這些自然現(xiàn)象的解讀赃春。無論是科學(xué)理論愉择、物理模型、化學(xué)公式织中、繪畫锥涕、詩歌、圣經(jīng)狭吼，都是人類記錄自然現(xiàn)象的表示形式层坠，都對滿足人類好奇心、探索這個未被完全認(rèn)知的客觀世界刁笙、撫慰內(nèi)心靈魂做出了巨大的貢獻(xiàn)破花，是人類文明的寶貴遺產(chǎn)。倘若一個地球科學(xué)家足夠幸運(yùn)采盒，他便能繼承這些遺產(chǎn)旧乞，并將這些現(xiàn)象背后的原理，傳達(dá)給更多的人磅氨，以及后代尺栖。
參考文獻(xiàn)
[1] Judt F. Insights into Atmospheric Predictability through Global Convection-Permitting Model Simulations[J]. Journal of the Atmospheric Sciences, 2018, 75(5): 1477-1497.
[2] Mather T A, Pyle D M, Oppenheimer C. Tropospheric Volcanic Aerosol[J]. Volcanism and the Earth's Atmosphere, 2004: 189-212.
[3] Solomon S, Daniel J S, Neely R R, et al. The Persistently Variable “Background” Stratospheric Aerosol Layer and Global Climate Change[J]. Science, 2011, 333(6044): 866.
[4] Fyfe J C, Gillett N P, Zwiers F W. Overestimated global warming over the past 20 years[J]. Nature Climate Change, 2013, 3: 767.
[5] Kosaka Y, Xie S-P. Recent global-warming hiatus tied to equatorial Pacific surface cooling[J]. Nature, 2013, 501: 403.
[6] Solomon S, Rosenlof K H, Portmann R W, et al. Contributions of Stratospheric Water Vapor to Decadal Changes in the Rate of Global Warming[J]. Science, 2010, 327(5970): 1219.
[7] Ramaswamy V, Schwarzkopf M D, Randel W J, et al. Anthropogenic and Natural Influences in the Evolution of Lower Stratospheric Cooling[J]. Science, 2006, 311(5764): 1138.
[8] Santer B D, Bonfils C, Painter J F, et al. Volcanic contribution to decadal changes in tropospheric temperature[J]. Nature Geoscience, 2014, 7: 185.
[9] Robock A. Volcanic eruptions and climate[J]. Reviews of Geophysics, 2000, 38(2): 191-219.
[10] Rampino M R, Self S. Volcanic winter and accelerated glaciation following the Toba super-eruption[J]. Nature, 1992, 359(6390): 50-52.
[11] Oppenheimer C. Climatic, environmental and human consequences of the largest known historic eruption: Tambora volcano (Indonesia) 1815[J]. Progress in physical geography, 2003, 27(2): 230-259.
[12] Hubbard Z. Paintings in the Year Without a Summer[J]. Philologia, 2019, 11(1).
[13] Zerefos C S, Gerogiannis V T, Balis D, et al. Atmospheric effects of volcanic eruptions as seen by famous artists and depicted in their paintings[J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2007, 7(15): 4027-4042.
